WO2007101686A1

WO2007101686A1 - Kupplung und motorisch angetriebenes drehwerkzeug mit drehmomentbegrenzer

Info

Publication number: WO2007101686A1
Application number: PCT/EP2007/002006
Authority: WO
Inventors: Rolf Pfeiffer; Gerd Zinn
Original assignee: Deprag Schulz Gmbh U. Co
Priority date: 2006-03-09
Filing date: 2007-03-08
Publication date: 2007-09-13
Also published as: DE112007000509A5; DE202006003677U1

Abstract

Eine Kupplung zur Drehmomentbegrenzung insbesondere für einen Schrauber umfasst ein erstes Kupplungsteil (6) und ein zweites in einer Axialrichtung (A) verschiebbares Kupplungsteil (8, 42, 44). In einer Grundstellung greifen die Kupplungsteile (6; 8, 42, 44) lösbar ineinander. Bei Einwirken eines Drehmoments wird eine in Axialrichtung (A) wirkende Axialkraft auf das zweite Kupplungsteil (8; 42, 44) ausgeübt. Der Axialkraft wirkt eine magnetische Haltekraft auf das Kupplungsteil (8; 42, 44) zum Überschreiten eines zu einem Drehmomentgrenzwert korrespondierenden Grenzwerts entgegen. Bei Überschreiten des Grenzwerts wird das zweite Kupplungsteil (8; 42, 44) in Axialrichtung (A) verschoben die magnetische Haltekraft bricht zusammen und die beiden Kupplungsteile (6; 8; 42, 44) werden getrennt.

Description

Beschreibung

KUPPLUNG UND MOTORISCH ANGETRIEBENES DREHWERKZEUG MIT DREHMOMENTBEGRENZER

Die Erfindung betrifft eine Kupplung zur Drehmomentbegrenzung. Die Erfindung betrifft weiterhin ein motorisch angetriebenes Drehwerkzeug.

Kupplungen zur Drehmomentbegrenzung haben vielfältige Einsatzmöglichkeiten. Insbesondere werden sie bei motorisch angetriebenen Drehwerkzeugen eingesetzt, insbesondere bei sogenannten Schraubern, um eine Schraube mit einem definierten Drehmoment anzuziehen. Derartige Schraubwerkzeuge werden über einen

Antriebsmotor, beispielsweise ein Druckluft-, ein Hydraulik- oder ein Elektromotor, angetrieben. Schraubwerkzeuge können sowohl als manuell bedienbare Handschrauber ausgebildet sein oder auch als Teile oder Komponenten von Bearbeitungsautomaten oder Robotern.

Derartige Schraubwerkzeuge sind beispielsweise aus der Deutschen Auslegeschrift 23 25 235 oder aus dem Deutschen Gebrauchsmuster G 91 11 449.7 zu entnehmen.

Als Abschaltkupplungen sind mechanische Abschaltkupplungen bekannt, bei denen allerdings die Einstellung des gewünschten Drehmomentgrenzwerts sozusagen blind erfolgt und erst nach der mechanischen Einstellung auf einem gesonderten Prüfplatz festgestellt werden muss. Die Flexibilität dieser Werkzeuge ist somit erheblich eingeschränkt. Im Gegensatz dazu kann an einem elektrischen Schrauber mit Antriebssteuerung der Drehmomentgrenzwert flexibel an der Steuerung eingegeben wer- den. Nachteil ist jedoch, dass die gesamte Antriebssteuerung sehr aufwändig und damit teuer ist. Gleichzeitig ist ein Volumen beansprucht, das im Gehäuse des Schraubers kaum oder nur mit erheblichen ergonomischen Nachteilen untergebracht werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und zuverlässige Kupplung in kompakter Bauweise anzugeben, die insbesondere für den Einsatz in einem Drehwerkzeug geeignet ist. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kupplung zur Drehmomentbegrenzung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Erläuterung der Erfindung erfolgt anhand eines Schraubers als Beispiel für ein Drehwerkzeug, das eine erfindungsgemäße Kupplung aufweist. Die Anwendungsfälle der Kupplung beschränken sich jedoch nicht auf dieses eine Drehwerkzeug, die Kupplung kann z.B. in einem Bohrwerkzeug oder als Sicherheitskupplung bei einem Motor eingesetzt werden.

Im Betrieb des Schraubers steigt das Drehmoment beim Anziehen einer Schraube an. Das Drehmoment erzeugt ein Reaktionsmoment, welches auf die Antriebsmechanik des Schraubers wirkt. Durch einen geeigneten Aufbau der Mechanik des Schraubers wird das Reaktionsmoment in eine Axialkraft umgesetzt, die auf das zweite Kupplungsteil ausgeübt wird. Diese Axialkraft versucht es aus seiner Grundstellung heraus- zubringen und somit die Drehmomentübertragung zu unterbrechen. Um im Betrieb dieser Kraft definiert entgegenzuwirken, ist eine neuartige magnetische Abschaltkupplung vorgesehen. Durch den Elektromagnet wird eine magnetische Haltekraft erzeugt, die der Axialkraft entgegenwirkt. Diese Haltekraft hält den Anker in der Grundstellung fest, solange ein Drehmomentgrenzwert nicht überschritten wird.

Der Elektromagnet besteht aus einem Stator mit einer Spule, so dass sich beim Stromdurchfluß durch die Spule ein magnetisches Feld bildet. Dieses Feld ruft die Haltekraft hervor, die den Anker in der Grundstellung festhält. Der Anker ist mechanisch mit dem zweiten Kupplungsteil verbunden, so dass das zweite Kupplungsteil ebenfalls über die Haltekraft festgehalten wird. Somit ist die Grundstellung des Ankers über die Grundstellung des zweiten Kupplungsteil bestimmt.

Die Haltekraft mit der der Elektromagnet der Axialkraft entgegenwirkt, ist u. a. durch den Spulenstrom definiert. Sobald die Axialkraft die magnetische Haltekraft übersteigt, wird der Anker vom Stator des Elektromagnets abgehoben. Dadurch gelangen die Kupplungsteile außer Eingriff, was zu einem Leerlauf des Schraubers führt und die Schraube wird nicht weiter eingedreht. Ein besonderem Vorteil dieser Ausgestaltung ist darin zu sehen, dass durch die Verwendung der magnetischen Haltekraft ein einfacher und kompakter Aufbau ermöglicht ist. Über den Magneten ist zudem ohne aufwändige Steuerelektronik die Haltekraft und damit ein Drehmomentgrenzwert wiederholbar mit hoher Reproduzier- barkeit über den Spulenstrom einstellbar. Es ist keinerlei Sensorik zur Erfassung von Messgrößen oder eine aufwändige Steuerung erforderlich und auch nicht vorgesehen, was letztendlich auch den einfachen und kostengünstigen Aufbau ermöglicht. Es sind zudem - nach einer werkseitigen Ersteinstellung - nachfolgend keine Eichungen oder Justierungen mehr erforderlich. Auch im Hinblick auf die Funktion ist mit dem magneti- sehen Kupplungs- und Halteprinzip der besondere Vorteil verbunden, dass bei Überschreiten der Haltekraft und des hierdurch bedingten Verschiebens des Ankers die magnetische Haltekraft nachlässt, so dass die Kupplung bei Überschreiten des zugeordneten Drehmomentgrenzwerts nahezu schlagartig oder digital gelöst wird. Neben dem schnellen Ansprechverhalten werden die beiden Kupplungsteile dadurch auch nur wenig mechanisch belastet und die beiden Kupplungsteile können entsprechend kompakt aufgebaut sein.

Für die Umwandlung des Reaktionsmoments in die Axialkraft sind die Kupplungsteile in Drehrichtung bevorzugt formschlüssig, insbesondere klauenartig miteinander verbunden und greifen mit Gegenwirkungsflächen ineinander, wobei die Gegenwirkungsfläche zumindest eines der Kupplungsteile schräg zu einer Rotationsrichtung orientiert ist. Durch die schräge Orientierung der Gegenwirkungsflächen wird die zunächst in Dreh- oder Rotationsrichtung wirkende Kraft zerlegt, so dass eine Kraftkomponente in Axialrichtung resultiert, die die Axialkraft bildet. Unter schräger Orientie- rung wird hierbei allgemein jede Ausgestaltung einer Fläche verstanden, die geeignet ist, die einwirkende Kraft zumindest teilweise in eine Axialkraft umzuwandeln. Die Gegenwirkungsfläche ist hierzu beispielsweise eine ebene oder auch eine gekrümmte Fläche. Wegen der geringen mechanischen Belastung weisen die ineinander greifenden Klauen hierbei bevorzugt nur eine geringe Tiefe von wenigen Millimetern auf.

Bei der Kupplung besteht generell die Anforderung, dass ein wiederholgenaues und exaktes Auslösen der Kupplung bei Überschreiten eines definierten Drehmomentgrenzwertes innerhalb eines engen Toleranzfensters von nur wenigen Prozent ge- währleistet sein muss. Insbesondere muss eine Wiederholgenauigkeit von unter 3% erreicht werden, d.h. in Bezug auf einen vorgegebenen Drehmomentgrenzwert muss die Kupplung innerhalb des 3%-Toleranzfensters ansprechen.

Um dies zu erreichen sind vorzugsweise Maßnahmen ergriffen, die die Reibkraft zwischen den Kupplungsteilen verringern oder gering halten. Zwischen den beiden Kupplungsteilen in der Grundstellung, in der sie miteinander in Eingriff stehen, ist daher eine möglichst geringe Reibfläche ausgebildet. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass an den einander zugewandten Stirnendseiten nur wenige vereinzelte, hervorstehende Elemente der Kupplungsteile vorgesehen sind, über die der

Formschluss in der Grundstellung ausgebildet ist. Die einzelnen Formschuss-Elemente sind daher über den Umfang der Kupplungsteile an den Stirnendseiten verteilt angeordnet, so dass in der Grundstellung ein flächiger stirnendseitiger Reibkontakt lediglich durch die Formschluss-Elemente ausgebildet ist und nicht durch die gesamte umlaufende Stirnendseite der Kupplungsteile.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist für ein wiederholgenaues und exaktes Auslösen das zweite Kupplungsteil als ein insbesondere stiftförmiges Auslöseelement ausgebildet, das in Axialrichtung verschieblich in einem Trägerelement gelagert ist. Das Trägerelement ist hierbei ortsfest, insbesondere sowohl drehfest als auch nicht längs- verschieblich. Vorzugsweise sind hierbei mehrere, gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnete Auslöseelemente vorgesehen. Das Trägerelement ist insbesondere scheibenartig ausgebildet. Durch die Verwendung von lediglich sehr kleinen stiftför- migen Elementen sind die zu bewegenden Massen bei dem Lösen der Kupplung sehr gering gehalten, so dass insgesamt ein sehr genaues Ansprechen der Kupplung erzielt ist. Die stiftförmigen Auslöseelemente wirken hierbei in Axialrichtung auf den Anker des Elektromagneten ein. Hierzu ist zweckdienlicherweise ein scheibenförmiges Übertragungselement vorgesehen, welches flanschartig am Anker befestigt ist, so dass eine Axialbewegung der Auslöseelemente über das Übertragungselement auf den Anker übertragen wird.

Zweckdienlicherweise ist das Auslöseelement hierbei mehrteilig, insbesondere zweiteilig ausgebildet und umfasst einen Schaft sowie ein Kopfteil, welches die schräge Gegenwirkungsfläche aufweist. Die mehrteilige Ausgestaltung hat den Vorteil, dass das Kopfteil mit vergleichsweise geringem Aufwand hochgenau ausgebildet werden kann, so dass für das Lösen der Kupplung eine sehr hohe Wiederholgenauigkeit eingestellt werden kann. Das Kopfteil ist hierbei insbesondere ein Rollelement, vorzugsweise eine hochgenau ausgebildete Kugel. Prinzipiell könnte dies auch eine Walze oder ein kegelförmiges Element oder eine sonstige geometrische Form mit einer schräg verlaufenden Gegenwirkungsfläche sein.

Alternativ zu der mehrteiligen Ausgestaltung kann das Auslöseelement auch einteilig ausgebildet sein und ebenfalls mit einer schrägen Gegenwirkungsfläche versehen sein. In diesem Fall ist das stiftförmige Element beispielsweise ein stirnendseitig angeschrägter Zylinderstift, ein Zylinderstift mit einem halbkugelartigen Stirnende. Alternativ kann als Auslöser auch lediglich eine Kugel herangezogen werden.

Alternativ zu der Ausgestaltung des zweiten Kupplungsteils als ein im Trägerelement axialverschieblich geführtes Auslöseelement ist das zweite Kupplungsteil als ein Getrieberad eines Getriebes ausgebildet, mit dessen Hilfe die vom Elektromotor bereitgestellte Drehzahl in die gewünschte abtriebsseitige Drehzahl umgewandelt wird. Da ein Teilelement des Getriebes zugleich ein Teilelement der Drehmomentkupplung ist, übernimmt hier das Getriebe eine Doppelfunktion.

Insbesondere ist das zweite Kupplungsteil ein Teilelement eines Planetenradgetriebes. Ein Planetenradgetriebe besteht in der Regel aus einem zentralen Antriebsrad - dem Sonnenrad, weiteren Zahnrädern - den Planetenrädern, einem Planetenradträger und einem äußeren Zahnradring- dem Hohlrad. Im Betrieb des Schraubers wird sein

Drehmoment über eine Abtriebswelle auf die einzudrehende Schraube übertragen, wobei die Planetenräder sich auf dem Hohlrad abwälzen. Nach der Trennung der beiden Kupplungsteile bleibt die Abtriebswelle stehen und das Drehmoment wird nicht weiter auf die Schraube übertragen. Als bevorzugte Variante ist das erste Kupplungsteil ein axial feststehendes, nicht rotierbares Kupplungsteil, so dass in der Grundstellung das jeweilige Teilelement des Planetenradgetriebes festgehalten ist. Vorzugsweise ist ein reibungsminderndes Element vorgesehen, das in der Grundstellung zwischen den beiden Kupplungsteilen wirksam ist. Dieses ist beispielsweise eine Beschichtung mit geringem Reibungskoeffizienten zumindest an den Flächen, die in der Grundstellung miteinander in Berührung stehen.

Bei der Ausgestaltung des axial verschieblichen zweiten Kupplungsteils als Getrieberad ist zweckdienlicherweise als reibungsminderndes Element ein Abstandshalter vorgesehen, so dass eine stirnendseitige Berührung zwischen den Kupplungsteilen vermieden ist. In der Grundstellung stehen lediglich die in Umfangsrichtung wirksamen Gegenwirkungsflächen in Kontakt miteinander. Als Abstandshalter werden hierbei bevorzugt lose Elemente, insbesondere einige wenige, vereinzelte Rollelemente wie Kugeln oder Walzen, zwischen den beiden Kupplungsteilen angeordnet. Die beiden Kupplungsteile sind daher in dieser Variante nach Art eines Kugel- oder Wälzlagers aneinander gelagert.

In einer zweckdienlichen Weiterbildung sind zumindest an einem der beiden Kupplungsteile die Gegenwirkungsflächen durch stirnendseitig gelagerte Rollelemente, wie Kugeln oder Walzen, gebildet. In der Stirnendfläche sind hierzu insbesondere nach Art eines Käfigs wirkende Vertiefungen eingebracht, in denen vereinzelt über den Umfang verteilt die Rollelemente gehalten sind. Bei der Ausgestaltung mit dem stiftförmigen Auslöseelement bildet das Trägerelement den Käfig. Die Rollelemente sind hierbei in der Vertiefung lose und reibungsarm gelagert, so dass sie sich um eine Rotationsachse drehen können. Die über die Stirnendfläche überstehenden Teile der Rollelemente bilden die Gegenwirkungsflächen. Durch die gekrümmte Oberfläche der Rollelemente erfolgt in der Grundstellung eine Zerlegung einer in Umfangsrichtung wirkenden Kraft auch in die Axialkraft.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Elektromagnet derart ausgebildet, dass bei einer Axialverschiebung des Ankers aus der Grundstellung heraus sich die magnetische Haltekraft verringert und insbesondere zusammenbricht. Zweckdienlicherweise bricht die Haltekraft bereits bei einer Axialverschiebung des Ankers im Bereich < 1mm zusammen. Die Kupplung spricht daher bereits bei kürzesten Verschiebungen zuverlässig an. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Anker im Querschnitt T- förmig und durch einen zentralen Durchgang durch den Elektromagneten durchgeführt. Die Art der Führung des Ankers durch den Elektromagneten gewährleistet eine sym- metrische Verteilung der Haltekraft im Anker, die für die Konstruktion der Abschaltkupplung besonders günstig ist. Darüber hinaus kann der Anker dank seiner Form großflächig auf dem Stator aufliegen, wodurch eine ausgeprägte Wirkung der Haltekraft erzielt ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung schließt der Anker zu einer

Magnetspule in der Grundstellung einen Luftspalt ein. Hierdurch wird insbesondere ein leichtes Abheben des Ankers von der Spule ermöglicht, wenn die Axialkraft die magnetische Haltekraft überschreitet, ohne dass ein großer Widerstand des Magnetfelds überwunden werden muss. Dadurch wird eine besonders schnelle Abnähme und Unterbrechung der magnetische Haltekraft erzielt, so dass die formschlüssige Verbindung der Kupplungsteile gelöst wird, wenn der Drehmomentgrenzwert überschritten wird.

Bevorzugt ist die Haltekraft über einen Spulenstrom des Elektromagneten einstellbar. Die Einstellung der magnetischen Haltekraft und somit des Drehmomentgrenzwerts ziehen nach sich ein breites Spektrum an Einstellmöglichkeiten für den Schrauber. In Abhängigkeit von den Drehmomentanforderungen können unterschiedliche Drehmomentgrenzwerte in einfacher Weise vorgegeben werden.

Um ein exaktes Auslösen der Kupplung bei einem vorgegebenen Drehmomentgrenzwert zu gewährleisten, liegt die Wiederholgenauigkeit bei der Ansteuerung des Elektromagneten - bezogen auf einen definierten Wert des Spulenstroms bei einem vorgegebenen Drehmomentgrenzwert - bei unter 1 % und insbesondere bei unter 0,3%. Es ist daher eine hochgenaue, wiederholbare Einstellung des Spulenstroms durch ein ent- sprechendes Stromsteuerelement vorgesehen. Insbesondere in Zusammenwirkung mit den reibungsmindernden Maßnahmen wird ein besonders hochgenaues Auslösen erzielt. Weiter bevorzugt ist ein Einstellelement vorgesehen, über das der Spulenstrom einstellbar ist. Das Einstellelement ist beispielsweise als eine digitale oder alternativ als eine elektromechanische Eingabevorrichtung, wie ein Tast- oder Drehschalter, ausgebildet. Hierbei kann eine Bedienperson ohne aufwändige Steuerung den gewünschten Grenzwert äußerst flexibel und einfach einstellen.

Um die Bedienung des Schraubers zu erleichtern, weist das Einstellelement vorteilhafterweise eine Anzeige auf, insbesondere eine digitale Anzeige, die den eingestellten Drehmomentgrenzwert anzeigt. Somit kann jederzeit ganz einfach überprüft werden, ob die richtigen Einstellungen vorgenommen sind.

In einer bevorzugten Weiterbildung ist ein beschreibbarer RFID-Chip vorgesehen, auf dem der jeweils eingestellte Drehmomentgrenzwert auslesbar hinterlegt ist. Der RFID- Chip kann als Ergänzung zum Einstellelement und / oder zur Anzeige vorgesehen sein. Insbesondere bei industriellen Anlagen mit einem hohen Automatisierungsgrad ist dies für eine automatische Prozessüberwachung von besonderem Vorteil. Die Einstellungen werden hierbei aus dem RFID-Chip mit Hilfe eines RFID-Lesegeräts ausgelesen und an eine Auswerteeinheit übertragen und / oder von der Prozessüberwachung überwacht und ausgewertet.

Vorzugsweise ist ein Schaltelement vorgesehen, das bei einer Axialverschiebung des zweiten Kupplungsteils ein Stoppsignal an eine zugeordnete Antriebseinheit abgibt. Das Schaltelement ist insbesondere derart ausgebildet, dass es direkt vom zweiten Kupplungsteil oder vom Anker betätigt wird. Das Schaltelement ist beispielsweise ein Taster oder auch ein berührungsloser Näherungsschalter. Die Antriebseinheit, die z.B. ein Elektromotor, eine hydraulische Antriebseinheit oder eine Druckluftantriebseinheit ist, stoppt nach Empfangen des Stoppsignals unverzüglich. Somit wird beim Überschreiten des Drehmomentgrenzwerts der Antrieb unmittelbar abgeschaltet.

Alternativ zum Schaltelement wird rein elektronisch ermittelt, wann der Spulenstrom (Haltestrom) abzuschalten ist. Zur Ermittlung wird hierzu die Stromaufnahme des Elektromagneten überwacht und ausgewertet. Dies beruht auf der Erkenntnis, dass bei einem Lösen der Kupplung und der damit einhergehenden Relatiwerschiebung zwischen dem Anker und dem Elektromagneten der Spulenstrom eine charakteristische, mess- und auswertbare Änderung erfährt. Sobald diese Änderung festgestellt wird, erfolgt die Abschaltung des Spulenstroms. Diese rein elektronische Ermittlung ist ohne zusätzlichen baulichen Aufwand mit der sowieso erforderlichen Spulenansteuerung zu verwirk- liehen und dient somit einem kompakten Aufbau.

Die Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch ein motorisch angetriebenes Drehwerkzeug, insbesondere ein Schrauber, mit einer solchen Kupplung. Die im Hinblick auf die Kupplung aufgeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auf das Drehwerkzeug zu übertragen.

Bevorzugt ist das motorisch angetriebene Drehwerkzeug derart ausgebildet, dass eine Antriebswelle eines Antriebsmotors über ein Getriebe mit einer Abtriebswelle verbunden ist, die durch den Elektromagneten und durch den Anker geführt ist. Dieses Drehwerkzeug zeichnet sich durch seine kompakte Bauform aus.

Die Kupplung wird vorzugsweise in einem mit einem Akkumulator versorgten Drehwerkzeug eingesetzt, insbesondere in einem so genannten Akkuschrauber. Bei einem derartigen Akku-Drehwerkzeug erfolgt die elektrische Energieversorgung des in diesem Falle elektrischen Antriebsmotors ausschließlich über den Akkumulator. Aufgrund des einfachen und robusten Aufbaus der Kupplung zur Drehmomentbegrenzung und des besonders geringen Sensor- und Steuerungsaufwands eignet sich die Kupplung besonders in derartigen handbetriebenen Akku-Werkzeugen. Das Akku-Werkzeug ist bevorzugt vollständig autark und weist keine Versorgungs- oder Steuerleitungen auf.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:

Fig. 1 in einem Längsschnitt einen Schrauber in einer ersten Ausfüh- rungsvariante

Fig. 2 in einem Längsschnitt einen Elektromagneten mit einem Anker,

Fig. 3a und 3b in einer Seitenansicht die Verbindung zwischen zwei Kupplungsteilen der ersten Ausführungsvariante, Fig. 3c und 3d in einer Vorderansicht die Kupplungsteile gemäß Fig. 3a und Fig. 3b,

Fig. 4 in einem Längsschnitt einen Schrauber in einer zweiten Ausführungsvariante, Fig. 5 in einem Längsschnitt einen Schrauber in einer dritten Ausführungsvariante, und

Fig. 6a bis 6d zu den Fig. 3a bis 3d vergleichbare Darstellungen der Kupplungsteile für die zweite und dritte Ausführungsform.

Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.

In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsvariante eines Schraubers 2 gezeigt, der über einen Antriebsmotor 4 angetrieben wird. Der Schrauber 2 weist ein erstes feststehendes ringförmiges Kupplungsteil 6 und ein zweites verschiebbares ringförmiges Kupplungs- teil 8 auf. Die Kupplungsteile 6, 8 sind in ihrer Grundstellung gezeigt, in der sie ineinander eingreifen. Von der Grundstellung heraus kann die Verschiebung des zweiten Kupplungsteils 8 in eine Axialrichtung erfolgen, die durch den Pfeil A angegeben ist. Der detaillierte Aufbau der Kupplungsteile 6, 8 ist in Figuren 3a bis 3d dargestellt.

Der über eine Versorgungsleitung 12 mit elektrischer Energie versorgte Antriebsmotor 4 treibt einen Schrauberabtrieb 14 an, so dass ein Drehmoment auf eine hier nicht dargestellte Schraube übertragen wird. Eine Antriebswelle 16a des Antriebsmotores 4 ist im Ausführungsbeispiel über ein Planetenradgetriebe mit einer Abtriebswelle 16b verbunden, welche wiederum mit dem Schrauberabtrieb 14 gekoppelt ist. Das Plane- tenradgetriebe umfasst ein Sonnenrad 18, mindestens ein Planetenrad 20 und das Hohlrad 21 mit Innenverzahnung. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bildet das Hohlrad 21 zugleich das zweite axial verschiebliche Kupplungsteil 8. Im Ausführungsbeispiel sind 3 Planetenräder 20 eingesetzt. Im in Fig. 1 dargestellten Grundzustand, bei dem das Kupplungsteil 8 in Eingriff mit dem feststehenden Kupplungsteil 6 steht, ist das Kupplungsteil 8 drehfest gehalten.

Das zweite Kupplungsteil 8 ist außerdem mechanisch mit einem Anker 22 gekoppelt, der insbesondere aus einem metallischen Werkstoff besteht und im Querschnitt T- förmig ausgebildet ist. Der Anker 22 wird von einem Elektromagneten 24 in seiner Grundstellung gehalten. Der Elektromagnet 24 umfasst einen Stator 26, mit einer Spule 28 (siehe Fig. 2). Eine Leitung 30 ist vorgesehen, über die der Elektromagnet 24 mit Energie versorgt wird. Außerdem weist der Stator 26 einen zentralen Durchgang 32 auf, durch den der Anker 22 geführt ist. Das Kupplungsteil 8 und der Anker 22 sind in Axialrichtung A verschieblich gelagert.

Beim Anziehen der Schraube steigt das Drehmoment zunehmend an, wodurch auch ein Dreh-Reaktionsmoment ansteigt, das auf das Getriebe und die Kupplung wirkt. Durch die Art der Verbindung zwischen den Kupplungsteilen 6,8 wird das Reaktionsmoment in eine Axialkraft umgesetzt, die in Axialrichtung A auf das zweite Kupplungsteil 8 wirkt. Über den Elektromagneten 24 wird eine magnetische Haltekraft für den Anker 22 erzeugt, die dieser Axialkraft entgegenwirkt.

Die Haltekraft hält den Anker 22 in seiner axialen Position, so dass er nicht von dem Stator 26 abrücken kann. Das zweite Kupplungsteil 8, das mit der Axialkraft gegen den Anker 22 drückt, wird in seiner Grundstellung gehalten. Die Haltekraft ist über den Spulenstrom einstellbar. Über ein Einstellelement wird ein gewünschter Drehmomentgrenzwert eingegeben. Dadurch wird definiert, wie groß die maximale axiale Haltekraft ist.

Beim Überschreiten dieses Drehmomentgrenzwerts wird der Anker 22 vom Stator 26 abgehoben, entsprechend wird das zweite Kupplungsteil 8 verschoben und die Verbindung zwischen den zwei Kupplungsteilen 6, 8 wird gelöst. Bereits unmittelbar nach einem ersten minimalen Abheben des Ankers 22 läßt die magnetische Haltekraft stark nach und bricht quasi zusammen. Der Elektromagnet 24 ist insbesondere derart ausgebildet, dass bei einer Axialverschiebung des Ankers 22 um weniger als 1 mm die Haltekraft bereits zusammenbricht.

Nachdem die Verbindung zwischen den zwei Kupplungsteilen 6, 8 gelöst ist, wird das Drehmoment der Antriebswelle 16a über das Planetenrad 20 auf das zweite Kupplungsteil 8 übertragen, welches anfängt sich zu drehen. Durch die Rotation des Hohlrads 8 kann das Drehmoment am Schrauberabtrieb 14 nicht weiter ansteigen und das Anziehen der Schraube ist beendet.

Darüber hinaus ist ein hier nicht dargestelltes Schaltelement vorgesehen, das bei der Verschiebung des Ankers bzw. des Kupplungsteils 8 betätigt wird. Dieses Schaltelement übermittelt dem Motor 4 ein Stoppsignal, wodurch der Motor 4 abgeschaltet wird.

Um den Schrauber 2 für den nächsten Einsatz bereit zu stellen, werden der Anker 22 und das zweite Kupplungsteil 8 wieder in ihre Grundstellung zurückgebracht. Dies er- folgt bevorzugt automatisch aufgrund der entgegen der Axialkraft wirkenden magnetischen Kraft. Zwar ist diese bei geöffneten Kupplungsteilen 6, 8 deutlich geringer als die Haltekraft, da jedoch auf das zweite Kupplungsteil 8 bei getrennter Kupplung und gestopptem Motor 4 keine Axialkraft mehr einwirkt, genügt die verbleibende magnetische Restkraft, um das zweite Kupplungsteil 8 wieder in seine Grundstellung zurückzuführen.

Der Schnitt durch den Elektromagneten 24 in Fig. 2 zeigt die Anordnung des Ankers 22 in der Grundstellung. Die im Stator 26 enthaltene Spule 28 ist durch Punkte an den Außenseiten des Stators 26 angedeutet. Der Anker 22 ist im Durchgang 32 geführt, der sich über die ganze Länge des Stators 26 erstreckt. Außerdem weist der Anker 22 zentral angeordnet einen Kanal auf, durch den im dargestellten Ausführungsbeispiel die Abtriebswelle 16b geführt ist. Prinzipiell ist auch eine spiegelbildliche Anordnung möglich, bei der die Antriebswelle 16a durch den Anker 22 geführt ist. Der Anker 22 ist in seiner Grundstellung derart positioniert, dass ein kleiner Luftspalt 33 zwischen dem An- ker 22 und des Spule 28 gebildet ist, der ein besonders leichtes Abheben des Ankers 22 ermöglicht.

Der Aufbau der Kupplungsteile 6, 8 und deren Verbindung gemäß der ersten Ausführungsform ist in den Figuren 3a bis 3d gezeigt. In Fig. 3b ist der formschlüssige Eingriff der beiden Kupplungsteile 6, 8 dargestellt. Auf den Stirnseiten 34 der beiden Kupplungsteilen 6, 8 sind als Drehmomentübertragungselemente im Ausführungsbeispiel Zähne oder Klauen 36 angeordnet, die miteinander wechselwirkende Gegenwirkungsflächen 38 zur Übertragung der Drehkräfte aufweisen. Die Gegenwirkungsflächen 38 sind derart schräg angeordnet, dass die in Rotationsrichtung R wirkenden Drehkräfte teilweise in die in Axialrichtung A wirkende Axialkraft umgewandelt werden. Die Gegenwirkungsflächen 38 sind hierzu - wie insbesondere aus Fig. 3a hervorgeht - sowohl unter einem Winkel zur Rotationsrichtung R als auch unter einem Winkel zur Axialrich- tung A orientiert. In Fig. 3a ist das zweite Kupplungsteil 8 in Axialrichtung A leicht verschoben, so dass der Eingriff gelöst ist und das zweite Kupplungsteil 8 frei rotieren kann.

Zur Verminderung der Haftreibung in der Grundstellung ist vorzugsweise im Freiraum zwischen jeweils zwei benachbarten Klauen 36 jeweils eine nach Art eines Abstandshalter wirkende Lagerkugel 40 lose angeordnet. Der Kugeldurchmesser liegt hierbei etwas über der Höhe der Klauen 36, so dass in der Grundstellung die Klauen 36 an dem gegenüberliegenden Kupplungsteil 6,8 nicht stirnseitig flächig anliegen. Es liegt daher - neben den Gegenwirkungsflächen 38 - nur ein punkt- oder linienförmiger Reibkontakt über die Lagerkugeln 40 vor.

In einer alternativen, hier nicht näher dargestellten Ausgestaltung ist auf die Klauen verzichtet und die Lagerkugeln 40 dienen zugleich zur Ausbildung des Formschlusses in Drehrichtung. Zur Einstellung einer möglichst geringen Reibung zwischen den Kupp- lungsteilen 6,8 sind hierzu bei einem Kupplungsteil 6,8 anstelle der Klauen 36 die

Lagerkugeln 40 im Kupplungsteil 6,8 stirnendseitig nach Art eines Käfigs gehalten. Die Lagerkugeln 40 überstehen die Stirnseite 34 und bilden die Gegenwirkungsflächen 38 aus, die zur Drehmomentübertragung dienen.

Die Ausführungsvarianten des Schraubers 2 gemäß den Fig. 4 und 5 sind im Hinblick auf ihren prinzipiellen Aufbau und ihre Funktionsweise vergleichbar zu der Ausführungsvariante gemäß der Fig. 1. Die wesentlichen Unterschiede sind im Aufbau der jeweiligen Kupplung zu sehen. Nachfolgend wird daher lediglich auf die wesentlichen Unterschiede eingegangen. In den beiden Ausführungsvarianten gemäß den Fig. 4 und 5 ist das zweite, axial verschiebliche Kupplungsteil gebildet durch ein insbesondere zweiteilig ausgebildetes Auslöseelement. Dies ist im Ausführungsbeispiel gebildet durch einen als Schaltstift 44 bezeichneten Schaft sowie ein als Kugel 42 ausgebildetes Kopfteil. Der Schaltstift 44 und die Kugel 42 sind in einer Durchgangsbohrung eines feststehenden scheibenartigen Trägerelements 46 axial verschieblich gehalten. Der Schaltstift 44 wirkt mit seiner der Kugel 42 abgewandten Seite auf ein ebenfalls scheibenartiges Übertragungselement 48. Über das Übertragungselement 48 wird eine Axialbewegung des Schaltstifts 44 mittelbar auf den Anker 22 übertragen, so dass die Kupplung im Bedarfsfall auslöst.

Die Kugel 42 bildet zugleich die Gegenwirkungsfläche 38 aus, mit der sie mit entsprechenden Nocken in der Grundstellung mit dem ersten Kupplungsteil 6 in drehfesten Eingriff steht, um das Drehmoment zu übertragen (vgl. auch Fig. 6b). In beiden Ausfüh- rungsvarianten der Fig. 4 und 5 ist das Trägerelement 46 sowohl drehfest als auch in Axialrichtung A ortsfest gehalten. Das erste Kupplungsteil 6 ist jeweils ein Teilelement des Planetenradgetriebes bzw. mit einem solchen fest verbunden. In der Grundstellung, bei der ein formschlüssiger Eingriff zwischen dem ersten Kupplungsteil 6 und der Kugel 42 als zweites Kupplungsteil ausgebildet ist, wird daher das jeweilige Teilelement des Planetenradgetriebes festgehalten, so dass die von der Antriebswelle 16a ausgeübte Drehbewegung auf die Abtriebswelle 16b übertragen wird. Bei Überschreiten eines bestimmten, eingestellten Drehmomentgrenzwertes wird aufgrund der wirkenden Axialkraft die Kugel 42 und der Auslösestift 44 in Axialrichtung A verschoben, so dass über das Übertragungselement 48 auch der Anker 22 verschoben wird und die magnetische Haltekraft zusammenbricht und die Kupplung gelöst ist.

Während beim Ausführungsbeispiel der Fig. 4 die Kupplung abtriebsseitig angeordnet ist, ist sie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 5 antriebsseitig angeordnet. Insbesondere ist das erste Kupplungsteil 6 beim Ausführungsbeispiel der Fig. 4 durch das äußere Hohlrad 21 des Planetenradgetriebes gebildet. Über die Kupplung wird daher hier das Hohlrad 21 in der Grundstellung festgehalten. Im Unterschied hierzu ist das erste Kupplungsteil 6 beim Ausführungsbeispiel der Fig. 5 durch einen die Planetenräder 20 tragenden Radträger 50 gebildet. Der Radträger 50 weist Nocken auf, die mit den Kugeln 42 zur Ausbildung des Formschlusses in der Grundstellung zusammenwirken.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 5 ist die Kupplungsanordnung bezüglich der Axialrichtung A in etwa spiegelbildlich zu der Anordnung gemäß Fig. 4 ausgebildet, d.h. die Axi- alverschiebung findet hier von links nach rechts statt, der Anker 22 wird also im Auslösefall nach rechts verschoben.

Der prinzipielle Aufbau gemäß den Fig. 4 und 5 ergibt sich am besten aus den Fig. 6a bis 6d, die das prinzipielle Zusammenwirken schematisch zeigen. Hieraus ist zu erkennen, dass das Trägerelement 26 über seinen äußeren Umfang gleichmäßig verteilt mehrere Bohrungen aufweist, in die jeweils der Schaltstift 44 und die Kugel 42 eingebracht sind. Das erste Kupplungsteil 6, das wahlweise durch das Hohlrad 21 oder den Radträger 50 gebildet ist (Ausführungsvariante gemäß Fig. 4 bzw. Fig. 5) weist kor- respondierend hierzu um den Umfang gleichmäßig verteilt drei Klauen oder Nocken 36 auf. In der Fig. 6b ist die Grundstellung zu erkennen, in der zwischen den Kugeln 42 und den Klauen 36 ein Formschluss über die aneinander anliegenden Gegenwirkungsflächen 38 ausgebildet ist. Wird ein bestimmter Drehmomentgrenzwert überschritten, so führt dies dazu, dass die Kugel 42 und der Schaltstift 44 in Axialrichtung A weggedrückt werden, was in der Fig. 6a dargestellt ist (Kupplung gelöst).

Die hier beschriebene Kupplung mit dem magnetischen Halteprinzip zeichnet sich durch den sehr einfachen und kompakten Aufbau sowie durch einen zuverlässigen Betrieb aus. Es sind keine aufwändigen Sensoren oder Steuereinrichtungen notwendig und vorgesehen. Durch das magnetische Halteprinzip sind die Drehmomentgrenzwerte durch Einstellung des Spulenstroms einfach, wiederholbar und genau einstellbar. Von besonderer Bedeutung ist weiterhin, dass bei Überschreitung der Haltekraft und einer bereits geringfügigen Verschiebung in Axialrichtung die magnetische Haltekraft stark nachlässt, so dass die Kupplung schlagartig und digital freigegeben wird. Da die magnetische Haltekraft bereits bei einer Axialverstellung von weniger als 1 mm zusammenbricht, brauchen die Klauen 36 bzw. die Kugeln 42 auch nur eine vergleichbare Tiefe aufzuweisen. Dadurch ist die mechanische Belastung der Kupplungsteile 6,8 gering. Im Ausführungsbeispiel ist ein feststehender Anker 22 beschrieben. Alternativ ist dieser auf einer der Wellen 16a, 16b mitrotierend angeordnet. Bezugszeichenliste

Schrauber

Antriebsmotor erstes Kupplungsteil

Getrieberad

Versorgungsleitung

Schrauberabtrieb a Antriebswelle b Abtriebswelle

Sonnenrad

Planetenrad

Anker

Elektromagnet

Stator

Spule

Leitung

Durchgang

Luftspalt

Stirnseite

Klaue

Gegenwirkungsfläche

Lagerkugel

Kugel

Schaltstift

Trägerelement

Übertragungselement

Radträger

Axialrichtung

Claims

Ansprüche

1. Kupplung zur Drehmomentbegrenzung mit einem ersten Kupplungsteil (6) und einem zweiten in einer Axialrichtung (A) verschiebbaren Kupplungsteil (8; 42,44), die in einer Grundstellung lösbar ineinander greifen und die derart ausgebildet sind, dass bei Einwirken eines Drehmoments eine in Axialrichtung (A) wirkende Axialkraft auf das zweite Kupplungsteil (8; 42, 44) ausgeübt wird, wobei das zweite Kupplungsteil (8; 42, 44) mit einem Anker (22) eines Elektromagneten (24) verbunden ist und der Elektromagnet (24) derart ausgebildet ist, dass er ei- ne axial wirkende magnetische Haltekraft auf das zweite Kupplungsteil (8; 42,

44) ausübt, die der Axialkraft bis zum Überschreiten eines zu einem Drehmomentgrenzwert korrespondierenden Grenzwerts entgegenwirkt und dass bei Ll- berschreiten des Grenzwerts das zweite Kupplungsteil (8; 42, 44) in Axialrichtung (A) verschoben wird und die beiden Kupplungsteile (6; 8, 42, 44) getrennt wer- den.

2. Kupplung nach Anspruch 1 , bei der die Kupplungsteile (6; 8, 42, 44) in der Grundstellung formschlüssig miteinander verbunden sind und mit Gegenwirkungsflächen (38) ineinander greifen, wobei zumindest eine der Gegenwirkungs- flächen (38) schräg zu einer Rotationsrichtung (R) orientiert ist.

3. Kupplung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das zweite Kupplungsteil zumindest ein insbesondere stiftförmiges Auslöseelement (42,44) ist, das in Axialrichtung (A) verschieblich in einem Trägerelement (46) gelagert ist.

4. Kupplung nach Anspruch 3, bei der das Auslöseelement zweiteilig ausgebildet ist bestehend aus einem Schaft (44) und einem insbesondere als Kugel (42) ausgebildeten Kopfteil, wobei das Kopfteil die Gegenwirkungsfläche (38) aufweist.

5. Kupplung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das zweite Kupplungsteil ein

Teilelement (21 , 50) eines Getriebes (18,20,21) insbesondere eines Planeten- radgetriebes ist.

6. Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das erste Kupplungsteil (6) ein feststehendes, nicht rotierbares Kupplungsteil ist.

7. Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein reibungs- s minderndes Element (40) vorgesehen ist, das in der Grundstellung zwischen den beiden Kupplungsteilen (6; 8, 42,44) wirksam ist.

8. Kupplung nach Anspruch 2 oder 5 und 2, bei dem die Gegenwirkungsflächen (38) an zumindest einem der beiden Kupplungsteile (6) durch stirnendseitig o gelagerte Rollelemente (44) gebildet sind.

9. Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche , bei der der Elektromagnet (24) derart ausgebildet ist, dass bei einer Axialverschiebung des Ankers (22) aus der Grundstellung heraus die magnetische Haltekraft sich verringert und ins- 5 besondere zusammenbricht.

10. Kupplung nach Anspruch 9, bei der der Elektromagnet (24) derart ausgebildet ist, dass bereits bei einer Axialverschiebung im Bereich < 1 mm die Haltekraft zusammenbricht.

11. Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Anker (22) im Querschnitt T-förmig ist und durch einen zentralen Durchgang (32) durch den E- lektromagneten (24) geführt ist.

12. Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Anker (22) in der Grundstellung zu einem Stator (26) des Elektromagneten (24) einen Luftspalt (33) einschließt.

13. Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Haltekraft ü- ber einen Spulenstrom des Elektromagneten (24) einstellbar ist.

14. Kupplung nach Anspruch 13, bei der der Spulenstrom mit einer Wiederholgenauigkeit etwa kleiner 1 % und insbesondere etwa kleiner 0,3 % eingestellt wird.

15. Kupplung nach Anspruch 13 oder 14, bei der ein Einstellelement vorgesehen ist, über das der Spulenstrom einstellbar ist.

16. Kupplung nach Anspruch 15, bei der das Einstellelement eine Anzeige aufweist, die den eingestellten Drehmomentgrenzwert anzeigt.

17. Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ein beschreibbarer RFID-Chip vorgesehen ist, auf dem der jeweils eingestellte Drehmoment- grenzwert auslesbar hinterlegt ist.

18. Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ein Schaltelement vorgesehen ist, das bei einer Axialverschiebung des zweiten Kupplungsteils (8) ein Stoppsignal an eine zugeordnete Antriebseinheit (4) abgibt oder bei der durch Auswertung des Spulenstroms des Elektromagneten (24) auf elektronischem Weg das Stoppsignal generiert wird.

19. Motorisch angetriebenes Drehwerkzeug (2), insbesondere Schrauber, mit einer Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

20. Motorisch angetriebenes Drehwerkzeug (2) nach Anspruch 19, bei dem eine Antriebswelle (16a) eines Antriebsmotors (4) über ein Getriebe (18,20,21) mit einer Abtriebswelle (16b) verbunden ist, wobei eine der Wellen (16a, 16b) durch den Magneten (24) und durch den Anker (22) geführt ist.

21. Motorisch angetriebenes Drehwerkzeug (2) nach Anspruch 19 oder 20, dessen Energieversorgung über einen Akkumulator bereitgestellt wird.