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Die
Erfindung betrifft einen elektronischen Drehmomentschlüssel, mit
referenzarmloser Winkelmessung und mit einem stabartigen Gehäuse, das
an seinem einen Ende einen Handgriff besitzt und an seinem anderen
Ende eine Aufnahmevorrichtung für ein
Werkzeug, mit einer im Inneren des Gehäuses angeordneten Vorrichtung
zur Erfassung des Drehmoments und einer Vorrichtung zur Erfassung
des Drehwinkels sowie einer elektronischen Auswertevorrichtung,
wobei die Auswertevorrichtung eine Anzeige auf der Gehäuseaußenseite
trägt.
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Aus
der
DE 43 43 110 C2 ist
ein solcher Drehmomentschlüssel
bekannt, welcher Einrichtungen zur Bestimmung des Drehmoments und
des Drehwinkels besitzt. Diese ermöglichen es, das Drehmoment
beim Anziehen oder Lösen
einer Schraube in einer beliebigen Lage des Drehmomentschlüssels zu
bestimmen. Als Vorrichtung zur Messung des Drehwinkels finden mechanische,
optische oder piezoelektrische Gyroskope Verwendung.
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Eine
weitere Ausführungsform
eines Drehmomentschlüssels
findet sich in der
DE
196 37 067 A1 . Hier überwacht
ein Mikroprozessor in einer Auswertevorrichtung die Krafteinwirkung
auf das anzuziehende oder zu lösende
Werkstück.
Mittels einer Tastatur lassen sich die gewünschten Daten wie Sollwerte,
maximale Drehmomente oder -winkel eingeben. Außerdem können die erreichten Drehmomentwerte
mittels einer Anzeige dem Anwender dargestellt werden.
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Als
nachteilig hat sich dort die Einteiligkeit des Drehmomentschlüssels herausgestellt,
da bei der bestimmungsgemäßen Verwendung
der Anwender häufig
die Anzeige des Drehmomentschlüssels nicht
oder nur sehr schwierig ablesen kann. Gerade bei Arbeiten an Schrauben
oder Muttern auf Gesichtshöhe
des Anwenders kann dieser nicht oder nur sehr schwer erkennen, ob
und wann das vorbestimmte Drehmoment erreicht ist. Denn die Anzeige auf
dem Drehmomentschlüssel,
welche dem Anwender mittels Leuchtdioden, LCD-Anzeigen oder anderen
bekannten Anzeige-Elementen den aktuellen und/oder maximalen Drehmomentwert
darstellt, ist nur in der durch die Schraube und den Arm des Drehmomentschlüssels definierten
Ebene leicht zu erkennen. Dieses ist aber bei vielen Arbeiten nicht
gewährleistet,
so dass die Gefahr eines Überschreitens
des maximalen Drehmomentes hoch ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehmomentschlüssel der
im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art so zu gestalten, dass der
Anwender die Anzeige auch in verschiedenen Arbeitspositionen ablesen
kann. Dies wird erfindungsgemäß durch
die im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen erreicht, denen folgende
besondere Bedeutung zukommt.
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Das
stabartige Gehäuse
des erfindungsgemäßen Drehmomentschlüssels ist
zweiteilig aufgebaut. Zum einem besteht es aus einem Gehäuseabschnitt,
welcher sich longitudinal aus dem Handgriff heraus erstreckt und
die Auswertevorrichtung sowie die Anzeige aufnimmt. Dieser Abschnitt
lagert einen weiteren hohlzylindrischen Abschnitt zumindest bereichsweise.
Ein Haltemittel verhindert das axiale Bewegen beider Abschnitte
gegeneinander, lässt
aber radiale Bewegungen zu. Dadurch kann der Anwender den Drehmomentschlüssel in
einer beliebigen Lage benutzen und hat immer die Möglichkeit
einen Abschnitt des Schlüssels
so zu drehen, dass die Anzeige optimal ablesbar ist.
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Das
Drehmoment, welches z.B. auf eine anzuziehende Schraube wirkt, lässt sich
mittels Dehnungsmessstreifen bestimmen. Im erfindungsgemäßen Drehmomentschlüssel finden
vier Dehnungsmessstreifen in zwei Vollbrücken Verwendung. Bei dieser
Anordnung ergibt sich eine effektive Kompensation von Temperatureinflüssen und
sonstigen Störgrößen. Eine
weitere Verbesserung ist noch durch den parallelen Betrieb durch
mehrere Vollbrücken möglich. Die
Dehnungsmessstreifen werden auf einem Biegestab angeordnet, der
in den vorderen Gehäuseabschnitt
des Drehmomentschlüssels
integriert und mit der Werkzeugaufnahme einstückig verbunden ist. Durch das
vom Anwender aufgebrachte Drehmoment verformt sich der Biegestab
sowie die darauf platzierten Dehnungsmessstreifen. Diese sind dabei
in einem definierten Abstand zu der Drehachse des Drehmomentschlüssels angeordnet,
so dass die Drehachse als virtueller Festpunkt dient.
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Um
den absoluten Betrag jenes Winkels zu bestimmen um den z.B. die
Schraube gedreht wurde, ist in das Gehäuse des erfindungsgemäßen Drehmomentschlüssels ein
Gyroskop integriert, welches die rotatorischen Bewegungen gegenüber dem
Inertialraum erfasst. Dabei kann es sich sowohl um einen mechanischen,
optischen oder piezoelektrischen Kreisel handeln. Bei piezoelektrischen
Gyroskopen wird ein Kristall zu Schwingungen in einer Ebene angeregt.
Sobald der Kristall um eine definierte Messachse gedreht wird, induziert
der Coriolis-Effekt ein Moment senkrecht zur angeregten Schwingung.
Bei entsprechender Kristall-Geometrie führt dies zu einer messbaren
Schwingung, deren Amplitude ein Maß für die Drehrate ist.
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Um
den Drehmomentschlüssel
für den
Gebrauch handlicher zu gestalten, kann die Oberfläche des
Handgriffes mit einer longitudinalen, sich umlaufend erstreckenden
Wellenstruktur versehen sein. Die Wellenstruktur ist so ausgeformt,
dass die Finger der Hand des Anwenders jeweils in den Bereichen des
Griffes zum liegen kommen, deren Durchmesser etwas geringer ist.
Dadurch kann der Anwender sicherer auch höhere Drehmomente mit den Schlüssel erreichen.
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Zusätzlich kann
der vordere Abschnitt des erfindungsgemäßen Schlüssels aus einem Verbundwerkstoff
wie etwa Kohlefaser aufgebaut sein. Dieser führt zu einer Reduzierung des
Gewichtes gegenüber
herkömmlichen
Materialien. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus dem nur sehr geringen
Ausdehnungskoeffizienten von Kohlefaser. Denn so führen Temperaturschwankungen
des Drehmomentschlüssels
nur zu sehr kleinen Änderungen
im Abstand des Drehwinkelsensors zur Steckaufnahme.
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Um
die Qualitätskontrolle
der zu messenden Schraubbefestigungen auch bei großen Serien
oder im laufenden Betrieb zu sichern, kann der Drehmomentschlüssel mit
einer Schnittstelle zur Datenübertragung
zu einem Datenspeicher wie etwa einem PC oder einem PDA ausgerüstet sein.
Dabei bieten sich einerseits optische Übertragungssysteme, die mittels Infrarotstrahlung
(z.B. IrDA) arbeiten oder funkbasierte Systeme (z.B. Bluetooth)
an, da beide als preiswerte und handelsübliche Komplettsysteme angeboten
werden. Andererseits ist auch der Einbau einer bekannten Schnittstelle
wie etwa RS232 oder USB möglich,
bei welchen die Daten über
ein Kabel übertragen
werden können.
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Weitere
Maßnahmen
und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden
Beschreibung und den Zeichnungen. In den Zeichnungen ist die Erfindung
in einem Ausführungsbeispiel
dargestellt, welches allerdings nur beispielhaft und prinzipiell
den Drehmomentschlüssel
darstellt. Es zeigen:
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1 in der Draufsicht den
erfindungsgemäßen Drehmomentschlüssel,
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2 einen Längsschnitt
durch Teile des Drehmomentschlüssels,
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3 einen Querschnitt durch
den Drehmomentschlüssel
entlang der Schnittlinie III–III
von 2 und
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4 eine Ausschnittsvergrößerung von 3.
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In 1 ist der erfindungsgemäße Drehmomentschlüssel 10 dargestellt.
Dieser besteht im wesentlichen aus zwei Bestandteilen, nämlich einem Gehäuse 12 und
einem Hohlkörper 11,
wobei letzterer zumindest bereichsweise in ersteres hineinragt.
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Der
Gehäuseabschnitt 12 des
stabförmigen Drehmomentschlüssels 10 weist
dabei an seinem Ende einen Handgriff 13 auf, dessen Berührfläche ein
longitudinales Wellenprofil 14 besitzt. Der so gestaltete
Handgriff 13 ermöglicht
es dem Anwender mit höherer
Präzision
ein definiertes Drehmoment aufzubringen. Am entgegengesetzten Ende
des Drehmomentschlüssel 10 schließt sich
an den Hohlkörper 11 eine
bekannte Steckaufnahme 16 an, die mit einem Biegestab 21 verbunden
ist, der in dem Hohlkörper
gelagert ist. Auf dieser Steckaufnahme 16 kann mittels
eines Arretierstiftes 17 ein Aufsteckwerkzeug 18 fixiert
werden. Die marktüblichen
Aufsteckwerkzeuge ermöglichen
ein Anziehen oder Lösen
einer Schraube, einer Mutter od. dgl. um eine Drehachse 15.
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Wie 2 verdeutlicht, ist das
stabförmig ausgebildete
Gehäuse
des Drehmomentschlüssels 10 zweigeteilt.
Der hohlzylindrisch ausgeformte Abschnitt 11 ist zumindest
bereichsweise in den Gehäuseabschnitt 12 eingebracht.
Letzterer Abschnitt 12 besitzt einen bereichsweisen rechteckigen
Querschnitt, in welchen die elektronische Auswertevorrichtung 30 eingebracht
ist. Der Hohlkörper 11 kann aus
leichten Verbundwerkstoffen, wie z.B. Kohlefaser, hergestellt werden,
um das Gesamtgewicht des Schlüssels 10 zu
reduzieren.
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Beide
Abschnitte 11 und 12 des Drehmomentschlüssels 10 sind
zumindest bereichsweise radial gegeneinander drehbar. Dadurch kann
der Abschnitt 12 des Drehmomentschlüssels 10 mit dem Graphikdisplay 31 der
Auswertevorrichtung 30 leicht so gedreht werden, dass der
Anwender jederzeit und in jeder Position relativ zum Werkstück die Anzeige ablesen
kann. Damit ist eine einfache Überwachung des
erreichten bzw. noch einzustellenden Drehmoments/Drehwinkels gewährleistet.
Um ein axiales Verschieben beider Abschnitte gegeneinander zu verhindern,
ist ein Haltemittel 40 in den Drehmomentschlüssel 10 integriert.
Seine Position im Inneren des Hohlzylinders 11 ist aus 2 erkenntlich.
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Die
im Inneren des Drehmomentschlüssels 10 liegenden
Kabel, die die Dehnungsmessstreifen 22 und den Gyroskopen 20 mit
der Auswertevorrichtung 30 verbinden, sind lang genug,
um ein verdrehen der Gehäuseabschnitte
gegeneinander nicht durch die Kabellänge zu begrenzen.
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Um
das auf z.B. eine Schraube einwirkende Drehmoment M 23 zu
bestimmen, weist der erfindungsgemäße Drehmomentschlüssel 10 Dehnungsmessstreifen 22 auf.
Wie 2 verdeutlicht,
sind die Dehnungsmessstreifen 22 in Form einer Vollbrücke auf
einen Biegestab 21 aufgebracht. Durch die Verwendung von
vier Dehnungsmessstreifen 22 zum Nachweis des aufgebrachten
Drehmoments M 23, ergibt sich eine bestmögliche Kompensation
von Temperatureinflüssen
und sonstigen Störgrößen. Eine
weitere Verbesserung ist noch durch den parallelen Betrieb zweier
oder mehrerer Vollbrücken
möglich.
Der Biegestab 21 ist einstückig mit der Steckaufnahme 16 verbunden.
Somit ist eine in Biegerichtung formschlüssige Verbindung des Biegestabes
mit dem zu vermessenden Werkstück
gewährleistet.
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Der
Biegestab 21 ist in den Hohlkörper 11 des erfindungsgemäßen Drehmomentschlüssels 10 integriert,
wie auch die Vorrichtung zur Bestimmung des Drehwinkels 20.
Dabei handelt es sich um ein piezoelektrisches Gyroskop, welches
den Drehwinkel α 25 bestimmt,
der beim Anziehen z.B. einer Schraube überfahren wird. Möglich wäre auch
die Verwendung eines mechanischen oder optischen Gyroskops zum Nachweis
des Drehwinkels.
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Die
Messwerte des Drehwinkelsensors 20 und der Drehmomentsensoren 22 werden
in einer elektronischen Auswertevorrichtung 30 verarbeitet, die
in dem Gehäuseabschnitt 12 des
Drehmomentschlüssels 10 integriert
ist. Bestandteil dieser elektronischen Auswertevorrichtung 30 ist
ein Mikroprozessor 32. Dieser berechnet nach bekannten
Verfahren das Drehmoment M 23 aus den Messwerten der Messvorrichtungen.
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Des
Weiteren ist an die Auswertevorrichtung 30 ein Tastenfeld 33 gekoppelt,
mit dem der Anwender insbesondere Start-, Soll und/oder Grenzwerte sowohl
für das
Drehmoment M 23 als auch für den Drehwinkel α 25 einprogrammieren
kann. Mittels eines Grafikdisplays 31 können diese Werte, wie auch weitere
Informationen, etwa momentane Drehmomente bzw. Drehwinkel oder andere
Observablen der Auswertevorrichtung, dargestellt werden. Das Erreichen
bzw. Überschreiten
von Soll- und/oder Grenzwerten lässt
sich durch verschiedenfarbige, handelsübliche LED-Anzeigen 34,
darstellen. Möglich
ist auch ein akustischer Signalgeber, wie ein Summer oder eine Hupe,
der den Anwender auf das Erreichen bestimmter Werte hinweist. Der
erfindungsgemäße Drehmomentschlüssel 10 besitzt
ebenfalls eine Vibrationsvorrichtung 36, welche als sensorische
Anzeige für
den Anwender dient.
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Das
beispielhafte Anziehen einer Verschraubung mit dem erfindungsgemäßen Drehmomentschlüssel 10 teilt
sich in mehrere Schritte auf. Bei Inbetriebnahme des Drehmomentschlüssels kann
dieser gegebenenfalls einen Selbsttest und einen Nullabgleich automatisch
durchführen,
woran sich nötigenfalls
eine Kalibrierung des Schlüssels
anschließt. Über das
Tastenfeld 33 der Auswertevorrichtung 30 ist es
dem Anwender möglich,
Start-, Soll- und/oder Grenzwerte für den Drehwinkel und das Drehmoment
in den Mikroprozessor 32 einzuspeichern. So kann direkt
das maximal zu erreichende Drehmoment M 23 in den Drehmomentschlüssel 10 programmiert
werden und damit die beispielhaft zu vermessenden Schraubbefestigungen
fixiert werden. Weiterhin kann der Anwender aber auch einen definierten
Drehwinkel β 26 als
Startwinkel und/oder ein definiertes Drehmoment Mβ 24 als
Startdrehmoment in den Schlüssel
eingeben. Dieses muss zuerst beim Anziehen der Schraube überwunden
werden, so dass einheitliche Ausgangsbedingungen für alle zu vermessenden
Schraubbefestigungen gegeben sind. Nach dem Überschreiten des Startdrehmomentes
Mβ 24 schließt sich
das Anziehen der Schrauben bis zum angenommenen Grenzdrehmoment
M 23 an. Dabei ist es möglich,
simultan das Drehmoment M 23 und den Drehwinkel α 25 durch
die unabhängigen
Vorrichtungen zur Messung des Drehmomentes 22 und des Drehwinkels 20 zu
detektieren. So kann zum einen eine drehwinkelüberwachte Drehmomentmessung
und zum anderen eine drehmomentüberwachte Drehwinkelmessung
durchgeführt
werden. Es versteht sich, dass das Startdrehmoment Mβ 24 auch gleich
Null gesetzt werden kann, so dass die Messung des eigentlichen Drehmomentes
M 23 bzw. Drehwinkels α 25 direkt
beginnt.
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Zum
Transferieren der Daten aus der Auswertevorrichtung 30,
beispielsweise auf einen Computer oder einen PDA kann der Drehmomentschlüssel 10 eine
Schnittstelle 35 besitzen. Insbesondere kann es sich dabei
um eine Funkschnittstelle (z.B. Bluetooth) oder um eine Infrarotschnittstelle
(z.B. IrDA) handeln, welche mittels elektromagnetischer Wellen die
Informationen übertragen.
Denkbar ist auch der Einbau einer bekannten Schnittstelle, wie etwa
RS 232 oder USB, bei welchen die Daten über ein Kabel übertragen
werden können.
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In 3 ist ein Querschnitt durch
den erfindungsgemäßen Drehmomentschlüssel 10 längs der Schnittlinie
III–III
aus 2 im Bereich des
Haltemittels 40 zu erkennen. Das Haltemittel besteht hier
beispielhaft aus einer Nut 44, welche in den Hohlkörper 11 eingebracht
ist und in die ein Führungsbolzen 43 eingreift.
Somit ist es möglich
den Hohlkörper 11 radial
in dem durch die Nut vorgegebenen Bereich zu schwenken. Der Führungsbolzen 43 verhindert
dabei ein axiales Verschieben der beiden Abschnitte 11 und 12 des
erfindungsgemäßen Drehmomentschlüssels 10 gegeneinander.
Der von der Nut 44 vorgegebene Winkelbereich, um den sich
einer der Gehäuseabschnitte
drehen lässt,
kann ±60
Grad betragen. Möglich
wären aber auch
andere Winkelbereiche, je nach Verwendungszweck des Drehmomentschlüssels.
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Um
eine Nullebene zu definieren, in der das Aufsteckwerkzeug und die
Anzeigeelemente in einer Ebene liegen, kann in das Haltemittel 40 ein
Rastmittel integriert sein. Dessen möglichen Aufbau verdeutlicht 4, eine Ausschnittsvergrößerung von 3. So ist in den Hohlkörper 11 des
Drehmomentschlüssels 10 eine
Kerbe 41 eingelassen, in die eine Haltekugel 42 durch
eine Feder 45 eingedrückt
wird. Möchte
der Anwender den Hohlkörper 11 gegen
den Gehäuseabschnitt 12 aus
der Nulllage heraus verdrehen, so muss er erst eine definierte Kraft
aufbringen, mit welcher die Kugel 42 gegen die Kraft der
Feder 45 aus der Nut 41 herausgehoben wird.
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- 10
- Drehmomentschlüssel
- 11
- Hohlkörper von 10
- 12
- Gehäuseabschnitt
von 10
- 13
- Handgriff
- 14
- Wellenprofil
von 13
- 15
- Drehachse
- 16
- Steckaufnahme
- 17
- Arretierstift
- 18
- Aufsteckwerkzeug
- 20
- Gyroskop
- 21
- Biegestab
- 22
- Dehnungsmessstreifen
- 23
- Drehmoment
M
- 24
- Drehmoment
Mβ
- 25
- Drehwinkel α
- 26
- Drehwinkel β
- 30
- Auswertevorrichtung
- 31
- Graphikdisplay
- 32
- Mikroprozessor
- 33
- Tastenfeld
- 34
- LED-Anzeige
- 35
- Schnittstelle
- 36
- Vibrationsvorrichtung
- 40
- Haltemittel
- 41
- Einkerbung
in 11
- 42
- Haltekugel
- 43
- Führungsbolzen
- 44
- Nut
in 11
- 45
- Feder