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Diese
Erfindung betrifft einen Schraubenschlüssel mit Drehmomentanzeige,
insbesondere einen elektrischen Schraubenschlüssel mit Drehmomentanzeige
und einer auswechselbaren Dehnungsmesseinheit, die am Schraubenschlüsselkörper angebracht
ist, um ein auf ein Werkstück
aufgebrachtes Drehmoment mit einem hohen Grad an Genauigkeit zu
messen.
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In
den US-Patenten Nr. 3 970 155, 4 006 629, 4 522 075, 4 669 319 und
4 976 133 sind elektrische Schraubenschlüssel mit Drehmomentanzeige offenbart,
die zum Messen eines Drehmoments allgemein Dehnungsmesser aufweisen,
welche an einem Hebelarm in der Nähe eines Kopfs befestigt sind.
Der Kopf eignet sich dazu, an einem Werkstück anzugreifen und es durch
Aufbringen einer Kraft auf den Hebelarm in Drehung zu versetzen.
Die Dehnungsmesser erfassen elastische Verformungen und Änderungen
von elektrischen Widerständen,
wandeln die Anderungen in ein elektrisches Signal um und bestimmen
in Zusammenwirken mit einer Verarbeitungsschaltung, die eine Wheatstone-Brücke, einen
Verstärker,
Datenspeicher, Mikroprozessor, eine Ausgabeeinheit etc. umfasst,
einen Wert des Drehmoments, mit dem das Werkstück beaufschlagt wird. Die Spannung
(ε) hängt mit
einem Biegemoment (M) über
folgende Beziehung zusammen:
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Wenn
ein Gegenstand mit einem Elastizitätsmodul (E) und einem Trägheitsmoment
(Anm. des Übers.:
Flächenträgheitsmoment)
(I) bezüglich
einer neutralen Achse einem Biegemoment (M) unterworfen wird, ist
die Spannung (ε)
direkt proportional zu einer zwischen dem Messpunkt und der neutralen Achse
liegenden Strecke. Bei den zuvor erwähnten Schraubenschlüsseln aus
dem Stand der Technik sind die Dehnungsmesser an einer Seitenfläche des Hebelarms
mit Abstand von der neutralen Achse befestigt, um einen höheren Spannungswert
zu erzeugen, mithilfe dessen die Verarbeitungsschaltung das Drehmoment
genau berechnen kann. Jedoch muss ein relativ großer Bereich
der Seitenfläche
des Hebelarms, an der die Dehnungsmesser befestigt sind, mit hoher
Genauigkeit bearbeitet werden, um die Befestigung der Dehnungsmesser
zu erleichtern, wodurch sich höhere
Herstellungskosten ergeben. Darüber
hinaus können
herkömmliche
Dehnungsmesser für
den Fall, dass sie gebrochen oder beschädigt sind, nicht ersetzt werden.
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Ein
anderer, im taiwanesischen Gebrauchsmuster Nr. 485872 offenbarter,
elektrischer Schraubenschlüssel
mit Drehmomentanzeige umfasst einen Schraubenschlüsselkörper mit
einem Kopf und einem sich davon weg erstreckenden Griffteil. Das Griffteil
und der Kopf haben eine erste bzw. zweite Aufnahmevertiefung zur
Aufnahme einer Spannungserfassungseinheit und einer Anzeigeeinheit. Die
Spannungserfassungseinheit weist ein Substrat mit einem Profil auf,
das dem der ersten Aufnahmevertiefung gleicht. Das Substrat hat
eine Aussparung zur Aufnahme eines Dehnungsmessers. Wenn das Griffteil
mit einer ein Drehmoment erzeugenden Kraft beaufschlagt wird, führt die
Dehnungsverformung des Dehnungsmessers zu einer Änderung des elektrischen Widerstands,
die erfasst und in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Die
Spannungserfassungseinheit kann ersetzt werden, wenn der Dehnungsmesser
gebrochen ist. Da aber das Profil des Substrats dasselbe sein muss
wie das der ersten Aufnahmevertiefung, befindet sich der Dehnungsmesser
in unmittelbarer Nähe
der neutralen Achse, wodurch der Abstand verkleinert ist. Deshalb
ist die im Dehnungsmesser herrschende mechanische Spannung relativ
klein, so dass die Änderung
des elektrischen Widerstands zu klein ist, als dass eine genaue
Messung des Drehmoments möglich
wäre. Außerdem werden,
obwohl ein der Widerstandsänderung
entsprechender Signalausgang durch Verstärker verstärkt werden kann, die Fehler
im Signal dabei mitverstärkt,
so dass man keinen genauen Wert für das Drehmoment erhalten kann.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Schraubenschlüssel mit
Drehmomentanzeige bereitzustellen, der über eine auswechselbare, an
einem Schraubenschlüsselkörper angebrachte
Dehnungsmesseinheit verfügt,
um ein auf ein Werkstück
aufgebrachtes Drehmoment mit einem hohen Grad an Genauigkeit zu
messen.
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Gemäß dieser
Erfindung umfasst der Schraubenschlüssel mit Drehmomentanzeige
einen Schraubenschlüsselkörper mit
einem Kopf der dazu ausgelegt ist, ein Werkstück um eine Drehachse zu drehen,
und einen Schaft, der sich vom Kopf in einer Längsrichtung erstreckt, um an
einem Kopplungsende zu enden, und aus einem Material besteht, welches
einen ersten Elastizitätsmodul
hat. Der Schaft hat eine innere Umfangswand, die zwei längs verlaufende
Wandsegmente umfasst, und ein vorderes sowie ein hinteres, quer
verlaufendes Wandsegment, um eine Aufnahmevertiefung zu bilden.
Jedes der längs
verlaufenden Wandsegmente umfasst einen vorderen und einen hinteren
Bereich sowie einen mittleren Bereich, der zwischen diesen liegt.
Ein Griffteil ist so angeordnet, dass es mit dem Kopplungsende verbunden
ist und kann so betätigt
werden, dass es den Kopf in Drehung versetzt. Ein Lastaufnahmekörper, der
aus einem Material mit einem zweiten Elastizitätsmodul besteht, der kleiner
ist als der erste Elastizitätsmodul,
hat eine äußere Umfangswand, die
in die Aufnahmevertiefung eingesetzt werden kann, um den Lastaufnahmekörper in
eine Gebrauchsstellung zu bringen, wo er im Ansprechen auf eine
Drehbewegung des Griffteils um die Drehachse einer Dehnung in der
Längsrichtung
unterworfen wird. Die äußere Umfangswand
umfasst ein Paar vordere Biegekraftübertragungsbereiche und ein Paar
hintere Biegekraftübertragungsbereiche.
Jeder vordere Biegekraftübertragungsbereich
und jeder hintere Biegekraftübertragungsbereich
werden in der Gebrauchsstellung jeweils in Eingriff mit dem entsprechenden
vorderen Bereich bzw. dem entsprechenden hinteren Bereich gebracht
und können
sich relativ zu diesen dehnen. Die äußere Umfangswand umfasst darüber hinaus
ein Paar Dehnungsmesser-Haltebereiche, die zwischen den jeweiligen
vorderen und hinteren Biegekraftübertragungsbereichen liegen,
und einen vorderen und einen hinteren Endbereich, die in der Gebrauchsstellung
von dem vorderen bzw. hinteren, quer verlaufenden Wandsegment beabstandet
sind, um eine Dehnungsbewegung des Lastaufnahmekörpers aufzunehmen. Eine Dehnungsmesseinheit
ist an wenigstens einem der den Dehnungsmesser-Haltebereiche befestigt
und liegt dem mittleren Bereich des entsprechenden längs verlaufenden
Wandsegments gegenüber,
um eine Änderung
von Widerstandswerten zu erfassen, die vom Ausmaß der Dehnungsverformung des
Lastaufnahmekörpers
infolge eines Aufbringens eines Drehmoments durch den Kopf, wenn
dieser das Werkstück
um die Drehachse dreht, abhängt,
und um die Änderung
der Widerstandswerte in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Eine
Verarbeitungsschaltung ist elektrisch an die Dehnungsmesseinheit angeschlossen
und berechnet einen Wert des auf das Werkstück aufgebrachten Drehmoments
gemäß dem von
der Dehnungsmesseinheit stammenden elektrischen Signal, um ein Ausgangssignal
zu erzeugen. Eine Anzeigeeinheit ist elektrisch an die Verarbeitungsschaltung
angeschlossen, um das Ausgangssignal aus der Verarbeitungsschaltung
zu empfangen und es in eine optische Darstellung umzuwandeln.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus
der nun folgenden ausführlichen
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen.
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1 ist
eine auseinander gezogene, perspektivische Ansicht der ersten bevorzugten
Ausführungsform
eines gemäß dieser
Erfindung gestalteten Schraubenschlüssels mit Drehmomentanzeige;
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2 ist
eine auseinander gezogene, perspektivische Ansicht der ersten bevorzugten
Ausführungsform
eines Schraubenschlüsselkörpers und
einer Spannungserfassungseinheit;
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3 ist
eine perspektivische Ansicht der ersten bevorzugten Ausführungsform;
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4 ist
eine Schnittansicht der ersten bevorzugten Ausführungsform;
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5 ist
eine abgebrochene Teilschnittansicht der ersten bevorzugten Ausführungsform;
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6 ist
eine Schnittansicht der ersten bevorzugten Ausführungsform, aus einem anderen Winkel
heraus gesehen;
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7 ist
eine auseinander gezogene, perspektivische Ansicht der zweiten Ausführungsform
eines gemäß dieser
Erfindung gestalteten Schraubenschlüssels mit Drehmomentanzeige;
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8 ist
eine auseinander gezogene, perspektivische Ansicht der zweiten bevorzugten
Ausführungsform
eines Schraubenschlüsselkörpers und
einer Spannungserfassungseinheit;
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9 ist
eine abgebrochene Teilschnittansicht der zweiten bevorzugten Ausführungsform;
und
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10 ist
eine Schnittansicht der zweiten bevorzugten Ausführungsform. Bevor die vorliegende
Erfindung in näherer
Einzelheit beschrieben wird, wäre
festzuhalten, dass über
die gesamte Beschreibung hinweg zur Bezeichnung von gleichen Elementen
identische Bezugszahlen verwendet werden.
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Mit
Bezug auf 1 bis 4 ist die
erste bevorzugte Ausführungsform
eines gemäß der vorliegenden
Erfindung gestalteten Schraubenschlüssels mit Drehmomentanzeige
gezeigt, der einen Schraubenschlüsselkörper 10,
ein Griffteil 50, eine Spannungserfassungseinheit 20,
eine Verarbeitungsschaltung 30 und eine Anzeigeeinheit 40 aufweist.
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Der
Schraubenschlüsselkörper 10 hat
einen Kopf 11, der dazu ausgelegt ist, an einem Werkstück (nicht
gezeigt) anzugreifen und es um eine Drehachse zu drehen, und einen
Schaft 12, der sich vom Kopf 11 in einer Längsrichtung
radial zur Drehachse erstreckt und an einem Kopplungsende 121 endet.
Der Schaft 12 besteht aus einem einen ersten Elastizitätsmodul
(E1) aufweisenden Material wie z.B. Stahl mit einem E1 von 190 GPa
und hat eine innere Umfangswand 123, um eine Aufnahmevertiefung 124 zu bilden.
Mit weiterem Bezug auf 5 umfasst die innere Umfangswand 123 zwei
längs verlaufende Wandsegmente 1233, 1234,
die bezüglich
einer Neutrallinie (X) in der Längsrichtung
einander gegenüberliegend
angeordnet sind, und ein vorderes sowie ein hinteres, quer verlaufendes
Wandsegment 1231, 1232, die voneinander in der
Längsrichtung
beabstandet sind und mit den längs
verlaufenden Wandsegmenten 1233, 1234 zusammenwirken,
um die Aufnahmevertiefung 124 zu bilden. Darüber hinaus umfasst
jedes der längs
verlaufenden Wandsegmente 1233, 1234 einen vorderen
und einen hinteren Bereich 1235, 1236, die in
der Nähe
des vorderen bzw. hinteren, quer verlaufenden Wandsegments 1231, 1232 angeordnet
sind, und einen mittleren Bereich 1237, der zwischen diesen
liegt. Das Kopplungsende 121 bildet eine Leitungsaufnahmebohrung 122,
die sich so erstreckt, dass sie mit der Aufnahmevertiefung 124 in
Verbindung steht, wie in 6 gezeigt ist.
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Das
Griffteil 50 ist rohrförmig
und hat einen vorderen Abschnitt 51, der eine nach vorne
offene Ausnehmung bildet, die sich in der Längsrichtung erstreckt und zum
Einsetzen des Schafts 12 in der Längsrichtung ausgeführt ist,
um zur Drehung des Kopfs 11 um die Drehachse betätigt werden
zu können,
und einen hinteren Abschnitt 52, der zum vorderen Abschnitt 51 entgegengesetzt
angeordnet ist und eine Anzeigeöffnung 53 hat.
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Die
Spannungserfassungseinheit 20 ist abnehmbar in der Aufnahmevertiefung 124 angebracht und
umfasst einen Lastaufnahmekörper 21 und
eine Dehnungsmesseinheit 22.
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Der
Lastaufnahmekörper 21 besteht
aus einem Material mit einem zweiten Elastizitätsmodul (E2), der kleiner ist
als der erste Elastizitätsmodul (E1),
wie z.B. aus einer Aluminiumlegierung mit einem E2 von 70 GPa, und
hat eine äußere Umfangswand,
die so ausgeführt
ist, dass sie in die Aufnahmevertiefung 124 eingesetzt
werden kann, um den Lastaufnahmekörper 21 in eine Gebrauchsstellung zu
bringen, wo er im Ansprechen auf eine Drehbewegung des Griffteils 50 um
die Drehachse einer Dehnung in der Längsrichtung unterworfen wird.
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Wie
in 5 gezeigt ist, umfasst die äußere Umfangswand des Lastaufnahmekörpers 21 ein Paar
vordere Biegekraftübertragungsbereiche 211, die
bezüglich
der Neutrallinie (X) zueinander entgegengesetzt angeordnet sind,
und ein Paar hintere Biegekraftübertragungsbereiche 212,
die bezüglich der
Neutrallinie (X) zueinander entgegengesetzt angeordnet sind. Jeder
der hinteren Biegekraftübertragungsbereiche 212 ist
zum jeweiligen vorderen Biegekraftübertragungsbereich 211 in
Längsrichtung
gesehen entgegengesetzt angeordnet. Die vorderen Biegekraftübertragungsbereiche 211 und
hinteren Biegekraftübertragungsbereiche 212 werden
in der Gebrauchsstellung jeweils in Eingriff mit dem entsprechenden
vorderen Bereich 1235 und dem entsprechenden hinteren Bereich 1236 gebracht
und können
sich relativ zu diesen dehnen. Die äußere Umfangswand umfasst darüber hinaus
ein Paar Dehnungsmesser-Haltebereiche 213, die bezüglich der Neutrallinie
(X) zueinander entgegengesetzt angeordnet sind und jeweils zwischen
dem jeweiligen vorderen Biegekraftübertragungsbereich 211 und
dem jeweiligen hinteren Biegekraftübertragungsbereich 212 angeordnet
sind, und einen vorderen und einen hinteren Endbereich 215, 216,
die in Längsrichtung gesehen
zueinander entgegengesetzt angeordnet und so ausgeführt sind,
dass sie in der Gebrauchsstellung von dem vorderen bzw. hinteren,
quer verlaufenden Wandsegment 1231, 1232 durch
Zwischenräume 23 beabstandet
sind, um eine Dehnungsbewegung des Lastaufnahmekörpers 21 aufzunehmen.
Die Dehnungsmesser-Haltebereiche 213 bilden jeweils eine
Leitungsführungsbohrung 214,
die sich so erstreckt, dass sie mit der Leitungsaufnahmebohrung 122 im
Schaft 12 in Verbindung stehen, und sind in der Gebrauchsstellung
vom mittleren Bereich 1237 des entsprechenden längs verlaufenden
Wandsegments 1233, 1234 durch einen Zwischenraum 24 beabstandet.
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Die
Dehnungsmesseinheit 22 umfasst zwei Paare der Dehnungsmesser 221,
die jeweils an den Dehnungsmesser-Haltebereichen 213 befestigt
sind. Die Dehnungsmesser 221 jedes Paars sind in der Längsrichtung
voneinander beabstandet liegen dem mittleren Bereich 1237 des
entsprechenden längs verlaufenden
Wandsegments 1233, 1234 gegenüber und sind von diesem durch
einen Zwischenraum 25 beabstandet, um eine Verformungsbewegung
des Lastaufnahmekörpers 21 aufzunehmen,
die entlang einer zur Längsrichtung
und Drehachse quer liegenden Richtung stattfindet und infolge der
Dehnungsverformung des Lastaufnahmekörpers 21 zustande kommt.
Jeder der Dehnungsmesser 221 erfasst eine Änderung
von Widerstandswerten, die vom Ausmaß der Dehnungsverformung des
Lastaufnahmekörpers 21 infolge
eines Aufbringens eines Drehmoments durch den Kopf 11,
wenn dieser das Werkstück
um die Drehachse dreht, abhängt,
und wandelt die Änderung
der Widerstandswerte in ein elektrisches Signal um.
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Die
Verarbeitungsschaltung 30 ist am Schaft 12 angebracht
und über
Leitungsdrähte 60 elektrisch an
die Dehnungsmesser 221 angeschlossen, welche Leitungsdrähte sich
durch die Leitungsführungsbohrungen 214 und
die Leitungsaufnahmebohrung 122 erstrecken. Die Verarbeitungsschaltung 30 berechnet
einen Wert des auf das Werkstück
aufgebrachten Drehmoments gemäß dem von
der Dehnungsmesseinheit 22 erhaltenen elektrischen Signals,
um ein Ausgangssignal zu erzeugen.
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Die
Anzeigeeinheit 40 ist im hinteren Abschnitt 52 des
Griffteils 50 aufgenommen und elektrisch an die Verarbeitungsschaltung 30 angeschlossen,
um das Ausgangssignal aus der Verarbeitungsschaltung 30 zu
empfangen und es in eine optische Darstellung umzuwandeln, die durch
die Anzeigeöffnung 53 betrachtet
werden kann. Da die Verarbeitungsschaltung 30 und Anzeigeeinheit 40 im
Stand der Technik bekannt sind, unterbleibt der Kürze halber
eine ausführliche
Beschreibung hiervon.
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Mit
Bezug auf 4 und 5 wird,
wenn ein Drehmoment auf den Kopf 11 aufgebracht wird, um
ein Werkstück
um die Drehachse zu drehen, die das Drehmoment erzeugende Kraft
auf den Lastaufnahmekörper 21 übertragen,
und zwar aufgrund des Angreifens des vorderen und hinteren Bereichs 1235, 1236 an
den vorderen bzw. hinteren Biegekraftübertragungsbereichen 211, 212,
was zu einer Dehnungsverformung des Lastaufnahmekörpers 21 führt. Wegen
des Vorhandenseins der Zwischenräume 23, 24, 25 wird
die Verformungsbewegung des Lastaufnahmekörpers 21 von der inneren
Umfangswand 123 des Schafts 12 nicht behindert,
so dass eine genaue Messung des Drehmoments erhalten werden kann.
Außerdem
kann, da die Dehnungsmesser 221 am Lastaufnahmekörper 21 befestigt sind,
die Dehnungsmesseinheit 22 zum Ersetzen aus der Aufnahmevertiefung 124 herausgenommen
werden, falls die Dehnungsmesser 221 gebrochen sind. Zusätzlich ist
verglichen mit dem vorerwähnten
herkömmlichen
elektrischen Schraubenschlüssel
mit Drehmomentanzeige der Bearbeitungsprozess des belastbaren Körpers 21 leichter
und es kann dabei ein höherer
Grad an Genauigkeit erreicht werden, wodurch sich die Herstellungskosten
senken.
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Gemäß der zuvor
erwähnten
Beziehung zwischen der Spannung (ε)
und dem Biegemoment (M) ist die Strecke (y) von den Dehnungsmessern 221 zur
Neutrallinie (X) größer als
bei dem vorerwähnten herkömmlichen
Schraubenschlüssel,
weil die Dehnungsmesser 221 in dieser Ausführungsform
am Lastaufnahmekörper 21 befestigt
sind. Da der zweite Elastizitätsmodul
(E2) des Lastaufnahmekörpers 21 kleiner
ist als der erste Elastizitätsmodul
(E1) des Schafts 12, und der Lastaufnahmekörper 21 ein
Flächenträgheitsmoment
(I) hat, das kleiner als das des Griffteils 51 ist, ist
außerdem
die bei dieser Ausführungsform
in den Dehnungsmessern 221 erzeugte mechanische Spannung
(ε) größer als
bei dem zuvor erwähnten
herkömmlichen
Schraubenschlüssel,
wodurch sich eine beträchtliche Änderung
der Widerstandswerte zum Verarbeiten durch die Verarbeitungsschaltung 30 ergibt,
um so einen genauen Wert für
das Drehmoment zu erhalten.
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Wie
in 7 bis 10 gezeigt ist, entspricht die
zweite bevorzugte Ausführungsform
eines gemäß dieser
Erfindung gestalteten Schraubenschlüssels mit Drehmomentanzeige
in Aufbau, Funktion und Wirkungsweise der ersten bevorzugten Ausführungsform.
Jeder der Dehnungsmesser-Haltebereiche 213 hat einen ausgesparten
Abschnitt 2131, der zur Neutrallinie (X) hin ausgespart
ist und eine Aufnahmenut 2133 hat, die noch weiter zur
Neutrallinie (X) hin ausgespart ist. Die Dehnungsmesseinheit 22 umfasst
mehrere Dehnungsmesser, die in einem Chipsatz 222 integriert
sind, der in einer der Aufnahmenuten 2133 aufgenommen ist,
und ein Hüllsubstrat 223,
das am ausgesparten Abschnitt 2131 angebracht und vom mittleren
Bereich 1237 des entsprechenden längs verlaufenden Wandsegments 1233, 1234 beabstandet
ist. Das Hüllsubstrat 223 hat
eine Öffnung 2231,
die mit dem Chipsatz 222 fluchtend angeordnet ist, und
mehrere elektrische Kontakte 2232, die am Chipsatz 222 elektrisch
angeschlossen sind.