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Der
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Simulation von Schraubvorgängen für die Prüfung von Kraftschraubern
mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Eine
Vorrichtung dieser Art ist beispielsweise aus
DE 102 43 760 A1 bekannt.
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Bei
dieser bekannten Vorrichtung wird die Druckplatte, die eine auf
die Bremslamelle einwirkende Reibfläche trägt, durch ein hydraulisches
Stellglied gegen die rotierende Bremslamelle angedrückt, um
diese abzubremsen. Eine solche Konstruktion hat verschiedene Nachteile.
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Die
mittels des hydraulischen Stellglieds gegen die rotierende Bremslamelle
angedrückte
Druckplatte wird während
des Bremsvorgangs mit dem über
die Welle auf die Bremslamelle wirkenden Drehmoment belastet. Sie
muss deshalb in dem Gehäuse drehfest
abgestützt,
gleichwohl aber mittels Linearführung
in Achsrichtung verschiebbar geführt
sein. Da diese Führungen
durch das aufzunehmende Drehmoment Querkräften ausgesetzt sind, kann
es zu ruckartigen Bewegungen und Vibrationen beim Verschieben der
Druckplatte kommen. Auch im Bereich der abdichtenden Führung des
Kolbens und der Kolbenstange im Zylinder des hydraulischen Stellglieds
können
ruckartige Bewegungen (engl.: "stickslip") auftreten.
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Ferner
muss bei der Verwendung eines hydraulischen Stellglieds bei jedem
Bremshub die Masse des Kolbens des Stellglieds bewegt werden, was zur
einer erheblichen Trägheit
des Bremsbetätigungssystems
führt.
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Schließlich weisen
hydraulische Stellglieder mit Kolben und Zylinder aufgrund der Reibung
und der Verformung der Dichtung der Kolbenstange ein deutliches
Hystereseverhal ten auf, das zu einer Nichtlinearität der Bewegung
der Druckplatte und damit des zu steuernden Anstiegs oder Abfalls
des Bremsdrehmoments beiträgt.
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Diese
Nachteile, fallen besonders ins Gewicht, wenn es darum geht, schnelle
und kurzzeitig ablaufende Schraubvorgänge zu simulieren. Im Zuge der
immer weiter fortschreitenden Rationalisierung in der industriellen
Fertigung werden auch die Taktzeiten für die Montagevorgänge ständig verkürzt, so dass
auch für
das Festziehen von Schraubverbindungen nur eine sehr kurze Zeit
in einer Größenordnung
von 1 Sekunde oder weniger zur Verfügung steht. Zur Prüfung der
einwandfreien Funktion des Kraftschraubers auch bei solchen kurzzeitigen Schraubvorgängen muss
die Vorrichtung in der Lage sein, das den Schraubfall simulierende
progressive Abbremsen der Welle möglichst trägheits- und verzögerungsfrei
ohne Linearitätsabweichungen
zu realisieren.
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Aus
DE 102 43 761 A1 ist
ein Prüfstand
für Kraftschrauber
bekannt, bei dem die Druckplatte an einer in Achsrichtung beweglichen,
aber in Drehrichtung unbeweglichen und torsionssteifen Wand befestigt
ist und durch diese auch ohne Schiebeführungen verdrehsicher gehalten
wird. Die bewegliche Wand kann vorzugsweise als Faltenbalg ausgebildet
sein, in den Hydraulikflüssigkeit
eingeleitet wird kann, um die Druckplatte zu verschieben und gegen
die Bremsscheibe zu drücken.
Die vorstehend genannten Probleme hinsichtlich mit Querkräften beaufschlagter
Linearführungen
sowie der Trägheit
und des Hystereseverhaltens von Hydraulikzylindern werden dabei
vermieden. Die aufgezeigte Lösung
ist jedoch baulich sehr aufwendig und kostspielig, und an die Lebensdauer
des Faltenbalgs werden hohe Anforderungen gestellt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der angegebenen
Art so auszugestalten, dass mit einfachen und preisgünstigen
Mitteln eine rasche und trägheitsarme
Betätigung
der Bremse mit verbesserter Linearität des Bremsmoments und verringerter
Hysterese erzielt wird.
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Die
erfindungsgemäße Lösung der
Aufgabe ist im Anspruch 1 gegeben. Die Unteransprüche beziehen
sich auf weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Da
erfindungsgemäß die Druckplatte
nicht direkt auf die rotierende Bremslamelle oder Bremsscheibe einwirkt,
sondern auf eine dieser vorgelagerte, im Gehäuse drehfeste Statorlamelle,
wird auf die Druckplatte kein Drehmoment übertragen. Daher sind verdrehungsfeste
Linearführungen
für die Druckplatte
nicht erforderlich. Da das die Bremskraft erzeugende Druckmittel
auf eine flexible Membran einwirkt, sind Abdichtungen zwischen beweglichen Teilen,
wie bei der Kolbenstange eines Hydraulikzylinders, nicht erforderlich,
so dass sich keine Hystereseprobleme ergeben. Die Membran und der
mit der Druckplatte verbundene Stößel sind massearm, so dass
die Vorrichtung mit sehr geringer Trägheit auf den gesteuerten Anstieg
des Hydraulikdrucks reagieren kann.
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Vorzugsweise
ist der Stößel zwischen
Membran und Druckplatte angeordnet und überträgt die durch die Hydraulikflüssigkeit
bewirkte Auslenkung der Membran auf die Druckplatte. Gemäß einer
anderen Ausführungsform
ist die Membran direkt an der Druckplatte befestigt, und der Stößel dient
lediglich zur Führung
der Druckplatte. Bei beiden Ausführungsformen
kann eine auf den Stößel wirkende Rückholfeder
vorgesehen sein, die den Stößel, und damit
die Druckplatte und die Membran, in die Ausgangslage zurückführt, wenn
die Beaufschlagung der Membran mit Hydraulikflüssigkeit aufhört.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist die Bremseinheit als Lamellenbremse ausgebildet und
weist eine Anzahl von mit der Welle drehfest verbundenen Rotorlamellen
auf, zwischen denen sich mit dem Gehäuse drehfest verbundene ringförmige Statorlamellen
befinden, wobei das ganze Lamellenpaket aus miteinander abwechselnden
Rotor- und Statorlamellen besteht, die durch die auf die erste Statorlamelle
einwirkende Druckplatte zusammengedrückt werden können. Derartige
Lamellenbremsen sind bekannt und im Handel erhältlich. Ein Beispiel für eine Lamellenbremse
ist beispielsweise in
DE
44 04 372 C2 beschrieben.
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Ausführungsformen
der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
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1 einen
Längsschnitt
durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung
gemäß einer
ersten Ausführungsform,
wobei ein Steuergerät
für die
Steuerung der Bremskraft nur schematisch angedeutet ist.
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2 einen
Längsschnitt ähnlich 1 durch
eine abgeänderte
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Die
in 1 dargestellte Vorrichtung zur Simulation von
Schraubvorgängen
bzw. für
die Prüfung von
Kraftschraubern hat ein Gehäuse 1,
das aus einzelnen Gehäusenabschnitten
wie z. B. 1a, 1b zusammengefügt ist. In dem Gehäuse ist
eine Welle 3 drehbar gelagert. Diese trägt an ihrem einen Ende eine von
der oberen Stirnseite der Vorrichtung her zugängliche Aufnahme 5 für das form-
und/oder kraftschlüssige
Ankoppeln des Abtriebs eines Kraftschraubers. Beispielsweise kann
es sich bei der Aufnahme 5 um einen Innensechskant, Außensechskant oder
Vierkant handeln, mit dem der Kopf eines Kraftschraubers drehfest
gekoppelt werden kann. Der Welle 3 ist ein Sensor 7 mit
Auswerteelektronik 8 zur z. B. induktiven Erfassung des
an der Welle 3 wirksamen Drehmoments sowie ein Sensor 9 (Winkelgeber)
zur Erfassung des Drehwinkels der Welle 3 zugeordnet.
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An
dem von der Aufnahme 5 entfernten Ende der Welle 3 befindet
sich eine Bremseinheit 15, die als Lamellenbremse ausgebildet
ist. Sie weist eine für
das geforderte Bremsdrehmoment adäquate Anzahl, im vorliegenden
Fall drei, Rotorlamellen 11 auf, die jeweils die Form einer
Scheibe mit Mittelbohrung haben und auf der Welle 3 drehfest,
aber axial verschiebbar angeordnet sind. Zu diesem Zweck hat jede
Rotorlamelle 11 an ihrer Mittelbohrung eine Innenverzahnung
(nicht dargestellt), deren Zähne
in Nuten eines genuteten Abschnittes 3a der Welle 3 eingreifen.
Zwischen den Rotorlamellen 11 befinden sich ringförmige Statorlamellen 13,
die in einer zylindrischen Ausnehmung des Gehäuses 1 drehfest gelagert
sind. Zu diesem Zweck tragen die Statorlamellen 3 an ihrem äußeren Umfang
eine Außenverzahnung
(nicht dargestellt), deren Zähne
in entsprechende Nuten (nicht dargestellt) in der Umfangswandung der
Ausnehmung des Gehäuses
eingreifen. Je zwei Statorlamellen 13 schließen eine
Rotorlamelle 11 zwischen sich ein, wobei die oberste und
unterste Lamelle des Lamellenpaketes jeweils eine Statorlamelle 13 ist.
Die Rotorlamellen 11 und Statorlamellen 13 haben
aneinander anliegende Reibflächen
zur Erzeugung der Bremskraft. Von jedem Paar aneinander anliegender
Reibflächen
kann eine, oder können
beide, mit einem Reibbelag versehen sein. Beispielsweise können nur
die Rotorlamellen beidseitig mit einem den Reibbeiwert erhöhenden Belag
versehen sein. Lamellenbremsen des dargestellten Typs sind dem Fachmann
bekannt und im Handel erhältlich.
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Unterhalb
der allgemein mit 15 bezeichneten Bremseinheit und des
Endes der Welle 3 befindet sich eine Druckplatte 17,
die von einem Stößel 19 getragen
wird, welcher über
den größten Teil
seiner Länge
in einer Führungsbuchse 21 eines
Deckels 23 des Gehäuses 1 verschiebbar
geführt
ist. An seinem von der Druckplatte 17 entfernten Ende hat
der stabförmige
Stößel 19 einen
verbreiterten Kopf 19a, dessen Stirnfläche an einer Membran 25 anliegt.
Der Randbereich der Membran ist zwischen achsenkrechten Einspannflächen von
zwei Teilen 23a, 23b eines Gehäusedeckels 23 des
Gehäuses 1 eingespannt.
Im freiliegenden mittleren Bereich der Membran 25 liegt
von oben der Kopf 19a des Stößels 19 an, während sich
unterhalb des zentralen Bereichs der Membran 25 eine Druckkammer 27 befindet,
der über
einen Hydraulikanschluss 29 Hydrauliköl mit steuerbarem Druck zugeführt werden
kann.
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Zwischen
einer Ringschulter des Stößels 19 und
einer inneren Ringschulter der Führungsbuchse 21 befindet
sich eine Rückstellfeder 31,
die den Kopf 19a des Stößels 19 in
Anlage an der Membran 25 hält. Der Stößel 19 ist mit der
Druckplatte 17 verzugsweise druck- und zugfest verbunden.
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Die
Membran 25 besteht aus einem flexiblen und vorzugsweise
elastomeren Material. Sie kann beispielsweise aus einer geeigneten
Gummimischung bestehen, z. B. von der Art, wie sie im Maschinenbau
für Schutzmanschetten
an Gelenkwellen verwendet wird, oder aus einem elastomeren Kunststoff.
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Die
von dem Drehmomentsensor 7 und dem Winkelgeber 9 gelieferten
Signale werden abgegriffen und einem Steuer- und Auswertegerät 33 zugeführt. Hierzu
sind in 1 zur Verdeutlichung zwei Signalleitungen 35, 34 eingezeichnet.
Vorzugsweise erfolgt die Er fassung der Daten von den Sensoren 7 und 9 mittels
berührungsfreier
Telemetrie. Das Steuergerät 33 steuert
auf der Grundlage der ihm zugeführten
Drehmoment- und Drehwinkelwerte sowie eines vorgegebenen Programms über ein
Steuerventil 36 die Zufuhr von Hydraulikmedium über die
Leitung 38 zu dem Anschluss 29, um einen Druckanstiegverlauf
und damit einen Verlauf der Bremskraft mit vorgebbarem Profil zu
realisieren.
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Bei
der gezeigten Ausführungsform
wird die Bremseinheit 15 nasslaufend, d. h. in einem Ölbad betrieben,
welches den gesamten Innenraum des Gehäuses 1 ausfüllt. Zur
Befüllung
des Gehäuses
mit dem Nasslauföl
sind zwei Ölanschlussstutzen 39 vorgesehen. Über Kanäle 16 in
der Führungsbuchse 21 kann
das Öl
auch zu der Rückstellfeder 31 gelangen. Das Ölbad verbessert
einerseits durch Kühlwirkung das
thermische Verhalten der Bremseinheit und wirkt sich andererseits
vergleichmäßigend und
verschleißmindernd
auf die Bremsbetätigung
aus.
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Ferner
ist ein von der Hydraulikkammer 27 abzweigender Anschluss 41 vorgesehen,
an den ein Messgerät
zum Überprüfen und
ggf. Aufzeichnen des in der Kammer 27 herrschenden Hydraulik-Öldrucks
angeschlossen werden kann.
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Bei
Beaufschlagung des Hydraulikraums 27 mit Hydrauliköl wird der
zentrale Bereich der Membran 25 nach oben verformt und
drückt
den Stößel 19 gegen
die Kraft der Rückstellfeder 31 nach
oben, wodurch die am oberen Ende des Stößels 19 befestigte Druckplatte 17 mit
einem an ihrer Stirnfläche
vorspringenden ringförmigen
Bund gegen die unterste Statorlamelle 13 der Lamellenbremse 15 drückt und damit
das gesamte Lamellenpaket aus Rotorlamellen 11 und Statorlamellen 13 zusammendrückt, um
die Welle 5 gemäß einem
vorgebbaren Verlauf des Drehmoments in Abhängigkeit vom Drehwinkel und/oder einer
vorgebbaren Zeitdauer abzubremsen. Dabei beschränkt sich die Einwirkung der
Hydraulikflüssigkeit
auf die Membran 25 auf eine verhältnismäßig kleine Fläche im Zentrum
der Membran 25, wobei der Durchmesser der mit Hydraulikflüssigkeit
beaufschlagten Hydraulikkammer 27 vorzugsweise mindestens
annähernd
gleich dem Durchmesser des Kopfes 19a des Stößels 19 ist.
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Im
Ruhezustand der Vorrichtung, wenn am Anschluss 29 kein Öldruck ansteht,
befindet sich die Stirnfläche
des Kopfes 19a des Stößels 19 in
Anlage an der Membran 25, während sich die Druckplatte 17 in
einem sehr geringen Abstand von der untersten Statorlamelle 13,
oder sogar in druckloser Anlage an die unterste Statorlamelle 13 befindet.
Vorzugsweise haben auch die Rotorlamellen 11 und Statorlamellen 13 im
Ruhezustand druckfreie Berührung
miteinander. Der bei Druckbeaufschlagung bis zur Vollbremsung zurückzulegende
Hubweg des Stößels 19 und der
Druckplatte 17 ist deshalb sehr klein. Er beträgt deutlich
weniger als 2 mm, vorzugsweise weniger als 1 mm und kann in der
Größenordnung
von 0,5 mm liegen. Da außerdem
die zu bewegende Masse des Stößels 19 und
der Druckplatte 17 klein ist, arbeitet die Vorrichtung
mit sehr geringer Trägheit
und kann deshalb auch sehr schnell ablaufende Schraubvorgänge realitätsgerecht
simulieren.
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Um
die zu bewegende Masse gering zu halten, kann der Stößel 19 und
ggf. auch die Druckplatte 17 aus einem Material mit geringem
spezifischen Gewicht, z. B. glasfaserverstärkter Kunststoff, gefertigt werden.
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Abweichend
von der beschriebenen Ausführungsform,
bei der der Stößel 19 an
der Membran 25 nur anliegt, kann der Stößel 19 mit der Membran 25 auch
fest verbunden sein, z. B. mittels einer Schraube oder durch Klebung.
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Bei
der in 2 dargestellten Ausführungsform sind alle Teile,
die denen der Ausführungsform nach 1 entsprechen,
mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden nicht nochmals
beschrieben. Im Unterschied zur Ausführungsform nach 1 ist
gemäß 2 eine
Membran 25' direkt mit
der Druckplatte 17 verbunden und mit ihrem Randbereich
zwischen zwei Gehäuseabschnitten 1b und 1d eingespannt.
Der Gehäuseraum 27' unterhalb der
Membran 25' ist
eine Hydraulikdruckkammer, der über
einen Hydraulikanschluss 29 Hydrauliköl gesteuert zugeführt werden
kann, um die Unterseite der Membran 25' mit Hydraulikdruck zu beaufschlagen
und dadurch Membran nach oben auszulenken, damit sie die Druckplatte 17 gegen
die unterste Statorlamelle 13 des Lamellenpakets der Bremsvorrichtung 15 andrückt. Da
auch bei dieser Ausführungsform
das abzubremsende Drehmoment der Welle 3 nicht auf die
Druckplatte 17 übertragen wird,
braucht die Druckplatte 17 nicht verdrehsicher in dem Gehäuse 1 gehalten
zu werden. Die Membran 25' braucht
deshalb nicht torsionsfest zu sein, sondern kann insbesondere aus
einem elastomer verformbarem Material bestehen.
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Im
Gegensatz zu der Ausführungsform
nach 1 dient nach der Ausführungsform nach 2 der
Stößel 19 nicht
zur Übertragung
der Bremsbetätigungskraft
auf die Druckplatte 17, sondern nur zur verkippungsfreien
Führung
der Druckplatte 17 in dem Gehäuse 1 sowie zur Übertragung
der Rückstellkraft der
Rückstellfeder 31 auf
die Druckplatte 17.