GEBIET DER ERFINDUNG
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bolzenspannwerkzeug zum Aufschrauben einer
Mutter auf einem Bolzengewinde. Das Bolzenspannwerkzeug ist insbesondere ausgelegt,
den Bolzen während des Aufschraubens der Mutter zu strecken.
[0002] US 2011/192257 A offenbart ein hydraulisches Bolzenspannwerkzeug zum Befestigen einer Mutter auf einem
Bolzen. Das Bolzenspannwerkzeug hat eine Zugmutter, eine hydraulische Presse und einen
Sockel. Die Zugmutter lässt sich auf den Bolzen aufschrauben. Die hydraulische Presse
drückt die Zugmutter von dem Sockel ab, wodurch der Bolzen gestreckt wird. Der Sockel
hat ein seitliches Fenster, durch welches ein Schlüssel zum Bewegen der Mutter eingeführt
werden kann.
[0003] Das hydraulische Bolzenspannwerkzeug erweist sich für Bolzen großer Durchmesser als
sehr vorteilhaft, da dabei die Muttern ohne Aufbringen eines großen Drehmoments per
Hand gespannt werden können. Insbesondere müssen keine Vorkehrungen getroffen werden,
um das Gegenmoment abzustützen.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
[0004] Das erfindungsgemäße Bolzenspannwerkzeug dient zum Aufschrauben einer Mutter auf
ein aus einem Werkstück ragendes Bolzengewinde. Das Bolzenspannwerkzeug hat eine Zugstange,
die ein Maul mit einem Innengewinde zum Aufschrauben auf das Bolzengewinde aufweist.
Eine hohle Spindel ist koaxial zu der Zugstange angeordnet. Ein Rollengewindetrieb
weist ein Innengewinde in der Spindel, ein Außengewinde an der Zugstange und zwischen
Spindel und Zugstange angeordnete, in das Innengewinde und das Außengewinde eingreifende
Rollen auf. Ein Fuß ist zum Abstützen des Bolzenspannwerkzeugs in Setzrichtung, auf
dem Werkstück vorgesehen. Der Rollengewindetrieb liegt seitens der Spindel in Setzrichtung
an dem Fuß an. Eine zum Greifen der Mutter vorgesehenen Nuss ist mittels eines Drehmoment-begrenzten
Schleppers an die Spindel gekoppelt.
[0005] Der Rollengewindetrieb erzeugt eine Zugkraft, welche den Bolzen streckt. Die Zugstange
zieht dabei an dem Bolzen, während die Spindel sich über den Fuß am Werkstück abstützt.
Der Rollengewindetrieb ist wesentlich, um bei den hohen wirkenden Kräften das von
der Spindel eingeprägte Drehmoment effektiv in die axiale Bewegung der Zugstange zu
übertragen. Das Gegenmoment kann durch die Haftkraft des Fußes an dem Werkstück aufgebracht
werden. Die Haftkraft wächst mit der zunehmenden Zugkraft. Die Mutter wird durch die
Nuss mitgeschleppt, bis die Mutter am Werkstück aufliegt.
[0006] Die Rollen sind vorzugsweise rotationssymmetrisch. Die Rollen können sich somit um
ihre eigene Drehachse drehen, ohne ein Drehmoment oder eine axiale Kraft auf die Spindel
und die Zugstange zu übertragen. Die Rollen haben mehrere Zähne, die längs der Drehachse
in gleichen Abständen angeordnet sind. Jeder Zahn hat eine in sich ringförmig geschlossene
Kopflinie, die sowohl in das Innengewinde der Spindel als auch in das Außengewinde
der Zugstange eingreift.
[0007] Eine Ausgestaltung sieht ein Drehlager vor, das längs der Achse zwischen der Spindel
und dem Fuß angeordnet ist und eine Drehbewegung der Spindel von dem Fuß entkoppelt.
[0008] Eine Ausgestaltung sieht vor, dass eine Drehmomentkupplung die Spindel mit der Zugstange
koppelt. Die Drehmomentkupplung unterstützt das Aufschrauben des Mauls auf das Bolzengewinde.
Die Drehmomentkupplung ist dimensioniert, die Reibkraft zwischen dem Innengewinde
des Mauls und dem Bolzengewinde zu überwinden.
[0009] Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Zugstange einen Rückstellmechanismus aufweist.
Der Rückstellmechanismus hat eine mit der Spindel drehgekoppelte Welle, einen auf
der Welle geführten Läufer und einen in Setzrichtung vorgesehenen Anschlag für den
Läufer. Der Läufer ist über eine spiralförmige Kulisse an die Drehbewegung der Welle
angekoppelt. Der Läufer ist über eine zu der Zugstange parallele und geradlinige Führung
mit der Zugstange gekoppelt. Die Kulisse verschiebt den Läufer längs der Achse, wenn
die Welle sich mit der Spindel dreht. Wenn der Läufer in seiner Bewegung in Setzrichtung
durch den Anschlag gehemmt ist, dreht die Welle mittelbar durch den Läufer die Zugstange.
Die Welle und die Spindel drehen in gleichem Drehsinn.
[0010] Eine Ausgestaltung sieht vor, dass eine Ganghöhe des Innengewindes des Mauls größer
als eine Ganghöhe des Innengewindes der Spindel ist. Hierdurch ist gewährleistet,
dass die Mutter auf dem Werkstück anliegend gehalten werden kann.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
[0011] Die nachfolgende Beschreibung erläutert die Erfindung anhand von exemplarischen Ausführungsformen
und Figuren. In den Figuren zeigen:
Fig. 1 einen Schrauber mit einem Bolzenspannwerkzeug
Fig. 2 das Bolzenspannwerkzeug
[0012] Gleiche oder funktionsgleiche Elemente werden durch gleiche Bezugszeichen in den
Figuren indiziert, soweit nicht anders angegeben.
AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
[0013] Fig. 1 zeigt einen Bolzen
1, der mit einem Bolzengewinde
2 teilweise aus einem Werkstück
3 ragt. Eine Mutter
4 soll auf das Bolzengewinde
2 aufgeschraubt werden, so dass sich zwischen dem Bolzengewinde
2 und der Mutter
4 eine vordefinierte Spannung ergibt. Das dargestellte Bolzenspannwerkzeug
5 zieht längs einer Achse
6, entgegen der Setzrichtung
7 der Mutter
4 an dem Bolzen
1. Währenddessen wird die Mutter
4 im Uhrzeigersinn
8 um die Achse
6 gedreht, um die Mutter
4 in Setzrichtung
7 in Auflage mit dem Werkstück
3 zu halten.
[0014] Das Bolzenspannwerkzeug
5 ist beispielhaft als Aufsatz für einen Schrauber
9 dargestellt. Der Schrauber
9 hat einen Elektromotor
10, der aus einem Batteriepaket
11 gespeist wird. Ansprechend auf ein Betätigen eines Haupttasters
12 dreht der Elektromotor
10 eine Abtriebswelle
13 um die Achse
6. Das Bolzenspannwerkzeug
5 hat einen Verschluss
14, welcher drehfest auf der Abtriebswelle
13 befestigbar ist, z.B. einen Vierkant oder ein Linksgewinde. Der Anwender kann den
Elektroschrauber
9 mittels eines Handgriffs
15 während des Betriebs führen und Halten. Anstelle eines Elektromotors
10 kann der Schrauber
9 auch einen hydraulischen oder pneumatischen Antrieb enthalten.
[0015] Fig. 2 zeigt das Bolzenspannwerkzeug
5 in größerem Detail. Das Bolzenspannwerkzeug
5 hat eine koaxial zu der Achse
6 angeordnete Zugstange
16. Die Zugstange
16 hat an ihrem in Setzrichtung
7 hinteren Ende ein Maul
17, das das Bolzengewinde
2 greifen kann. Der Bolzen
1 ist angeschnitten mit seiner rechten Hälfte in dem Maul
17 liegend dargestellt. Das Maul
17 ist hierfür mit einem Innengewinde
18 versehen, das passend zu dem Bolzengewinde
2 gewählt ist. Das Innengewinde
18 entspricht weitgehend dem Gewindetyp der Mutter
4. Ein Zugmechanismus
19 zieht die Zugstange
16 abgestützt an dem Werkstück
3 entgegen der Setzrichtung
7 an, und streckt dabei den Bolzen
1. Eine Nuss
20 greift die Mutter
4. Ein Schlepper
21 dreht die Nuss
20 im Uhrzeigersinn
8, und hält dadurch die Mutter
4 in Auflage auf dem Werkstück
3. Der Zugmechanismus
19 und der Schlepper
21 sind von einer Spindel
22 angetrieben. Der Schrauber
9 ist mit der Spindel
22 gekoppelt. Die Zugstange
16 nebst Zugmechanismus
19 und die Nuss
20 nebst Schlepper
21 sind innerhalb eines tragenden Gehäuses
23 angeordnet.
[0016] Die Zugstange
16 und die Spindel
22 sind über ein Rollengewindetrieb
24 verbunden. Die Spindel
22 ist hohl ausgebildet und hat an ihrer Innenseite ein Innengewinde
25. Die Zugstange
16 ist koaxial innerhalb der hohlen Spindel
22 angeordnet. Die Zugstange
16 hat ein Außengewinde
26. Fig. 2 zeigt in der linken Bildhälfte Zugstange
16 und Spindel
22 angeschnitten, in der rechten Bildhälfte in einer Seitenansicht. Die beiden Gewinde
25, 26 des Rollengewindetriebs
24 sind vorzugsweise mehrgängig. Ihre Ganghöhe und Gangzahl sind gleich. Die Ganghöhe
des Innengewindes
25 ist geringer als die Ganghöhe des Innengewindes
18 des Mauls
17. Das Innengewinde
25 der Spindel
22 greift nicht in das Außengewinde
26 der Zugstange
16 ein. Ein die Zugstange
16 umgebender, ringförmiger Hohlraum beabstandet die beiden Gewinde
25, 26 voneinander. Mehrere Rollen
27 sind umfänglich um das Innengewinde
25 verteilt in dem Hohlraum angeordnet. Eine der Rollen
27 ist in der linken Bildhälfte dargestellt, in der rechten Bildhälfte ist die Rolle
27 zum Zeigen der Gewinde
25, 26 von Zugstange
16 und Spindel
22 nicht dargestellt. Die Drehachsen
28 der Rollen
27 sind parallel zu der Achse
6 in einem gleichen radialen Abstand zu der Achse
6 angeordnet. Jede der Rollen
27 hat eine Verzahnung
29, welche sowohl in das Innengewinde
25 als auch in das Außengewinde
26 eingreift. Die Verzahnung
29 besteht aus mehreren Zähnen
30, die in Ebenen senkrecht zu der Drehachse
28 liegen. Die Verzahnung
29 ist vorzugsweise rotationssymmetrisch mit entsprechend scheibenförmigen Zähnen
30. Der Abstand längs der Drehachse
28 zwischen den Zähnen
30 ist gleich der Ganghöhe des Innengewindes
25 und des Außengewindes
26. Die Rollen
27 sind in einem Käfig
31 gehalten, welcher deren Abstand in Drehrichtung um die Achse
6 festlegt. Der beispielhafte Käfig
31 kann sich gegenüber der Spindel
22 drehen. Alternativ können die Rollen
27 mit einem Gewinde versehen sein, das mit gleicher Steigung wie das Innengewinde
25 ausgelegt ist.
[0017] Die Spindel
22 kann in dem Gehäuse
23 längs der Achse
6 festgelegt sein. In der beispielhaft dargestellten Ausführungsform hat die Spindel
22 ein geringes axiales Spiel und ist durch eine Feder
32 entgegen der Setzrichtung
7 vorgespannt. Die Spindel
22 ist in Setzrichtung
7 über ein Dreh- oder Wälzlager
33 an dem Gehäuse
23 abgestützt. Das Gehäuse
23 kann z.B. mit einem entsprechenden Vorsprung
34 versehen sein oder die abtriebsseitige Lagerschale in dem Gehäuse
23 verankert sein. Die Zugstange
16 ist längs der Achse
6 gegenüber der Spindel
22 und entsprechend dem Gehäuse
23 beweglich.
[0018] Der Rollengewindetrieb
24 erzwingt eine relative axiale Bewegung der Zugstange
16 und der Spindel
22, wenn diese zueinander eine relative Drehbewegung ausführen. Die relativ zu der Zugstange
16 im Uhrzeigersinn
8 gedrehte Spindel
22 führt zu einer Bewegung der Zugstange
16 entgegen der Setzrichtung 7. Der durch das Maul
17 der Zugstange
16 gehaltene Bolzen
1 wird dabei durch eine Zugkraft gestreckt. Die Gegenkraft leitet das Bolzenspannwerkzeug
5 mit einem Fuß
35 in das Werkstück
3 ein. Der Fuß
35 wird in Setzrichtung
7 auf das Werkstück
3 beabstandet zu dem Bolzen
1 aufgesetzt. Der Fuß
35 ist vorzugsweise ein hülsenförmiger Endabschnitt des Gehäuses
23. Eine Stellfläche
36 des Fußes
35 ist beispielsweise ringförmig.
[0019] Die Nuss
20 ist auf die Mutter
4 aufgesteckt. Die Nuss
20 hat ein oder mehrere Schlüsselflächen
137, die an der Außenkontur der Mutter
4 zum Übertragen eines Drehmoments anliegen. Vorzugsweise ist die Nuss
20 komplementär zu der Mutter
4 ausgebildet, z.B. mit einem sechseckig prismatischen Hohlraum. Der Schlepper
21 koppelt die Nuss
20 an die Spindel
22 drehmoment-begrenzt an. Der beispielshafte Schlepper
21 hat eine auf Reibung basierende Drehmoment-Begrenzung. Der Schlepper
21 hat zwei Kupplungsscheiben
38, 39, zwischen welchen ein Stapel von vorgespannten Tellerfedern
40 angeordnet ist. Die Kupplungsscheiben
38, 39 sind an dem Gehäuse
23 in axialer Richtung festgelegt. Die Spindel
22 treibt die eine Kupplungsscheibe
38 um die Achse
6 drehend an. Beispielsweise ist die Spindel
22 in Setzrichtung
7 auf der Kupplungsscheibe
38 abgestützt. Die andere Kupplungsscheibe
39 ist mit der Nuss
20 gekoppelt. Die Mutter
4 wird fortlaufend in Auflage mit dem Werkstück
3 gehalten, während der Bolzen
1 durch die Zugstange
16 gestreckt wird. Das übertragene Drehmoment ist ausreichend, um die Reibung der Mutter
4 bei dem gespannten Bolzen
1 zu überwinden. Das Drehmoment ist geringer als ein Nenndrehmoment, auf welches ein
Drehmomentschlüssel eingestellt wird, um die Mutter
4 zu setzen. Der Schlepper
21 kann somit nicht mittels der Mutter
4 den Bolzen
1 spannen. Beispielhafte Grenzwerte für das Drehmoment sind von der Nuss
20 abhängig, d.h. dem Durchmesser der Mutter
4 und des Bolzens
1. Der Bereich für den Grenzwert liegt zwischen 5 % und 30 % des Nenndrehmoments. Das
Nenndrehmoment ist in guter Schätzung der Durchmesser in dritter Potenz multipliziert
mit 50 MN/m2, z.B. 400 Nm für einen 20 mm Bolzen
1. Der Schlepper
21 kann einen Freilauf
41 beinhalten, welcher nur in dem Uhrzeigersinn
8 ein Drehmoment überträgt.
[0020] Die Spindel
22 ist über ein Getriebe
42 mit einer Antriebsspindel
37 des Bolzenspannwerkzeugs
5 gekoppelt. Die Antriebsspindel
37 ist in geeigneter Weise mit der Abtriebswelle
13 des Elektroschraubers
9 oder einem Motor
10 verbunden. Das Bolzenspannwerkzeug
5 ist nur über die Antriebsspindel
37 mit dem Elektroschrauber
9 verbunden. Das Gehäuse
23 hat keine drehfeste mechanische Kopplung mit dem Elektroschrauber
9 oder dem Motor
10.
[0021] Das Getriebe
42 beinhaltet vorzugsweise ein oder mehrere Planetengetriebestufen. Eine Planetenstufe
enthält ein Sonnenrad
43, mehrere Planeten
44 auf einem Planetenträger
45 und ein Hohlrad
46. Das Sonnenrad
43 der ersten Planetenstufe ist drehfest mit der Antriebsspindel
37 verbunden. Das Hohlrad
46 der Stufen ist drehfest mit dem Gehäuse
23 verbunden. Der Planetenträger
45 ist vorzugsweise mit dem Sonnenrad der nächsten Planetenstufe drehfest verbunden.
Der Planetenträger
47 der letzten Stufe ist mit der Spindel
22 drehfest verbunden. Die Planetengetriebestufen kämmen vorzugsweise alle mit dem gemeinsamen
Hohlrad
46. Das Getriebe
42 untersetzt die Drehzahl von der Antriebsspindel
37 zu der Spindel
22 und erhöht entsprechend das Drehmoment. Das Gegenmoment für das Getriebe
42 wird durch die Hohlräder an dem Gehäuse
23 abgestützt. Das Gehäuse
23 mit dem Hohlrad
46 ist gegenüber der Antriebsspindel
37 frei drehbar. Aufgrund der Reibung des Fußes
35 mit dem Werkstück
3, insbesondere wenn die Zugstange
16 eine Spannung aufbaut, kann das Gegenmoment aufgebracht werden. Das Gehäuse
23 ist gegenüber dem Elektroschrauber
9 drehbar. Das Gegenmoment kann somit nicht auf den Anwender einwirken.
[0022] Das Getriebe
42 kann eine Drehmomentkupplung
48 beinhalten, welche bei einem geringen Drehmoment die Antriebsspindel
37 direkt mit dem Gehäuse
23 koppelt. Die Antriebsspindel
37 dreht somit das Gehäuse
23 und die Antriebsspindel
37 synchron. Das Getriebe
42 ist dabei überbrückt. Die Drehmomentkupplung
48 beinhaltet beispielsweise eine Feder
49, z.B. eine Tellerfeder, die längs der Achse
6 zwischen dem Gehäuse
23 und einem Kragen
50 der Antriebsspindel
37 eingespannt ist. Eine zusätzliche Scheibe
51 kann die Feder
49 unterstützen. Die Scheibe
51 hat sich entlang der Umfangsrichtung zunehmend in axialer Richtung erhebende Vorsprünge
52. Das Gehäuse
23 hat ebenfalls axiale Vorsprünge
53. Die Vorsprünge
52, 53 sind in einer ersten Stellung der Scheibe
51 in Umfangsrichtung zueinander versetzt, wodurch die Feder
49 entspannt werden kann, und ein einer zweiten Stellung in axialer Flucht, wodurch
die Feder
49 zum Übertragen des Drehmoments vorgespannt ist. Das übertragbare Drehmoment ist vorzugsweise
größer als die Reibkräfte der Mutter
4 auf dem Bolzengewinde
2 und dem Maul
17 auf dem Bolzengewinde
2. Das übertragbare Drehmoment ist in Hinblick auf die Haltekraft des Anwenders beschränkt,
da dieser das entsprechende Gegenmoment aufbringen muss. Wie nachfolgend erläutert
ist für die Funktion des Bolzenspannwerkzeugs
5 keine große Haltekraft des Anwenders nötig. Deshalb trennt die Drehmomentkupplung
48 vorteilhaft bei einem niedrigen Drehmoment im Bereich zwischen von 2 Nm (Newtonmeter)
bis 10 Nm, welche ein Anwender bei einem typischen Elektroschrauber einhändig halten
kann.
[0023] Das Bolzenspannwerkzeug
5 spannt den Bolzen
1 und schraubt die Mutter
4 wie folgt auf. Der Anwender setzt den Bolzen
1 ein und schraubt die Mutter
4 vorzugswiese per Hand bis auf Auflage mit dem Werkstück
3 auf. Der Anwender setzt das Maul
17 auf das freiliegende obere Ende des Bolzengewindes
2 auf. Das Bolzengewinde
2 muss soweit über das Werkstück
3 vorstehen, dass der Fuß
35 das Werkstück
3 noch nicht berührt. Der Anwender schaltet den Motor
10, bzw. den Elektroschrauber
9 ein. Das Maul
17 und das Gehäuse
23 üben anfänglich nur ein geringes Gegenmoment aus. Das Gegenmoment ergibt sich wegen
dem Beschleunigen und ggf. innerer Reibung. Die Drehmomentkupplung
48, soweit vorhanden, überbrückt das Getriebe
42, wodurch sich die Spindel
22 mit der Drehzahl der Antriebsspindel
37 dreht, andernfalls untersetzt durch das Getriebe
42. Der Rollengewindetrieb
24 dreht die Zugstange
16 synchron mit der Spindel
22 und dreht dabei das Maul
17 auf das Bolzengewinde
2 auf. Der Vorgang ändert sich, wenn der Fuß
35 auf dem Werkstück
3 aufsetzt. Das Maul
17 kann sich nicht mehr momentfrei auf das Bolzengewinde
2 drehen. Da der Rollengewindetrieb
24 nur ein geringes Drehmoment übertragen kann, werden Zugstange
16 und Spindel
22 rotatorisch entkoppelt. Die Zugstange
16 bleibt stehen, während die Spindel
22 weiter drehend angetrieben ist. Der Rollengewindetrieb
24 erzwingt jedoch auf die Zugstange
16 eine axiale Kraft entgegen der Setzrichtung
7. Der Bolzen
1 wird gestreckt. Der Schlepper
21 zieht die Mutter
4 nach, wenn diese sich aufgrund des gestreckten Bolzens
1 vom Werkstück
3 abhebt. Der Setzvorgang wird beendet, wenn die ausgeübte Zugspannung einen vorgegebenen
Sollwert erreicht. Die Zugspannung korreliert mit dem Drehmoment, welches an der Antriebsspindel
37 eingeleitet wird. Eine Begrenzung des eingeleiteten Drehmoments kann z.B. mit Hilfe
der in einem Elektroschrauber
9 integrierten Überlastkupplung
54 eingestellt werden. Die Drehrichtung der Antriebsspindel
37 wird umgekehrt, um das Maul
17 von dem Bolzengewinde
2 abzuschrauben. Vorzugsweise sorgt ein Rückstellmechanismus
55 dafür, dass dabei die Zugstange
16 eine definierte Grundstellung gebracht wird. Bei der Grundstellung ist die Zugstange
16 am weitesten in Setzrichtung
7 gegenüber der Spindel
22 vorgerückt.
[0024] Fig. 2 zeigt einen beispielhaften Rückstellmechanismus
55. Die Zugstange
16 ist hohl. Der Rückstellmechanismus
55 hat eine mit einem Gewinde versehene Welle
56, die in der hohlen Zugstange
16 angeordnet ist. Die Welle
56 ist mit der Antriebsspindel
37 oder der Spindel
22 gekoppelt, wodurch sich beide gemeinsam mit gleichem Drehsinn drehen. Ein Läufer
57 mit einem komplementären Gewinde sitzt auf der Welle
56. Der Läufer
57 hat eine Nut
58, in die Zugstange
16 mit einem Steg
59 eingreift. Der Steg ist vorzugsweise zu Achse
6 parallel und geradlinig. Eine relative Drehbewegung der Welle
56 zu der Zugstange
16 bewirkt eine axiale Bewegung des Läufers
57. Der Drehsinn des Gewindes der Welle
56 ist so gewählt, dass wenn sich die Welle
56 im Uhrzeigersinn
8 schneller als die Zugstange
16 dreht, d.h. während des Anziehens des Bolzens
1, sich der Läufer
57 entgegen der Setzrichtung
7 bewegt. Anstelle der Nut
58 und des Steges
59 kann auch eine andere eine relative Drehung in eine axiale Bewegung umsetzende Kulisse
die Welle
56 und die Zugstange
16 koppeln. Ein Anschlag
60 ist in Setzrichtung
7 des Läufers
57 angeordnet. Sobald der Läufer
57 an dem Anschlag
60 anliegt, dreht die Welle
56 die Zugstange
16 zwangsweise mit. Die entgegen dem Uhrzeigersinn
8 gedrehte Welle
56 dreht nun die Zugstange
16 mit dem Maul
17 ebenfalls entgegen dem Uhrzeigersinn
8 und damit von Bolzengewinde
2 ab.