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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

Gleiche oder funktionsgleiche Elemente werden durch gleiche Bezugszeichen in den Figuren indiziert, soweit nicht anders angegeben.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.