DE69735786T2

DE69735786T2 - Wellensperrvorrichtung

Info

Publication number: DE69735786T2
Application number: DE69735786T
Authority: DE
Inventors: Richard Washington Tyne & Wear Jones
Original assignee: Black and Decker Inc
Current assignee: Black and Decker Inc
Priority date: 1996-03-02
Filing date: 1997-02-24
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2017-02-25
Also published as: EP0792723A2; EP0792723B1; EP0792723A3; DE69735786D1; US5947254A; GB9604553D0

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Wellensperrvorrichtung und ist insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, als eine Spindel-Sperrvorrichtung in einem Spannfuttermechanismus für eine angetriebene Bohrmaschine von Bedeutung.
Ein Beispiel einer bekannten Spindel-Sperrvorrichtung wird im US-Patent Nr. US-A 5 016 501 offenbart. Die Spindel-Sperrvorrichtung weist koaxiale Eingangs- und Ausgangswellen auf, die über ein Einweg-Getriebemittel zusammenarbeiten. Das Einweg-Getriebemittel weist mehrere Kammern im Bereich zwischen den Eingangs- und Ausgangswellen auf, wobei jede Kammer eine Rolle oder eine Kugel aufnimmt. Der Zweck der Rolle oder der Kugel ist, zwischen zwei Flächen des Einweg-Getriebemittels verkeilt zu werden, wenn ein Versuch unternommen wird, die Ausgangswelle allein zu drehen, jedoch frei in der Kammer zu sitzen, wenn der Eingangswelle ein Drehmoment zugeführt wird, und sich dadurch nicht zu verkeilen und daher deren Drehung zu bewirken. Wenn der Eingangswelle ein Drehmoment zugeführt wird, ist ein Mittel vorgesehen, um die Kugel vor die beiden Keilflächen zu bewegen und dadurch die Funktion des Einweg-Getriebemittels zu ermöglichen.
Ein weiteres Beispiel einer bekannten Spindel-Sperrvorrichtung wird zum Beispiel im US-Patent Nr. 3 243 023 offenbart. In diesem Dokument wird das gleiche Prinzip angewendet wie in dem vorher angeführten Beispiel, nämlich dass eine Eingangs- und eine Aus gangswelle über ein Einweg-Getriebemittel zusammenarbeiten. In diesem Beispiel sind jedoch zwei Rollen für jede Kammer vorgesehen, wobei die Rollen durch einen Federmechanismus dazwischen voneinander beabstandet gehalten werden. Der Federmechanismus zwischen den beiden Rollen hat den Zweck, die Rollen in ihrer verkeilten oder gesperrten Stellung zwischen einem kreisförmigen Gehäuse und einem gekrümmten Nocken an der Ausgangswelle zu halten. Auf diese Weise kommen, wenn ein Drehmoment der Eingangswelle zugeführt wird, auf der Welle angeordnete Finger mit den Rollen in Berührung, drücken die Federn. dazwischen zusammen und drücken die Rollen aus ihren Sperrstellungen. Ein solcher Wellensperrmechanismus basiert auf der Kraft der Feder, um die Rollen auseinander zu drücken, um das Verkeilen auszuführen.
Beide vorher angeführten Arten einer Wellensperre leiden jedoch unter einem gemeinsamen Nachteil. Die solchen Wellensperren innewohnende Eigenschaft ist die, dass ein gewisses Spiel im Einweg-Getriebemittelsystem zwischen den Elementen vorhanden ist, die mit den Kugeln oder Rollen eingreifen, um ihr Verkeilen zu bewirken. Durch das Vorsehen dieses Spiels können die Rollen (die zwischen den beiden Flächen im Getriebe eingekeilt sind, wodurch sie ihre Fähigkeit verlieren, ein Sperren der Vorrichtung zu bewirken, wenn versucht wird, die Austrittswelle zu drehen) vor die verkeilenden Flächen gedrückt werden, wenn das Getriebe durch die Eingangswelle angetrieben wird und ein Sperren nicht erwünscht ist. Ohne ein solches Spiel wäre die Vorrichtung nicht betriebsfähig und würde sich dauerhaft in ihrem gesperrten Zustand befinden.
Dieses Spiel tendiert dazu, von den Benutzern der Vorrichtungen aus folgenden Gründen als problematisch angesehen zu werden: Alle Elemente, aus denen Getriebemittel bestehen, tendieren dazu, aus Metall hergestellt zu sein. Das ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass harte Materialien erforderlich sind, um den hohen Kräften zu widerstehen, die darin oft erzeugt werden. Die Verwendung von metallischen Elementen, die in den Getriebemitteln mit einem gewissen Spiel verbunden sind, führt zu einem hörbaren "Klick"-Geräusch, das der Benutzer zeitweilig hört. Dieses Geräusch ist insbesondere ausgeprägt, wenn die Gesamtvorrichtung in einem angetriebenen Werkzeug mit hoher Drehzahl verwendet wird. Wenn die Drehzahl der Werkzeuge schnell verringert wird, wie es bei angetriebenen Werkzeugen allgemein der Fall ist, stoppt die Eingangswelle die Drehung geringfügig vor der Ausgangswelle. Die Trägheit der Ausgangswelle ist bis zu dem Spiel im Getriebemittel gegeben, wenn dessen Elemente einander berühren und somit auch die Erzeugung von Lärm und des "Klick"-Geräusches. Das wird vom Benutzer oft als ein Fehler der Vorrichtung angesehen, und es ist somit vorteilhaft, es zu vermeiden. Einer der bequemsten Wege zum Vermeiden eines solchen Lärms wäre die Herstellung der Elemente, die das Getriebe bilden, aus relativ weichen, elastischen Materialien, beispielsweise aus Nylon oder Kunststoff. Das würde jedoch nicht zu einer effektiven Vorrichtung führen, weil diese Materialien den hohen Kräften nicht widerstehen können, die im Einweg-Getriebemittel erzeugt werden, insbesondere wenn es sich in seinem gesperrten Zustand befindet.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorher angeführten Mängel zumindest abzuschwächen, indem eine Wellensperrvorrichtung mit koaxialen ersten und zweiten über ein Einweg-Getriebemittel zusammenarbeitenden Wellen zur Verfügung gestellt wird, wobei das Getriebemittel eine Drehung der zweiten Welle durch die erste Welle ermöglicht, wenn der ersten Welle ein Drehmoment zugeführt wird, jedoch die Drehung der zweiten Welle (und daher der ersten Welle) verhindert, wenn der zweiten Welle ein Drehmoment zugeführt wird, wobei das Getriebemittel mehrere um die zweite Welle angeordnete Sperrelemente aufweist, die in Umfangsrichtung zwischen einem Sperrring und einem Buchsenelement angeordnet sind, wobei das Buchsenelement beim Antrieb durch die zweite Welle dazu neigt, die Sperrelemente in statischen Eingriff mit dem Sperrring zu keilen, wobei das Getriebemittel ferner Antriebsmittel mit mehreren, sich in Längsrichtung entlang der Drehachse der ersten Welle erstreckenden Fingern aufweist, die sich zwischen den mehreren Sperrelementen befinden und in Umfangsrichtung zwischen dem Sperring und dem Buchsenelement angeordnet sind, so dass die mehreren Finger von der ersten Welle angetrieben werden, um auf die mehreren Sperrelemente zu wirken, um deren statischen Eingriff mit dem Sperrring zu verhindern, wobei Buchsenelement, Sperrelemente, Antriebsmittel und Sperrring aus nicht zusammendrückbarem, nicht elastischem Material bestehen und ein Bereich von einem von Buchsenelement, Sperrelementen, Antriebsmittel oder Sperrring zumindest teilweise mit kompressiblem, elastischem Material beschichtet ist oder aus solchem besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der kompressible, elastische Bereich, verglichen mit einem nicht zusammendrückbaren, nicht elastischen Bereich von einem von Buchsenelement, Sperrelementen, Antriebsmittel oder Sperrring, an dem es ausgebildet ist, größer ausgebildet ist, um den kompressiblen, elastischen Bereich geringfügig vor dem nicht zusammendrückbaren, nicht elastischen Bereich in Berührung mit den anderen von Buchsenelement, Sperrelementen, Antriebsmitteln oder Sperrring zu bringen.
Vorzugsweise stellt das kompressible, elastische Material einen größeren Bereich von einem von Buchsenelement, Sperrelementen oder Sperring, an dem es ausgebildet ist, dar. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die anfängliche Berührung mit dem kompressiblen, elastischen Material erfolgt, bevor die anderen Bauteile in Eingriff gelangen.
Zusätzlich oder alternativ weist das Buchsenelement zwei axial getrennte Bereiche, einen metallischen Bereich und einen kompressiblen, elastischen Bereich auf, mit dem die Sperrelemente in Eingriff kommen. Das ermöglicht eine einfache Gestaltung des Buchsenelements. Die Sperrelemente und die Finger können abwechselnd in Umfangsrichtung um die zweite Welle angeordnet werden. Weiterhin kann das Buchsenelement auf der zweiten Welle befestigt sein, und die Finger können mit einem Ringelement, das auf der ersten Welle angebracht ist, gekoppelt oder von diesem gebildet sein.
Vorzugsweise wird der Sperrring relativ zur Drehung entweder der ersten oder der zweiten Welle und zur Bewegung der Finger oder Sperrelemente stationär gehalten. Das kompressible elastische Material kann ein Kautschuk sein.
Die vorliegende Erfindung wird nun, lediglich in Form eines Beispiels und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, von denen
1 eine Explosionsdarstellung eines Teils eines angetriebenen Werkzeugs mit einer Wellensperrvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist,
2 eine schematische Schnittansicht des Einweg-Getriebemittels aus 1 ist und
3 eine Schnittansicht entlang der Linie x-x aus 2 ist.
Eine Beschreibung der Weise, in der Wellensperrvorrichtungen im Allgemeinen funktionieren, erfolgt hierin nicht, da dies von einem anwendenden Fachmann leicht zu erkennen ist. Die Merkmale der beiden Bezugnahmen auf den Stand der Technik, nämlich der US 5 016 501 und der US 3 243 023 , sind jedoch zur Vermeidung jedes Zweifels durch Bezugnahme hierin einbezogen.
Nun Bezug auf die Zeichnungen nehmend, ist zu erkennen, dass der Ausgangsmechanismus einer angetriebenen Bohrmaschine, die allge mein mit 2 bezeichnet ist, einen Motor 4 aufweist, der eine erste Welle des Einweg-Getriebemittels 6 antreibt. Im vorliegenden Beispiel ist die erste Welle der Mitnehmer 8. Durch die Mitte des Mitnehmers 8 verläuft eine zweite Welle, hier die Ausgangsspindel 10. Die Ausgangsspindel 10 ist verzahnt, um in einer entsprechend geformten Ausnehmung 12 im Mitnehmer 8 aufgenommen zu werden.
Gekoppelt mit dem Mitnehmer 8 und radial darum angeordnet ist ein Antriebsmittel mit mehreren Fingern 14, die sich in Längsrichtung in Bezug auf die Drehachse des Mitnehmers 8 erstrecken. In Umfangsrichtung um die mehreren Finger 14 ist ein Sperring 16 angeordnet. Mehrere Sperrelemente, hierin die Rollen 18, sind in Umfangsrichtung um den inneren Umfang des Sperrings 16 angeordnet. Die Rollen 18 und die Finger 14 sind, wie aus 2 zu erkennen ist, abwechselnd angeordnet.
Die Ausgangsspindel 10 ist verzahnt und verläuft durch eine entsprechend geformte Öffnung im Buchsenelement 20. In dem dargestellten Beispiel ist das Buchsenelement 20 aus zwei Teilen gebildet, was nachfolgend ausführlicher beschrieben wird.
Wie aus 2 zu erkennen ist, ist die Außenfläche des Buchsenelements 20 ausgestaltet, mehrere entweder geradlinige oder konvexe Bereiche 22, die benachbart zu jeder der mehreren Rollen 18 liegen, und mehrere ausgekehlte oder konkave Bereiche 24 benachbart zu jedem Finger 14 aufzuweisen.
Bei Betrieb der Vorrichtung 2 bewirkt die Drehung des Mitnehmers 8 eine Drehung jedes der Finger 14. Wegen eines gewissen Spiels zwischen jedem Finger 14 und deren entsprechenden konkaven Bereichen 24 können die Finger diese Rolle 18 unmittelbar vor diesen Fingern in Bezug auf die Bewegungsrichtung des Fingers nach vorn stoßen. Aus 2 ist weiterhin zu erkennen, dass die Umfangsform der Finger 14 so ist, dass ihre konvexen Ränder die Rollen 18 berühren können (gleich in welche Richtung die Finger gedreht werden), bevor der Finger 14 mit der Buchse 20 an den konkaven Bereichen 24 eingreift. Dieser Vorgang des Stoßens jeder Rolle 18 vor ihren benachbarten und antreibenden Finger 14 bewirkt, dass die Rolle zwischen jeden der beiden benachbarten konkaven Bereichen 24 gehalten wird und somit die Finger auch die Buchse 20 zwingen, sich wegen der Berührung zwischen den Fingern 14 und der Buchse 20 an den Stellen, wo sie in Eingriff kommen, nämlich an den konkaven Bereichen 24, zu drehen. Auf diese Weise bewirkt eine Drehung des Mitnehmers 8 eine Drehung der Buchse 20 und somit auch der Ausgangsspindel 10 durch Verhindern des Verkeilens der Rollen 8. Die Drehung der Ausgangsspindel 10 bewirkt über einen Kupplungsmechanismus 28, wie er bei angetriebenen Bohrmaschinen üblich ist, die Drehung des Spannfutters 26.
Es wird nun eine Drehung des Spannfutters 26 und somit der Ausgangsspindel 10 betrachtet. Dieses bewirkt, dass der Buchse 20 und somit den konvexen Bereichen 22 und dem Teil des Sperrrings 16, der sich in Berührung mit jeder Rolle 18 befindet, ein Drehmoment zugeführt wird. Somit werden die Finger 14 oder der Mitnehmer 8 nicht in Drehung versetzt. So wie es vorher angeführt ist, läuft der herkömmliche Betrieb für ein Einweg-Getriebemittel ab, das einen Teil einer Wellensperrvorrichtung bildet. Aus den 1 und 3 ist zu erkennen, dass die Buchse 20 aus zwei miteinander eingreifenden Bereichen gebildet ist. Ein Metallbereich 20a ist mit einem kompressiblen, elastischen Bereich, im vorliegenden Beispiel einem aus Nitril NBR gebildeten Kautschukbereich 20b, verbunden. Wie insbesondere aus 3 zu erkennen ist, ist der Kautschukbereich 20b im Vergleich zu dem metallischen Bereich 20a größer ausgebildet. Dadurch kann der Kautschukbereich 20b jede Rolle 18 geringfügig vor dem metallischen Bereich berühren (wegen der Kompression des Nitril NBA-Materials) und dadurch die Berührung zwischen der Buchse 20, den Rollen 18 und (wenn eine solche Berührung erfolgt, mit den Fingern 14) dem Sperring 16 dämpfen.
Das unterstützt die Minimierung jeglichen Berührungslärms zwischen diesen Komponenten.
Fachleute werden erkennen, dass die Ausbildung der Buchse 20 in zwei Teilen nicht unbedingt erforderlich ist. Gleichermaßen wirksam würde es sein, die Buchse 20 mit einem kompressiblen, elastischen Material zu beschichten. Es würde dann noch eine Berührung mit zum Beispiel Nitril NBR vor dem metallischen Kontakt in dem Körper der Buchse 20 erfolgen. Es könnte die gesamte Buchse 20 oder nur ein kleiner Teil davon beschichtet werden, wobei dies in einem gekrümmten oder bogenförmigen Bereich erfolgen könnte.
Es ist so zu verstehen, dass Bezugnahmen auf Wellen geeignet sind, Antriebsringe und jede mechanische Komponente abzudecken, denen ein Drehmoment oder eine Drehbewegung zugeführt werden kann oder die ein Drehmoment oder eine Drehbewegung aufnehmen können.
Es ist weiterhin zu erkennen, dass beide oder einer der Mitnehmer 8 (und auch der Finger 14) und die Buchse 20 einstückig mit ihren entsprechenden antreibenden oder angetriebenen Wellen gebildet sein können.

Claims

Wellensperrvorrichtung mit ersten und zweiten über ein Einweg-Getriebemittel zusammenarbeitenden Wellen, wobei das Getriebemittel eine Drehung der zweiten Welle (10) durch die erste Welle (8) ermöglicht, wenn der ersten Welle ein Drehmoment zugeführt wird, jedoch die Drehung der zweiten Welle (und daher der ersten Welle) verhindert, wenn der zweiten Welle ein Drehmoment zugeführt wird, wobei das Getriebemittel mehrere um die zweite Welle angeordnete Sperrelemente (18) aufweist, die in Umfangsrichtung zwischen einem Sperrring (16) und einem Buchsenelement (20) angeordnet sind, wobei das Buchsenelement beim Antrieb durch die zweite Welle (10) dazu neigt, die Sperrelemente in statischen Eingriff mit dem Sperrring zu keilen, wobei das Getriebemittel ferner Antriebsmittel mit mehreren, sich in Längsrichtung entlang der Drehachse der ersten Welle erstreckenden Fingern (14) aufweist, die sich zwischen den mehreren Sperrelementen befinden und in Umfangsrichtung zwischen dem Sperring und dem Buchsenelement angeordnet sind, so dass die mehreren Finger (14) von der ersten Welle (8) angetrieben werden, um auf die mehreren Sperrelemente (18) zu wirken, um deren statischen Eingriff mit dem Sperrring (16) zu verhindern, wobei Buchsenelement (20), Sperrelemente (18), Antriebsmittel (8, 14) und Sperrring (16) aus nicht zusammendrückbarem, nicht elastischem Material bestehen und ein Bereich von einem von Buchsenelement (20), Sperrelementen (18), Antriebsmitteln (8, 14) oder Sperrring (16) zumindest teilweise mit kompressiblem, elastischem Material beschichtet ist oder aus solchem besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der kompressible, elastische Bereich (20B) verglichen mit einem nicht zusammendrückbaren, nicht elastischen Bereich (20A) von einem von Buchsenelement, Sperrelementen, Antriebsmitteln oder Sperrring, an dem es ausgebildet ist, größer ausgebildet ist, um den kompressiblen, elastischen Bereich geringfügig vor dem nicht zusammendrückbaren, nicht elastischen Bereich in Berührung mit den anderen von Buchsenelement, Sperrelementen, Antriebsmitteln oder Sperrring zu bringen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Buchsenelement zwei axial getrennte Bereiche aufweist, einen nicht zusammendrückbaren, nicht elastischen metallischen Bereich (20A) und einen kompressiblen, elastischen Bereich (20B), mit dem die Sperrelemente (18) in Eingriff kommen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Sperrelemente (18) und die Finger (14) abwechselnd in Umfangsrichtung um die zweite Welle (10) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Buchsenelement (20) auf der zweiten Welle (10) befestigt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Finger (14) mit einem Ringelement (8) gekoppelt oder von diesem gebildet sind, das die erste Welle bildet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Sperrring (16) relativ zur Drehung entweder der ersten oder der zweiten Welle und zur Bewegung der Finger oder Sperrelemente stationär gehalten wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das kompressible, elastische Material (20B) ein Kautschuk ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die mehreren Sperrelemente Rollen (18) oder Kugeln aufweisen.
Angetriebenes Werkzeug mit einer Wellensperrvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.