DE3142682A1

DE3142682A1 - "elektrowerkzeug, insbesondere handwerkzeug"

Info

Publication number: DE3142682A1
Application number: DE19813142682
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl Ing Goldelius
Original assignee: Black and Decker Inc
Current assignee: Black and Decker Inc
Priority date: 1981-10-28
Filing date: 1981-10-28
Publication date: 1983-05-11
Also published as: IT1153607B; GB2108272A; IT8223970A0; US4534420A; GB2108272B; FR2515344B1; FR2515344A1; DE3142682C2

Description

Fall 4137

Elektrowerkzeug, insbesondere Handwerkzeug

Die Erfindung betrifft ein Elektrowerkzeug, insbesondere Handwerkzeug, mit einer Drehmomentüberwachung unter Verwendung eines den Elektromotor des Werkzeugs beeinflussenden Meßgliedes.

Bei einem bekannten Elektrowerkzeug der vorstehend genannten Art (DE-OS 24 42 260) wird zur Überwachung und gegebenenfalls -Begrenzung des Drehmomentes und damit der Beseitigung von Unfallgefahren bei den zunehmend höheren Leistungen und Drehmomenten solcher Werkzeuge die Verformung des Handgriffs gegenüber dem Gehäuse gemessen und abhängig von dem Meßwert der Antriebsmotor gesteuert. Zur Meßwerterfassung benutzt das bekannte Werkzeug Dehnungsmeßstreifen oder Piezowiderstände, die vorzugsweise in einem Bereich mit vermindertem Gehäusequerschnitt angeordnet sind»

Die Erfassung des Drehmomentes bei dem bekannten Werkzeug hat zum einen den Nachteil, daß Dehnungsmeßstreifen.und piezoelektrisch arbeitende Fühler nur sehr kleine Meßwerte liefern, deren Verarbeitung auf v/endig und störanfällig ist. Die Messung der Gehäusebeanspruchung im Bereich des Handgriffes bedeutet außerdem, daß für jede Gehäuseausführung eine aufwendige Anpassung des Meßwertaufnehmers samt Schaltung erforderlich ist. Darüber hinaus besteht die Gefahr, daß die Überwachung dann nicht funktioniert, wenn das Werkzeug unter besonderen Umständen oder aus Unachtsamkeit nicht am Handgriff erfaßt wird, oder Zusatzgeräte die Belastung des Handgriffs verringern oder verhindern.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ein Elektrowerkzeug mit einer einfachen, zuverlässigen und empfindlichen

■Drehmomentüberwachung zu schaffen, die universell einsetzbar ist. Zur Lösung der Aufgabe geht die Erfindung aus von einem Elektrowerkzeug der eingangs genannten Art und ist dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein das Reaktionsdrehmoment des Elektromotors aufnehmendes Stützlager im Gehäuse des Werkzeugs als Meßglied wenigstens einen Drucksensor aus elektrisch leitendem Kunststoffmaterial enthält, dessen elektrischer Widerstand sich abhängig vom ausgeübten Druck ändert.

Die Erfassung des Drehmomentes am elektrischen Antriebsmotor ermöglicht.. den Einsatz in Werkzeugen unterschiedlicher Form und Art, "beispielsweise-in elektrischen Handbohrmaschinen, Handsägen usw.. Die Von den Drucksensoren gelieferten Meßwerte sind verhältnismäßig hoch, v/eil sich der elektrische Widerstand des leitenden Kunststoffmaterials verhältnismäßig stark mit dem Druck ändert, beispielsweise um mehrere Zehnerpotenzen. Daher kann die Auswerteschaltung einfach und zuverlässig sein. Die Drucksensoren selbst sind unempfindlich, zuverlässig und von hoher Lebensdauer, eignen sich also für den rauhen Betrieb bei Elektrowerkzeugen.

Druckempfindlich leitendes Kunststoff material, das auch als "Leitplastik" bezeichnet wird, ist in vielerlei Varianten bekannt. Beispielsweise wird Silikonkautschuk, vermischt mit Metallteilchen oder Kohlestaub verwendet (DE-AS 25 43 455). Bekannt ist auch die Verwendung eines solchen Materials als druckempfindlicher Schalter zur Überlastsicherung (DE-PS 20 45 385) sowie als stetig veränderbarer Widerstand zur Regelung der Stromaufnahme von Verbrauchern, beispielsweise zur Drehzahlregelung von Handbohrmaschinen (US-PS 3 386 067).

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. So können die Drucksensoren Plättchen aus druckempfindlich leitendem Kunststoffmaterial aufweisen, die zusammen mit zvrel Elektroden in einem aus zwei gegeneinander beweglichen Schalen gebildeten Gehäuse angeordnet sind. Statt der gegeneinander beweglichen Schalen kann auch ein ein-

stückiges, elastisches Gehäuse Verwendung finden. ■

Der Elektromotor weist zweckmäßig zwei sich gegenüberliegende Stützlager auf, von denen eines oder beide zwei Drucksensoren enthält, zwischen denen ein Druckglied liegt, wobei das Druckglied am Motor befestigt ist und die Drucksensoren sich am Gehäuse abstützen oder umgekehrt. Die beiden Druck-

^v sensoren mit je einem Plättchen aus druckempfindlich leitendem Kunststoffmaterial und zwei Elektroden können dabei vorzugsweise in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sein, das eine Öffnung für den Durchtritt des Druckgliedes besitzt. Die Drucksensorenpaare liegen dann in Form eines handlichen und geschützten Bauteils vor»

• Wenn der Motor des Werkzeugs entsprechend einer häufig verwendeten Ausführungsform im Querschnitt zwei sich gegenüberliegende Abflachungen besitzt, sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, daß die Stützlager durch je wenigstens einen, zwischen der Abflachung des Motors und einer benachbarten Wand des Gehäuses angeordneten Drucksensor gebildet' sind. Vorzugsweise werden dabei je Abflachung zwei Drucksensoren vorgesehen, die in Vertiefungen der Gehäusewand liegen. Wenn der Motor sich bei Belastung durch das Reaktionsmoment verdrehen will, werden die Stützlager, die gleichzeitig Drucksensoren sind, durch die sich dann verkantenden Abflachungen belastet und liefern entsprechende Meßwerte.

Im einfachsten Fall kann eine Meßschaltung vorgesehen sein, die in einer dem Fachmann bekannten Weise den elektrischen Widerstand des Drucksensors mißt. Eine Erhöhung der Empfindlichkeit unter gleichzeitiger Verringerung von Störgrößen ergibt sich jedoch, wenn vier Drucksensoren so zu einer Brückenschaltung zusammengeschaltet sind, daß sich für jede Drehrichtung des Motors jeweils die beiden gleichsinnig beaufschlagten Drucksensoren diagonal in- der Brücke gegenüberliegen, wobei die Speisespannung der Brückenschaltung an einer Brückendiagonalen zugeführt wird und die den Motor beeinflussende Meßspannung an der anderen Brückendiagonal abgenommen wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch den Querschnitt eines Elektromotors mit vier Drucksensoren zur Drehmomentüberwachung als Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 schematisch den Querschnitt eines Elektromotors mit einer Drehmomentüberwachung als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 3 eine vergrößerte Querschnittsdarstellung eines Drucksensors," der bei' den Ausführungsbeispielen nach Fig. und 2 Verwendung finden kann;

Fig. 4 schematisch den Querschnitt eines Elektromotors mit Drehmomentüberwachung als drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 5 das linke Stützlager des Motors gemäß Fig. 4 in vergrößerter Darstellung;

Fig. 6 eine Brückenmeßschaltung zur Verwendung bei den Ausführungsbeispielen der Erfindung.

Der. schematisch in Fig. 1 dargestellte Elektromotor eines Handwerkzeugs, beispielsweise einer elektrischen Bohrmaschine, besitzt einen Ständer 1 und einen Läufer 2, die ohne Wicklungen und sonstige Einzelheiten, beispielsweise Lager, Kollektor, Schleifkohlen, Stromzuführungen usw. dargestellt sind. Der Ständer 1 hat zylindrische Außenform mit zwei Abflachungen 3, die ebene, in Richtung der Drehachse verlaufende Flächen auf der Ober- und Unterseite bilden. Der Motor ist in einem ebenfalls nur schematisch dargestellten Gehäuse 4 gelagert, dessen Form an die des Ständers 1 angepaßt ist.

Gegenüber den Abflachungen 3 besitzt das Gehäuse 4 jeweils kammerartige Vertiefungen 5, in denen im Querschnitt rechteckige Plättchen 6 aus druckempfindlich leitendem Kunststoffmaterial als Drucksensoren liegen.

Die Drucksensoren können entsprechend der genaueren Darstellung" in Fig. 3 ausgebildet sein. Das Plättchen 6 liegt zwi-

sehen zwei Halbschalen 7 aus isolierendem Material, die gegeneinander verschoben werden können. Z\-/ischen jeder Halbschale 7 und dem Plättchen 6 ist eine Elektrode 8 in Form einer Metallfolie oder eines Metallplättchen ange-5 ordnet. Anschlußleitungen 9 führen von den Elektroden 8 nach außen. In Fig. 3 ist der Drucksensor zur Verdeutlichung leicht auseinandergezogen gezeichnet. Im Betrieb liegen die Schalen 7 unter Zwischenlage der Elektroden 8 dicht am Plättchen 6 an. Der Zwischen den Elektroden 8 meßbare Widerstand ändert sich dann sehr stark mit dem auf die Schalen 7 ausgeübten Druck, beispielsweise zwischen ein Megohm im drucklosen Zustand und 100 Ohm bei maximalem Druck. Der Widerstandsbeireich läßt sich durch Auswahl eines entsprechenden Kunststoffmaterials sowie auch durch die Größe und Form des Plättchens und die Größe und Form der Elektroden beeinflussen und auf einen gewünschten Wert bringen.

Wenn der Motor gemäß Fig. 1 belastet wird, versucht der Ständer 1 sich aufgrund des Reaktionsdrehmomentes gegenüber dern^ Gehäuse 4 zu drehen und übt dabei mit seinen Abflachungen 3 Druck auf ein sich diagonal gegenüberliegendes Paar von Drucksensoren 6 aus. Die sich dadurch ergebende Widerstandsänderung kann in einer nachfolgenden Schaltung zur Begrenzung des Drehmomentes und gegebenenfalls auch Abschaltung ausgenutzt werd.en. Solche Schaltungen sind im Prinzip bekannt und lassen sich vom Fachmann je. nach den gewünschten Eigenschaften anpassen oder entwickeln. Bei Umkehrung der Drehrichtung wird das andere Paar von Drucksensoren 6 beaufschlagt.

Zweckmäßig schaltet man die Drucksensoren 6 zu einer Brückenschaltung gemäß Fig. 6 zusammen. Dabei liegen jeweils zwei druckabhängige Widerstände R, die sich im Motor diagonal gegenüberliegen, auch in der Brückenschaltung in diagonal gegenüberliegenden Zweigen. Eine Speisespannung liegt in üblicher Weise an einer Brückendiagonale, und die andere Brückendiagonale liefert die Meßspannung.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Der Ständer 1 und Läufer 2 des Motors sind ähnlich wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ausgebildet. Der Ständer 1 hat jedoch zylindrischen Querschnitt ohne Abflachungen. Der Motor stützt sich mit zwei Stiften oder Laschen 10, die am Ständer 1 angebracht sind, zwischen je zwei Drucksensoren 6 ab, die wiederum gemäß Fig. 3 ausgebildet sein können und in Ausnehmungen 11 des Gehäuses 4 liegen. Anschlußleitungen 9 führen zu einer Meßschaltung, die wiederum eine Brückenschaltung gemäß Fig. 6 enthalten kann. Bei einer Belastung des Motors werden ähnlich dem Ausführungsbeispiel nach Fig. jeweils zwei sich diagonal gegenüberliegende Drucksensoren 6 belastet und die anderen Sensoren entlastet.

Das Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß Fig. 4 zeigt schematisch einen etwas anderen Elektromotor, der wiederum einen Ständer 1 und einen Läufer 2 besitzt. Auch hier sind wiederum die Einzelheiten des Motors weggelassen, weil sie für das Verständnis der Erfindung nicht erforderlich sind. Der Motor ist im Gehäuse 4, das nur schernatisch als Wand dargestellt ist, mit Hilfe von Drucksensorpaaren 12 gelagert, deren Aufbau Fig. 5 im einzelnen zeigt. Jedes Drucksensorpaar 12 stellt ein in sich geschlossenes Bauteil dar, das einerseits in einer Ausnehmung 13 des Ständers 1 liegt und sich mit einem Druckglied in Form einer Platte 14 in einem Schlitz 15 der Wand 4 abstützt.

Gemäß Fig. 5 sind in einem aus isolierendem Material bestehenden Gehäuse 16 zwei Plättchen 6 mit Rechteckquerschnitt und jeweils zwei Elektroden 8 angeordnet. Zwischen den beiden inneren Elektroden 8 liegt das Metallplättchen 14 als Druck-" glied, das den Druck auf die Plättchen 6 aus leitendem Kunststoff material überträgt. Es führt durch eine seitliche Öffnung 17 aus dem Gehäuse 1β heraus und stützt sich im Schlitz 15 der Wand 4 ab. Die Funktion des Ausführungsbeispiels nach Fig. 4 und 5 ist die gleiche wie bei den anderen Ausführungs-

beispielen.

Leerseite

Claims

Black & Decker Inc. Fall 4137

Newark (Del.) 19711 USA

Patentansprüche :

Iy Elektrοwerkzeug, insbesondere Handwerkzeug, mit einer Drehmomentüberwachung unter Verwendung eines den Elektromotor (-1, 2) des Werkzeugs beeinflussenden Meßgliedes (6), dadurch gekennzeichnet, daß, wenigstens ein das Reaktionsdrehmoment des Elektromotors (1, 2) aufnehmendes Stützlager im Gehäuse (4) des Werkzeugs als Meßglied wenigstens einen Drucksensor (6) aus elektrisch leitendem Kunststoffmaterial enthält, dessen elektrischer Widerstand sich abhängig vom ausgeübten Druck ändert.

2ο Elektrowerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. jeder Drucksensor ein Plättchen (6) aus druckempfindlich leitendem Kunststoffmaterial aufweist, das zusammen mit zwei Elektroden (8) in einem aus zv/ei gegeneinander beweglichen Schalen (7) gebildeten Gehäuse angeordnet ist (Fig. 3).

3. Elektrowerkzeug-nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (1, 2) zwei sich gegenüberliegende Stützlager aufweist, von denen wenigstens eins zwei Drucksensoren (6) aufweist, zwischen denen ein Druckglied (10) liegt, und daß das Druckglied (10) am Motor (1) befestigt ist und die Drucksensoren sich am Gehäuse (4) abstützen oder umgekehrt»

3H2682

4. Elektrowerkzeug nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Drucksensoren (12) je ein Plättchen (6) aus druckempfindlich leitendem Kunststoff material aufweisen, die zusammen mit je zwei Elektroden (8) in einem gemeinsamen Gehäuse (16) angeordnet sind, und daß das Druckglied (14) durch eine Öffnung (17) des Gehäuses (16) nach außen ragt.

5. Elektrowerkzeug nach Anspruch 1, dessen Motor im Querschnitt zwei sich gegenüberliegende Abflachungen (3) besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützlager durch je wenigstens einen, zwischen der Abflachung (3) des Motors (1, 2) und einer benachbarten Wand (4) des Gehäuses angeordneten Drucksensor (6) gebildet sind. ·

6. Elektrowerkzeug'nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, daß je Abflachung (3) zwei Drucksensoren (6) vorgesehen sind, die in Vertiefungen (5) der Gehäusewand (4) liegen.

7. Elektrowerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vier Drucksensoren (Fig. 6: R) so zu einer Brückenschaltung zusammengeschaltet sind, daß sich für jede Dr einrichtung des Motors jeweils die beiden gleichsinnig beaufschlagten Drucksensoren diagonal gegenüberliegen, daß die Speisespannung der Brückenschaltung an einer Brückendiagonalen anliegt und daß die den Motor beeinflussende Meß- spannung an der anderen Brückendiagonale abgenommen wird.