Technisches Gebiet

Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Antriebseinheit für ein Expanderwerkzeug zum schrittweisen Rotations- und periodischen Linearantrieb eines Expanderwerkzeugs. Insbesondere betrifft die vorliegende Offenbarung eine solche Antriebseinheit für ein Expanderwerkzeug mit einem kombinierten Schritt- und Pendelgetriebe.

Expanderwerkzeuge zum Aufweiten von Kunststoffschläuchen sind bekannt aus den amtlichen Veröffentlichungen DE 102010 004426 Al, DE 20 2019 107 067 Ul und

US 2019/0351605 Al. Antriebseinheiten für solche und ähnliche Expanderwerkzeuge mit gleicher oder vergleichbarer Zweckbestimmung sind bekannt aus den amtlichen Veröffentlichungen DE 20 2011 050988 Ul, EP 3 275 626 Bl, EP 2 374 554 Bl und EP 1 938950 Bl (Druckschriften), auf die zur Vervollständigung der Offenbarung ausdrücklich verwiesen wird. Insbesondere wird auf die Offenbarungen der Druckschriften hinsichtlich des Aufbaus der von der Antriebseinheit anzutreibenden Expanderwerkzeuge verwiesen mit dem Hinweis, dass die zitierten Druckschriften gleichlautenden Begriffen eventuell eine Bedeutung beilegen, die von der vorliegenden abweicht.

Die in den Druckschriften weiterhin offenbarten Elektrowerkzeuge und -maschinen umfassen Antriebseinheiten für Expanderwerkzeuge mit einem Pendelgetriebe, durch das die Umsetzung der kontinuierlichen Rotation eines elektrischen Motors, eines elektrischen Getriebemotors oder eines dazu gleichwertigen elektrischen Drehantriebs in eine zyklische Aufweitbewegung der Backenanordnung des angeschlossenen Expanderwerkzeugs bewirkt wird. Ferner sind die in den Druckschriften offenbarten Antriebseinheiten für Expanderwerkzeuge um Schrittgetriebe ergänzt, um die Backenanordnung des angeschlossenen Expanderwerkzeugs im Zyklus der Aufweitbewegung schrittweise zu verdrehen. Durch diese zusätzliche Drehbewegung wird dem Effekt des Einprägens der mehrteiligen Backenanordnung in die innere Oberfläche des Werkstücks begegnet.

Einige der bekannten Antriebseinheiten für ein Expanderwerkzeug umfassen viele mechanische Bauteile und erfordern einen hohen Aufwand bei der Montage. Andere der bekannten Antriebseinheiten für ein Expanderwerkzeug benötigen aufwendig gefertigte mechanische Bauteile. Es kann dementsprechend unter bestimmten Umständen einen Bedarf für eine mechanische Auslegung einer Antriebseinheiten für ein Expanderwerkzeug mit wenig einfach zu fertigenden mechanischen Bauteilen gesehen werden.

Konzepte

Diesen Bedarf adressiert das technische Konzept des Anspruchs 1 in grundlegender Weise. Ausgestaltungen und Alternativen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Kurzbeschreibung der Figuren

In den anhängenden Zeichnungen sind die Konstruktion einer exemplarische Ausführungsformen einer neuartigen Antriebseinheit für ein Expanderwerkzeug sowie die unterliegenden prinzipiellen mechanischen Konzepte dargestellt: Fig. 1 zeigt eine exemplarische Antriebseinheit für ein Expanderwerkzeug in einer perspektivischen Ansicht von schräg vorne;

Fig. 2 zeigt eine perspektivische Explosionsdarstellung der mechanischen Einzelheiten in der exemplarischen Antriebseinheit gemäß Fig. 1 in einer Ansicht von schräg vorne;

Fig. 3 zeigt eine perspektivische Explosionsdarstellung der mechanischen Einzelheiten in der exemplarischen Antriebseinheit gemäß Fig. 1 in einer Ansicht von schräg hinten; und

Fig. 4 zeigt eine Variante für die Auslegung der federnden Vorbelastung für die Freilaufkupplung im gestrichelten Ausschnitt "X" der Fig. 3.

Ausführungsbeispiele

Insbesondere gemäß Fig. 1 lässt sich eine exemplarische Antriebseinheit 1 für ein Expanderwerkzeug in drei Funktionseinheiten gliedern, nämlich in einen elektrischen Drehantrieb 2 zur Abgabe einer kontinuierlichen Rotationsbewegung, ein kombiniertes Schritt- und Pendelgetriebe 3 zur Umwandlung der kontinuierlichen Rotationsbewegung in mehrere zyklische Bewegungen und einen mechanischen Werkzeuganschluss 4 zum kinematischen Anschluss eines Expanderwerkzeugs an die mehreren zyklischen Bewegungen. Die drei erwähnten Funktionseinheiten können wie exemplarisch dargestellt in einem einzigen Gehäuse oder durch ein einziges Gehäuse 5 zusammengefasst werden, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. In der Darstellung ist die obere Abdeckung des Gehäuses über dem kombinierten Schritt- und Pendelgetriebe 3 ausgelassen.

Der elektrische Drehantrieb 2 kann insbesondere als Getriebemotor realisiert und dazu eingerichtet sein, an einer Ausgangswelle 6 im Betrieb eine kontinuierliche Drehbewegung oder Rotation auszuführen. Der Getriebemotor kann einen Gleichstrommotor und insbesondere einen bürstenlosen Gleichstrommotor umfassen. Ferner kann der elektrische Drehantrieb 2 ein mehrstufiges Getriebe und insbesondere ein mehrstufiges Planetengetriebe umfassen.

In typischen Anwendungen wird der elektrische Drehantrieb 2 über ein elektrisches Schaltoder Steuerglied mit einer elektrischen Leistungsquelle verbunden sein. Das elektrisches Schalt- oder Steuerglied wird dabei eine Bedienschnittstelle umfassen, mit der eine Bedienperson die Leistungszufuhr zum Drehantrieb nach Bedarf steuern kann. Typisch wird die elektrische Leistungsquelle ein Akkumulator sein. In Anwendungen mit höherem Leistungsbedarf kann alternativ ein netzgespeister Spannungswandler genutzt werden. Dies ist in den exemplarischen Ansichten nicht dargestellt.

Der mechanische Anschluss 4 kann gemäß Fig. 1 einen Befestigungsflansch 7 umfassen, der zur lösbaren Anbindung einer Auswahl von Expanderwerkzeugen eingerichtet ist. Der Befestigungsflansch 7 kann insbesondere mit einem Bajonett-, Renk- oder Schraubanschluss ausgerüstet sein, um einen einfachen Austausch des Expanderwerkzeugs zu erlauben. In der exemplarischen Ausführungsform ist der Befestigungsflansch 7 an einem abstehenden Ende eines Flanschgehäuses 8 ausgebildet.

Ferner kann der mechanische Anschluss 4 einen verjüngend auslaufenden länglichen Verdrängungskörper, der exemplarisch als abschnittsweise konischer Spreizdorn 9 ausgeführt ist. Der Spreizdorn 9 ist dazu eingerichtet, in einer linearen Bewegung entlang der Symmetrieachse des konischen Abschnitts 10 gegen die Backenanordnung eines am Befestigungsflansch 7 angebrachten Expanderwerkzeugs zu wirken, um diese in radialer Richtung in Bezug auf die Symmetrieachse des Spreizdorns 9 auseinander zu treiben.

In Variationen könnte der dargestellte Spreizdorn 9 anstelle eines einheitlich konischen Abschnitts 10 mehrere konische Abschnitte mit unterschiedlichem Kegelwinkel aufweisen oder eine anderweitig zugespitzte Gestalt haben. Gleichfalls ist es nicht notwendig, dass der Verdrängungskörper eine rotationssymmetrische Gestalt hat, wie dies in dem konischen Abschnitt 10 des Spreizdorns 9 der Fall ist. Es kann von Vorteil sein, wenn der Verdrängungskörper eine Symmetrie aufweist, die auf die schrittweisen Verdrehung der Backenanordnung des Expanderwerkzeugs im Betrieb abgestimmt ist, wie sie nachfolgend genauer erläutert wird.

Weiterhin umfasst der mechanische Anschluss 4 einen exemplarisch ringförmig gestalteten Drehmitnehmer 11, der koaxial zur Symmetrieachse des konusförmigen Abschnitts 10 am Spreizdorn 9 angeordnet ist. Die zur Spitze des Spreizdorns 9 und damit zu einem angeschlossenen Expanderwerkzeug weisende Seite des Drehmitnehmers 11 ist mit einer Zahnstruktur 12 oder einer vergleichbaren Anordnung aus Vorsprüngen für einen insbesondere axialen Eingriff mit den Backen des angeschlossenen Expanderwerkzeugs ausgestattet.

Die Zahnstruktur 12 oder Vorsprünge des Drehmitnehmers 11 sind dazu eingerichtet, mit entsprechend geformten Ausnehmungen oder Gegenkonturen an den Backen des angeschlossenen Expanderwerkzeugs zu kämmen oder anderweitig einen um die Symmetrieachse des konischen Abschnitts am Spreizdorn 9 Eingriff zu bilden, über den eine Drehung des Drehmitnehmers 11 auf die Backen des angeschlossenen Expanderwerkzeugs übertragen werden kann.

Zum Antrieb des Spreizdorns 7 und des Drehmitnehmers 11 umfasst die exemplarische Antriebseinheit 1 das kombinierte Schritt- und Pendelgetriebe 3. Das kombinierte Schritt- und Pendelgetriebe 3 kann dazu eingerichtet sein, eine lineare Pendelbewegung zu erzeugen, an die der Verdrängungskörper und insbesondere der Spreizdorn 9 in geeigneter Weise angeschlossen ist, sowie eine schrittweise Drehbewegung zu erzeugen, an die der Drehmitnehmer 11 in geeigneter Weise angeschlossen ist. Insbesondere kann das kombiniertes Schritt- und Pendelgetriebe 3 einen verzweigten Antriebsstrang umfassen, der die aus dem elektrische Drehantrieb 2 zugeführte kontinuierliche Rotation über unterschiedliche kinematische Pfade auf zwei verschiedene Ausgangsglieder ableitet, wie dies nachfolgend erläutert wird.

Gemäß den Fig. 2 und 3 umfasst die exemplarische Ausführung des kombinierten Schritt- und Pendelgetriebes 3 eine Eingangswelle 13, die an den Drehantrieb 2 und insbesondere an die Ausgangswelle 5 des exemplarischen Getriebemotors angeschlossen ist. Ausgehend von der Eingangswelle 13 erstrecken sich zwei kinematische Pfade, auf denen die zuvor erwähnten unterschiedlichen Bewegungen erzeugt werden.

Für die weitere Erläuterung wird als erster kinematischer Pfad derjenige zur Umwandlung einer kontinuierlichen Rotation in eine zyklische lineare Bewegung in Bezug genommen. Eine allgemeine zyklische lineare Bewegung wird im allgemeinen Sprachgebrauch gelegentlich auch als Pendelbewegung bezeichnet. Als zweiter kinematischer Pfad wird nachfolgend derjenige zur Umwandlung einer kontinuierlichen Rotation in eine schrittweise Rotation in Bezug genommen.

Der erste benannte kinematische Pfad verläuft in der gezeichneten exemplarischen Situation der Fig. 2 und 3 ausgehend von der Eingangswelle 13 über eine Antriebsscheibe 14, die eine äußere, radial und achsenparallel profilierte Antriebskurvenbahn 15 aufweist und in Fachkreisen mitunter auch als Radialnockenscheibe bezeichnet wird. Die Antriebsscheibe 14 ist exemplarisch starr mit der Eingangswelle 13 verbunden und über diese in einer geeigneten Lagerung um die Achse A drehbar aufgehängt. Die Lagerung der Antriebsscheibe 14 kann wie dargestellt zwei Kugellager 16, 17 umfassen, zwischen den die Antriebsscheibe 14 eingeschlossen ist, wie dies exemplarisch dargestellt ist. In einer alternativen Konstruktion könnte die Antriebsscheibe 14 über ein koaxiales Getriebe mit der Eingangswelle drehmomentführend verbunden sein.

In der gezeigten Anordnung enthält der erste benannte kinematische Pfad ferner eine exemplarisch frei drehbar aufgehängte Rolle 18, die in einer exemplarisch radial zur Achse A verlaufenden Linearführung gehalten ist. In der dargestellten Situation wird die Linearführung einerseits durch einen zylindrischen rückseitigen Abschnitt 19 des Spreizdorns 9 und eine diesen umschließende Lagerbohrung in einer Schwenkhülse 20 gebildet. Eine weitere Lagerstelle der Linearführung ist durch die Langlöcher 21 oben und unten im Flanschgehäuse 8 gegeben. Die Rolle 18 kann ferner wie in der exemplarisch dargestellten Situation durch einen Bolzen 22 in endständigen Befestigungsaugen 23 am Spreizdorn 9 gehalten sein.

Die durch den Bolzen 22 definierte Drehachse der Rolle 18 kann parallel zur Achse A der Drehung der Antriebsscheibe 14 verlaufen, wie dies in der exemplarischen Situation der Fall ist. Dadurch kann die Rolle 18 die exemplarisch gewählte zylindrische Außengestalt haben und die Antriebskurvenbahn 15 kann, wie exemplarisch dargestellt, translationssymmetrisch zur Achse A, d.h. prismatisch ausgeführt sein. Der Kontakt der Rolle 18 zur Antriebskurvenbahn 15 liegt in dieser Situation stets auf einer zur Achse A parallelen Kontaktlinie.

Im ersten benannten kinematischen Pfad kann ferner eine Rückstellfeder 24 vorgesehen sein, die auf den Spreizdorn 9 mit einer Vorspannung entgegengesetzt zu dessen Bewegungsrichtung beim Auseinandertreiben der Backenanordnung einwirkt. Durch die Rückstellfeder 24 kann die Rolle 18 in dauerndem Kontakt zur Antriebskurvenbahn 15 gehalten werden.

Der zweite benannte kinematische Pfad verläuft in der gezeichneten Situation ausgehend von der Eingangswelle 13 zu einer Steuerscheibe 25. Die exemplarische Steuerscheibe 25 hat eine äußere, Axialkulisse 26. Die Steuerscheibe 25 ist exemplarisch starr mit der Eingangswelle 13 verbunden und über deren Lagerung, exemplarisch die Kugellager 16, 17, zusammen mit der Antriebsscheibe 14 um dieselbe Achse A drehbar aufgehängt. Die Steuerscheibe 25 kann ferner zusammen mit der Antriebsscheibe 14 zwischen den Lagerstellen eingeschlossen sein, wie dies in den Zeichnungen exemplarisch gezeigt ist.

Die Steuerscheibe 25 ist exemplarisch ferner von einem Koppler 27 umschlossen. Der Koppler 27 kann wie dargestellt eine innere zylindrische Aufnahmebohrung aufweisen, die in Ausgestaltungen eine Gleitpassung mit der gleichfalls zylindrisch ausgebildeten Mantelhüllfläche der Steuerscheibe 25 bilden kann. Das kann eine weitere Lagerung des Kopplers 27 in Bezug auf die koaxiale Ausrichtung zur Drehachse A erübrigen. Ferner kann der Koppler 27 durch geeignete Vorkehrungen in Bezug auf die Achse A drehstarr im Gehäuse stehen. Dies wird in der exemplarischen Situation durch eine seitliche Abflachung 28 erreicht, die sich an einer Gegenfläche abstützt. Exemplarisch ist diese Gegenfläche an einer im Gehäuse axial feststehenden Schwenkhülse 20 ausgebildet. Die Schwenkhülse 20 stützt mit einer rückseitigen unteren Bundfläche 30 die Abflachung 28 am Koppler 27 ab. Da die Bundfläche 30 senkrecht zur Schwenkachse der Schwenkhülse 20 verläuft, ist die Abstützung des Koppler 27 von kleinen Schwenkbewegungen der Schwenkhülse 20 nicht betroffen.

In einer Querbohrung des Kopplers 27 ist ein Zylinderstift 31 angeordnet, der sich bis in die zylindrische Aufnahmebohrung des Kopplers 27 und die darin eingeschlossene Axialkulisse 26 hinein fortsetzt. Durch diesen Eingriff zwischen Zylinderstift 31 und Axialkulisse 26 ist die axiale Lage des Kopplers 27 entlang der Achse A festgelegt. Aufgrund der Gestalt der Axialkulisse 26 wird bei einer Drehung der Steuerscheibe 25 der Koppler 27 eine periodische translatorische Bewegung entlang der Achse A ausführen.

Das von der Steuerscheibe 27 abstehende Ende des Zylinderstifts 31 ragt über die Abflachung 28 hervor und setzt sich bis in eine Nut 32 hinein fort, die in der der rückseitigen unteren Bundfläche 30 der Schwenkhülse 20 ausgebildet ist. Der Verlauf dieser Nut 32 ist zur radialen Richtung bezüglich der Schwenkachse der Schwenkhülse 20 um einen geeigneten Winkel schräg gestellt. Die in Bezug auf diese Schwenkachse radial verlaufende periodische Bewegung des Zylinderstifts 31 bewirkt somit eine mehr oder weniger ausgeprägte Schwenkbewegung der Schwenkhülse 20 in ihrer Lagerung im Gehäuse 5. Anstelle der exemplarischen Kombination aus der Nut 32 und dem darin geführten Zylinderstifts 31 kann offenbar jede andere Art einer Längsprofilierung genutzt werden, die ausreichend tolerant gegen Änderungen des Eingriffswinkels ist.

Die Schwenkhülse 20 ist an ihrem von der Achse A abgewandten Ende über eine Freilaufkupplung mit dem Drehmitnehmer 11 verbunden, um die Schwenkbewegung der Schwenkhülse 20 nur in einer Richtung auf den Drehmitnehmer 11 zu übertragen. Dadurch wird die an sich periodische Bewegung der Schwenkhülse 20 in eine schrittweise voranschreitende Drehbewegung des Drehmitnehmers 11 umgewandelt.

In der exemplarischen Ausführung umfasst die Freilaufkupplung zwei gegeneinander anliegende Stirnseitenverzahnungen 33, 34. Die erste Stirnseitenverzahnung 33 befindet sich rückseitig am Drehmitnehmer 11 gegenüberliegend zu der Zahnstruktur 12. Die zweite Stirnseitenverzahnungen 34 befindet sich an einem separaten Kupplungsring 35, der axial verschieblich in einer Klauenstruktur 41 an der Schwenkhülse 6 aufgenommen ist. Wenn, wie in der exemplarischen Situation, eine Rückstellfeder 24 für den Spreizdorn 9 vorgesehen ist, kann dieser auf dem Kupplungsring 35 abgestützt sein. Dadurch erbringt die Rückstellfeder 24 zugleich die Kontaktkraft für die Stirnseitenverzahnungen 33, 34.

Wie dargestellt kann eine Federscheibe 37 zwischen dem Drehmitnehmer 11 und dem Kupplungsring 35 zur teilweisen Entlastung der Stirnseitenverzahnungen 33, 34 von der Kraft der Rückstellfeder 24 vorgesehen sein. Diese teilweise Entlastung kann dazu dienen, das zwischen den Stirnseitenverzahnungen 33, 34 auftretende Gleitreibungsmoment abzusenken. Insbesondere kann dieses Gleitreibungsmoment dadurch so weit reduziert werden, dass es unterhalb des zwischen den Gleitflächen am Drehmitnehmer 11 und dem Flanschgehäuse 8 auftretenden Gleitreibungsmoments zurückbleibt, wodurch die Zuverlässigkeit des Freilaufs beim Weiterschalten der Stirnseitenverzahnungen 33, 34 auf den nächsten Zahneingriff erhöht werden kann.

Gemäß Fig. 4 erzielt eine Modifikation der Baugruppe X in der Ausführung gemäß Fig. 2 und 3 eine von der Stellung des Spreizdorns 9 unabhängige federnde Vorbelastung der Stirnseitenverzahnungen in der Freilaufkupplung durch einen topfförmigen Korb 38, gegen dessen Unterseite sich die Rückstellfeder 24 des Spreizdorns 9 abstützt. Der topfförmige Korb 38 ist mit der Oberseite drehbar axial gegen einen Bund im Flanschgehäuse 8 abgestützt. Die Schwenkbewegung der Schwenkhülse 20 wird über einen Eingriff ihrer Klauenstruktur 36 in Ausschnitte am Umfang des topfförmigen Korbs 38 auf diesen übertragen. Innerhalb des topfförmigen Korbs 38 sind ein Drehmitnehmer 39 und ein Kupplungsring 40 angeordnet. Der Drehmitnehmer 39 ist durch eine axiale Außenprofilierung im topfförmigen Korb 38 verschiebbar gehalten und an dessen Schwenkbewegung angeschlossen. In der exemplarischen Situation ist eine Wellfeder 41 vorgesehen, um den Drehmitnehmer 39 gegen den Kupplungsring 40 vorzuspannen. Die Rückstellfeder 24 und die Wellfeder 41 können so ausgelegt werden, dass unabhängig von der Einstellung der Stirnseitenverzahnungen von Drehmitnehmer 39 und Kupplungsring 40 der topfförmige Korb 38 durch die Kraft der Rückstellfeder 24 in der Anlage gegen den Bund im Flanschgehäuse 8 gehalten wird. In diesem Fall wird die Vorspannung der Stirnseitenverzahnungen gegeneinander allein durch die Wellfeder 41 bestimmt.

Der in der exemplarischen Antriebseinheit konkret gewählte Aufbau der Freilaufkupplung mit Stirnseitenverzahnungen 33, 34 kann in Abwandlungen offensichtlich durch andere von der Funktion gleichwertige Freiläufe ersetzt werden. Dabei können andere indexierende oder kontinuierliche Freiläufe entsprechend dem gewünschten Ergebnis eingesetzt werden. Indexierende Freiläufe haben diskrete auf dem Kreis verteilte Sperrpositionen und erlauben dadurch nur eine endliche Anzahl von relativen Winkelstellungen zwischen den gekoppelten Teilen. Kontinuierliche Freiläufe wie beispielsweise Klemmrollenfreiläufe können beliebig viele relative Winkelstellungen einnehmen.

Kupplungsring, modifiziert > 40

Bezugszeichen Wellfeder > 41

Antriebseinheit 1 Drehantrieb 2 Schritt- und Pendelgetriebe 3 Mechanischer Anschluss > 4 Gehäuse 5 Drehantrieb, Ausgangswelle 6 Befestigungsflansch 7 Flanschgehäuse 8 Spreizdorn 9 Spreizdorn, konischer Abschnitt 10 Drehmitnehmer 11 Drehmitnehmer, Zahnstruktur 12 Eingangswelle 13 Antriebsscheibe 14 Antriebskurvenbahn 15 Kugellager 16 Kugellager 17 Rolle 18 Spreizdorn, rückseitiger Abschnitt > 19 Schwenkhülse 20 Flanschgehäuse, Langlöcher 21 Bolzen 22 Spreizdorn, Befestigungsaugen 23 Rückstellfeder 24 Steuerscheibe 25 Steuerscheibe, Axialkulisse 26 Koppler 27 Koppler, Abflachung 28 Schwenkhülse, Bundfläche 30 Zylinderstift 31 Nut Stirnseitenverzahnung 33 Stirnseitenverzahnung 34 Kupplungsring Schwenkhülse, Klauenstruktur 36 Federscheibe 37 Topfförmiger Korb 38 Drehmitnehmer, modifiziert 39