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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Werkzeug, insbesondere ein chirurgisches Instrument zum Übertragen von Drehmomenten mit einem Drehmomentbegrenzer.
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Es sind verschiedene Werkzeuge und Instrumente bekannt, mit denen Drehmomente ausgeübt bzw. übertragen werden. Als Beispiel seien hier Schraubendreher oder Ratschenwerkzeuge zum Festziehen bzw. Lösen von Schraubmuttern genannt. Dabei kommt es bei derartigen Werkzeugen und Instrumenten häufig darauf an, dass ein maximal zulässiges, zu übertragendes Drehmoment nicht überschritten wird. Dies gilt insbesondere für das Festziehen von Schrauben oder Schraubmuttern, da dort bei Übersteigen eines kritischen Drehmomentes z. B. Schraubenköpfe abreißen, Gegengewinde zerstört werden, bei selbstschneidenden Schrauben das Material, in welchem die Schraube verankert werden soll, nachgibt und zerstört wird, die Schraube ihren angestrebten Halt verliert.
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Entsprechend sind bei derartigen Werkzeugen vielfach Drehmomentbegrenzer integriert, die dann, wenn ein auf einem Antriebsglied anliegendes Drehmoment eine maximal zulässige Größe übersteigt, eine Kraftkopplung hin zu einem Abtriebsglied, mit welchem das Drehmoment weitergegeben wird, auf beispielsweise eine Schraube, abreißen lässt und mithin die Übertragung eines höheren Drehmomentes unterbinden.
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Derartige Drehmomentbegrenzer sind nicht lediglich aus dem Bereich des „üblichen” Werkzeuges, seien dies Handwerkzeuge oder motorisch angetriebene Werkzeuge wie etwa Schlagschrauber für Radmuttern und -schrauben von Kraftfahrzeugen, bekannt, sondern auch aus dem Bereich der medizinischen Instrumente und Werkzeuge. Auch dort gilt es, beispielsweise in der Unfallchirurgie, wenn nach einem Knochenbruch Knochenfragmente mit Knochenplatten zu überbrücken und die Knochenplatten über Knochenschrauben in den Knochenfragmenten zu fixieren sind, zuvor festgelegte Maximaldrehmomente nicht zu übersteigen. Weitere Beispiele aus der Medizin betreffen die Verankerung von Endoprothesen am Knochen, wie beispielsweise künstliche Hüftpfannen am Beckenknochen, die ebenfalls mittels Knochenschrauben erfolgen kann und bei der gleichfalls das Übersteigen eines maximal vorgegebenen Drehmomentes nicht nur nicht erwünscht ist, sondern auch nicht erfolgen darf, um nicht die Primärstablilität des endoprothetischen Elementes durch unerwünschte Effekte, wie z. B. Abriss eines Schraubenkopfes, Aussprengen der Schraube aus dem Verankerungsmaterial Knochen oder dgl., zu gefährden.
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Es sind im Stand der Technik verschiedene Konstruktionsmuster von in Werkzeugen zum Übertragen von Drehmomenten verwendeten Drehmomentbegrenzern bekannt. Am weitesten verbreitet und am geläufigsten sind solche Drehmomentbegrenzer, bei denen zwischen Antriebsglied und Abtriebsglied eine Kupplung angeordnet ist, welche zwei Kraftkopplungselemente aufweist, die mittels einer in Richtung der Drehachse wirkenden Axialfeder aufeinander zu gespannt sind, die bei Übersteigen eines vorgegebenen maximalen Drehmomentes unter axialer Wegverlagerung und weiterem Spannen der Axialfeder sich voneinander lösen und eine weitere Übertragung eines Drehmomentes verhindern. Derartige Drehmomentbegrenzer sind z. B. in der
DE 101 24 573 A1 und in der
GB 2191128 A offenbart. Die dort gezeigten Drehmomentbegrenzer sind mit einer Vielzahl von Einzelteilen gebildet und insoweit komplex in ihrem Aufbau. Insbesondere dann, wenn ein solcher Drehmomentbegrenzer z. B. zu Zwecken der Reinigung und Sterilisation, wie sie für medizinische Instrumente mit solchen Drehmomentbegrenzern erforderlich sein kann, zerlegbar zu gestalten ist, erweisen sich derartige Kleinteiligkeiten als hinderlich.
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Eine Variante, bei der eine ebenfalls in axialer Richtung der Drehachse wirkende Druckfeder auf ein erstes Kupplungsglied in axialer Richtung wirkt, dieses Kupplungsglied die Kupplungskraft in radiale Richtung umlenkt, ist in der
EP 1 110 512 A1 offenbart. Offenbart ist dort explizit ein medizinisches Werkzeug mit einem Drehmomentbegrenzer. Aber auch dort ist der Drehmomentbegrenzer insgesamt kleinteilig und vielteilig aufgebaut, weist insoweit die oben bereits bezeichneten Nachteile und Unzulänglichkeiten auf.
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Ein weiterer, ebenfalls für chirurgische, also medizinische, Anwendungen offenbarter Drehmomentbegrenzer ist in der
DE 203 14 010 U1 beschrieben und offenbart. Dort durchläuft ein zu einem ersten Element, beispielsweise dem Antriebsglied, gehörendes Stangenelement eine dieses umschließende Hülse, die zu dem zweiten Element, beispielsweise dem Abtriebsglied, gehört, entlang der Drehachse. An dem Stangenelement ist eine Umfangsverzahnung angeordnet, von der Wand der Hülse aus erstrecken sich in radialer Richtung federnde Mitnahmebleche, die mit der Verzahnung kämmen und von dieser mitgenommen werden können. Übersteigt das Drehmoment ein zulässiges Maß, so weichen die Mitnahmebleche in tangentialer Richtung federnd aus, es entsteht ein Schlupf zwischen Antriebsglied und Abtriebsglied, höhere Drehmomente werden nicht übertragen.
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In der
EP 2 311 397 A1 ist ein weiterer Drehmomentbegrenzer, der erneut insbesondere für eine Anwendung mit chirurgischen Instrumenten vorgesehen ist, offenbart. Bei dem dort offenbarten Drehmomentbegrenzer sind, angeordnet in einem Wälzkörperkäfig, massive Wälzkörper vorgesehen, die sich in axialer Richtung entlang der Drehachse erstrecken. Entweder an der Außenwand einer diesen Käfig umgebenden Hülse oder in einem Abschnitt an einem in dieser Hülse verlaufenden Stab sind Einkerbungen bzw. ist eine Verzahnung angebracht, mit Abständen zwischen zwei benachbarten Zähnen, in denen die Wälzkörper mit einem Umfangsabschnitt aufgenommen werden können. Von dem jeweils gegenüberliegenden Teil, also von der innen liegenden Stange bzw. der außen liegenden Hülse her drücken von einem Federeinsatz gebildete Federzungen gegen die Wälzkörper und sorgen so für einen Kraftschluss in radialer Richtung. Übersteigt nun ein zu übertragendes Drehmoment einen maximal zulässigen Höchstwert, so weichen die Federzungen nach außen, d. h. von der gegenüberliegenden, verzahnten Oberfläche weg, aus, so dass sich die Verzahnung unter den Wälzkörpern „wegdreht”, ein freies Mitdrehen bzw. ein Schlupf entsteht und kein weiteres Drehmoment mehr übertragen wird. Der in dieser Druckschrift gezeigte Drehmomentbegrenzer arbeitet zwar bereits mit dem Prinzip der radialen Kraftkopplung, welches auch die Erfindung aufgreift, er ist jedoch nach wie vor vergleichsweise vielteilig und entsprechend in der Montage und Demontage mühsam handzuhaben, insbesondere wenn er zerlegbar gestaltet sein soll.
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Der vorliegenden Erfindung liegt mithin die Aufgabe zugrunde, ein Werkzeug, insbesondere ein chirurgisches Instrument bzw. medizinisches Werkzeug mit einem Drehmomentbegrenzer anzugeben, der ein Drehmoment bis zu einem Maximalwert zuverlässig überträgt, eine Übertragung eines höheren Drehmomentes zuverlässig ausschließt und der ferner mit einer geringen Anzahl von Einzelteilen einfach und robust aufgebaut ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Drehmomentbegrenzer mit den Merkmalen des Schutzanspruches 1. Vorteilhafte Weiterbildungen eines solchen erfindungsgemäßen Drehmomentbegrenzers sind in ihren optionalen Merkmalen in den Ansprüchen 2 bis 7 näher bezeichnet.
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Zunächst einmal hat ein erfindungsgemäßes Werkzeug, insbesondere chirurgisches Instrument einen Drehmomentbegrenzer, der in Übereinstimmung mit bekanntem Stand der Technik, insbesondere dem aus der
EP 2 311 397 A1 bekannten Stand der Technik, ein Antriebsglied, ein Abtriebsglied und eine Übertragungsanordnung aufweist. Auf das Antriebsglied wirkt im Betrieb des Drehmomentbegrenzers ein bezüglich einer Drehachse wirkendes Drehmoment, wird auf dieses aufgebracht. Das Aufbringen eines Drehmomentes kann dabei motorisch, aber insbesondere auch per Hand erfolgen.
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Von dem Antriebsglied wird das Drehmoment auf das Abtriebsglied übertragen, von wo aus es weitergeleitet wird bis zu seinem „Verwendungsort”, z. B. aufgebracht auf den Kopf einer zu rotierenden Schraube, wenn der erfindungsgemäße Drehmomentbegrenzer für einen Schraubendreher verwendet wird. Die Übertragung des Drehmomentes von dem Antriebsglied auf das Abtriebsglied erfolgt über die Übertragungsanordnung, die wenigstens einen Wälzkörper enthält. Wie bereits im Stand der Technik bekannt (vgl. insbesondere
EP 2 311 397 A1 ) sind auch bei dem erfindungsgemäß in dem Werkzeug verwirklichten Drehmomentbegrenzer Antriebsglied, Abtriebsglied und Übertragungsanordnung so eingerichtet und angeordnet, dass eine Kraftkopplung zwischen Antriebsglied und Abtriebsglied zur Drehmomentübertragung in einer radialen Richtung erfolgt und dass ein Federelement vorgesehen ist, welches bei Übersteigen eines maximalen Drehmomentes ausweicht und die radiale Kraftkopplung unterbricht. Ferner – und auch dieses Merkmal weist der aus dem Stand der Technik bekannte Drehmomentbegrenzer gemäß
EP 2 311 397 A1 auf, verfügt zumindest eines der Elemente Antriebsglied und Abtriebsglied über eine dem jeweils anderen dieser Elemente zugewandten und mit dem wenigstens einen Wälzkörper der Übertragungsanordnung zusammenwirkende Übertragungsfläche, die in einem senkrecht zu der Drehachse geführten Querschnitt eine von einer Kreisform abweichende Kontur hat. Dies kann z. B. eine polygonale Kontur oder aber auch die Kontur einer zahnradartigen Verzahnung sein.
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Bei dem neuartigen Drehmomentbegrenzer des erfindungsgemäßen Werkzeuges, insbesondere chirurgischen Instruments, ist der wenigstens eine Wälzkörper rohrförmig gebildet, also im Inneren und entlang seiner Längsrichtung hohl. Darüber hinaus wird die Federwirkung erzielt, indem
- i) der Wälzkörper einen federelastisch verformbaren Rohrmantel aufweist und somit selbst das Federelement bildet und/oder
- ii) der Wälzkörper über einen Lagerzapfen, der Bestandteil der Übertragungsanordnung ist, geführt ist, wobei der Lagerzapfen den Wälzkörper für dessen Rotation um seine Längsachse lagert und wobei der Lagerzapfen weiterhin aus einem federelastischen Material gebildet ist und so das Federelement bildet.
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Die beiden oben bezeichneten Möglichkeiten i) und ii) können als echte Alternativen aufgefasst werden, so dass die Federwirkung allein aus der federelastischen Verformbarkeit des Rohrmantels herrührt oder aber ausschließlich aus der Federelastizität des Lagerzapfens. Sie können aber auch in Kombination wirken mit einer Federwirkung sowohl des federelastisch verformbaren Rohrmantels als auch des Materials des Lagerzapfens. In diesem Falle wird das Federelement abstrakt gebildet sowohl durch den Rohrmantel des Wälzkörpers als auch durch den federelastischen Lagerzapfen, verteilt sich also konkret auf zwei unterschiedliche Bauteile, wird hier aber im Sinne der Anmeldung weiterhin als „ein Federelement” bezeichnet und aufgefasst.
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Gegenüber den bekannten Lösungen, insbesondere gegenüber der
EP 2 311 397 A1 , lässt sich der Drehmomentbegrenzer eines erfindungsgemäßen Werkzeuges, insbesondere chirurgischen Instruments, mit weniger Teilen und deutlich vereinfacht aufbauen, ist in seiner Konstruktion robust und in seiner Wirkweise erwiesenermaßen zuverlässig. Denn dann, wenn die in der
EP 2 311 397 A1 als massive Wälzkörper gezeigten Wälzkörper wie erfindungsgemäß vorgesehen rohrförmig gebildet und die Federwirkung allein aus der Elastizität des Rohrmantels abgeleitet ist, bedarf es keines weiteren zusätzlichen Federelementes, wie dies der mit Federzungen ausgebildete Federeinsatz in der
EP 2 311 397 A1 ist.
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Aber auch die zweite Möglichkeit, das Federelement zu bilden bzw. einen Bestandteil davon zu schaffen, wie sie in dem Merkmal ii) gemäß Anspruch 1 gegeben ist, bietet eine konstruktive Vereinfachung. Denn der Lagerzapfen kann beispielsweise als Bestandteil eines Wälzkörperkäfigs geschaffen sein, eines Elementes welches auch in der
EP 2 311 397 A1 in der dort gezeigten Lösung ohnehin Bestandteil des Drehmomentbegrenzers ist. Da die Federkraft dann zumindest zum Teil aus den Lagerzapfen herrührt, kann auch bei dieser Variante, wie auch bei Kombinationsvarianten, ein zusätzliches Federelement entfallen.
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Der einfache Aufbau mit wenigen Teilen ist bereits bei der erstmaligen Montage und damit insgesamt bei der Herstellung des in dem erfindungsgemäßen Werkzeug, insbesondere chirurgischen Instrument, vorgesehenen Drehmomentbegrenzers von Vorteil. Dieser Umstand kommt weiterhin vorteilhaft zur Geltung, wenn der Drehmomentbegrenzer, wie gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen (vgl. Anspruch 6) zerlegbar ist. Denn so müssen für ein Zerlegen des Drehmomentbegrenzers nur wenige Teile voneinander getrennt werden, die wiederum auf einfache Weise gereinigt und sterilisiert werden können. Das erneute Zusammenfügen bzw. die Montage des Drehmomentbegrenzers ist ebenfalls aufgrund der geringen Anzahl beteiligter Teile einfach gehalten.
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Der Drehmomentbegrenzer in dem erfindungsgemäßen Werkzeug, insbesondere chirurgischen Instrument kommt, wie dies z. B. auch bereits bei dem Drehmomentbegrenzer gemäß
EP 2 311 397 A1 der Fall war, ohne Schmierstoffe und dgl. aus, läuft insbesondere also gänzlich trocken. Dies ist insbesondere in Anwendungen im medizinischen Bereich, wenn es sich bei dem Werkzeug mit dem Drehmomentbegrenzer also um ein chirurgisches oder sonstiges medizinisches Instrument handelt, von Vorteil. Denn dort sind mit Schmierstoffen versehene Drehmomentbegrenzer nicht praktikabel oder hinnehmbar, da derartige fließfähige Medien aus dem Drehmomentbegrenzer austreten und während eines medizinischen Eingriffes den Patienten kontaminieren können mit nicht absehbaren Folgen für dessen Gesundheit.
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Bei dem in dem erfindungsgemäßen Werkzeug, insbesondere chirurgischen Instrument, verwirklichten Drehmomentbegrenzer kann eines der Elemente Antriebsglied und Abtriebsglied eine entlang der Drehachse verlaufende Stange, das andere der genannten Elementen eine diese Stange konzentrisch umgebende Hülse sein. So kann beispielsweise, wenn das Antriebsglied die Hülse und der Drehmomentbegrenzer in einem von Hand zu betätigenden Werkzeug verwendet ist, die Hülse in einem Handgriff integriert, z. B. mit einem Kunststoffmaterial spritzumgossen sein, während die Stange das Abtriebsglied bildet und an einem freien Ende z. B. eine Bitaufnahme für Schraubenbits aufweisen kann. Selbstverständlich ist auch die umgekehrte Ausrichtung denkbar, bei der die Stange das Antriebsglied, die Hülse, das Abtriebsglied bildet. Zwischen der Stange und der Hülse ist die Übertragungsanordnung angeordnet mit der erfindungsgemäß radial geführten Kraftkupplung.
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In der Ausgestaltung mit einer Stange und einer Hülse als Elemente Antriebsglied und Abtriebsglied kann mit Vorteil die Stange in einem die Übertragungsfläche dieses Elementes (sei es in einer Anordnung als Antriebsglied oder in einer Anordnung als Abtriebsglied) bildenden Abschnitt einen polygonalen Querschnitt, insbesondere einen Sechskantquerschnitt, aufweisen und die Hülse eine glattwandige, im Querschnitt kreisförmige, der Stange zugewandte Innenfläche. Ferner ist bei dieser bevorzugten Ausführungsvariante der wenigstens eine Wälzkörper zwischen der Übertragungsfläche und der Innenfläche angeordnet und liegt an beiden genannten Flächen an. Bei dieser Variante bewirkt allein der Wälzkörper bzw. bewirken mehrere solche Wälzkörper eine Übertragung des Drehmomentes vom Antriebsglied auf das Abtriebsglied. Dazu sind die Dimensionierungen von Hülse, Wälzkörper und polygonalem Querschnitt der Stange entsprechend in enger Toleranz so aufeinander abgestimmt, dass bei einer Rotation des einen Elementes Stange oder Hülse, welches als Antriebselement dient, der Wälzkörper in eine gegenläufige Rotation versetzt wird und über diese wiederum das andere Element, Hülse oder Stange als Abtriebselement antreibt. Selbstverständlich kann eine Konstruktion hier auch in umgekehrter Weise vorgenommen werden, indem eine von einer Kreisform abweichende, polygonale Querschnittsfläche auf der Innenseite der Hülse vorgesehen ist, die Außenfläche der Stange einen kreisförmigen und glatten Durchmesser aufweist.
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Eine weitere Verbesserung in einer besonderen Ausführungsvariante kann für den erfindungsgemäß in dem Werkzeug, insbesondere chirurgischen Instrument, verwendeten Drehmomentbegrenzer dadurch erzielt werden, dass die Übertragungsanordnung wenigstens zwei, vorzugsweise mehr als zwei, Wälzkörper und einen Wälzkörperkäfig aufweist, der die Wälzkörper in ihren Positionen relativ zueinander hält und der zudem freilaufend ist, der insbesondere also weder mit dem Antriebsglied, noch mit dem Abtriebsglied zur Rotation gekoppelt ist. Ein solcher Wälzkörperkäfig sichert die Funktionalität und erleichtert die Montage des in dem erfindungsgemäßen Werkzeug, insbesondere chirurgischen Instrument, gebildeten Drehmomentbegrenzers. Der Umstand, dass er freilaufend ausgebildet ist, bewirkt ein Minimum an Reibung, so dass der Einfluss des mitlaufenden Wälzkörperkäfigs auf die Einhaltung der Drehmomentgrenze minimal bleibt. Anderenfalls wären durch etwaige Reibungsverluste Hystereseeffekte oder Verzögerungen im „Auskuppeln” des Drehmomentbegrenzers zu befürchten, beides Effekte, die unerwünscht sind.
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Das mit der Erfindung wird angegebene neuartige Werkzeug, insbesondere medizinische oder chirurgische Instrument bzw. Werkzeug, zum Übertragen von Drehmomenten ist insbesondere ein handbetätigtes Werkzeug.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Dabei zeigen:
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1 in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht ein erfindungsgemäßes medizinisches Werkzeug in Form eines für operative Einsätze zu verwendenden Schraubendrehers mit einem nach der Erfindung gestalteten Drehmomentbegrenzer in einer ersten Ausgestaltungsvariante;
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2 in einer Explosionsdarstellung das Werkzeug mit dem Drehmomentbegrenzer aus 1;
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3 in zwei Darstellungen in einer Querschnittsansicht durch den Drehmomentbegrenzer gemäß 1 die Situation bei normalem Übertragen eines Drehmomentes sowie im Falle eines „Durchrutschens” bei einem das maximale Drehmoment übersteigenden Drehmoment;
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4 in einer Explosionsdarstellung vergleichbar der 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Werkzeuges mit erfindungsgemäßem Drehmomentbegrenzer in einer zweiten Variante;
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5 eine Ausschnittsdarstellung aus dem Drehmomentbegrenzer gemäß der zweiten Ausführungsvariante;
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6 eine Schnittdarstellung durch den Drehmomentbegrenzer gemäß der zweiten Ausgestaltungsvariante;
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7 eine den 2 bzw. 4 vergleichbare Explosionsdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Werkzeuges mit einer dritten Variante eines erfindungsgemäßen Drehmomentbegrenzers;
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8 einen mit Lagerstiften versehenen Haltekäfig für die rohrförmigen Wälzkörper aus dem dritten Ausführungsbeispiel eines Drehmomentbegrenzers gemäß 7;
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9 in zwei Darstellungen a und b jeweils in einem Querschnitt durch den Drehmomentbegrenzer des dritten Ausführungsbeispiels die Lage der Wälzkörper und weiterer Elemente bei normaler Übertragung des Drehmomentes (9a) und bei „Durchrutschen” bei einem anliegenden, das maximal zulässige Drehmoment übersteigenden Drehmoment (9b); und
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10 einen vergrößerten Ausschnitt aus 9b zur nochmaligen Veranschaulichung der Funktionsweise des Drehmomentbegrenzers in der dritten Ausgestaltungsvariante.
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In den Figuren sind insgesamt drei mögliche Gestaltungsformen für einen in einem erfindungsgemäßen Werkzeug, insbesondere chirurgischen Instrument, integrierten Drehmomentbegrenzer und ein mit einem solchen ausgestattetes, erfindungsgemäßes Werkzeug, insbesondere ein medizinisches, vorzugsweise chirurgisches, Instrument, gezeigt. Eine erste Ausgestaltungsvariante ist in den 1 bis 3b dargestellt, eine zweite Ausgestaltungsvariante in den 4 bis 6 gezeigt und eine dritte Ausgestaltungsvariante in den 7 bis 10 dargestellt.
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Zunächst wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 die erste Ausgestaltungsvariante in ihrer Wirkung beschrieben. Soweit die Beschreibung dieser ersten Ausgestaltungsvariante hinsichtlich ihrer Wirkweise oder im Hinblick auf einzelne Elemente gleichgeartet ist mit den weiteren, im Anschluss beschriebenen Ausgestaltungsvarianten, kann und soll im Anschluss auf die Beschreibung zu dieser ersten Ausführungsvariante Bezug genommen werden, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden.
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In 1 ist als ein mögliches Ausführungsbeispiel eines mit einem besonders ausgestalteten Drehmomentbegrenzer versehenen erfindungsgemäßen Werkzeuges ein Schraubendreher 100 gezeigt in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht. Bei dem Schraubendreher 100 handelt es sich um einen solchen für medizinische, insbesondere chirurgische Anwendungen, beispielsweise um Knochenschrauben unter einer Operation in das Knochenmaterial eines Patienten einzuschrauben oder aber aus diesem zu lösen.
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Der Schraubendreher 100 weist in üblicher Weise ein Griffteil 101 auf, an welchem der Schraubendreher 100 ergriffen und über welches ein Drehmoment auf diesen aufgebracht wird.
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An dem Griffteil 101 angeordnet ist ein Drehmomentbegrenzer 1, über den ein auf das Griffteil 101 in Bezug auf die Drehachse D, die zugleich die Längsachse des Schraubendrehers 100 ist, aufgebrachtes Drehmoment bis hin zu einem Sechskantschraubanschluss 102 übertragen wird, solange dieses Drehmoment ein maximales Drehmoment nicht übersteigt. Übersteigt das auf das Griffteil 101 aufgebrachte Drehmoment ein maximales Drehmoment, unterbricht der Drehmomentbegrenzer 1 in nachfolgend noch näher zu beschreibender Weise die Übertragung in Richtung des Sechskantschraubanschlusses 102.
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Der Drehmomentbegrenzer 1 umfasst ein Antriebsglied, hier in Form einer äußeren Hülse 2, welche mit dem Griffteil 101 fest verbunden ist, z. B. verschraubt, verschweißt, verklebt oder in sonstiger Weise lösbar oder unlösbar verbunden. Auf der dem Griffteil 101 in Richtung der Drehachse D gegenüberliegenden Seite ist die Hülse 2 mit einer Stirnwand 3 teilweise verschlossen bis auf eine zentrale Öffnung 4. Eine Stange 5 bildet das Abtriebsglied, auf welches ein über das Griffteil 101 auf das Antriebsglied, die Hülse 2, aufgebrachtes Drehmoment vermittels einer Übertragungsanordnung 6 übertragen wird. Die Stange 5 durchragt die zentrale Öffnung 4 in der Stirnwand 3 der Hülse 2 und sitzt mit einem nagelkopfartig verdickten Ende 7 in einer zentralen Vertiefung 103 des Griffteils 101.
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In einem im montierten Zustand innerhalb der Hülse 2 gelegenen Abschnitt weist die Stange 5 einen mit einer polygonalen Querschnittsaußenfläche versehenen Bereich 8 auf, der in diesem Ausführungsbeispiel einen regelmäßig sechseckigen Querschnitt aufweist. An einem vorderseitigen, dem verdickten Ende 7 gegenüberliegenden Ende der Stange 5 ist der Sechskantschraubanschluss 102 angeformt. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Sechskantschraubanschluss 102 fest an der Stange 5 angeformt. Stattdessen kann jedoch auch dort eine Bitaufnahme zur Montage verschiedener Schraubbits mit unterschiedlichen Formen und Größen für Schlitzschrauben, Kreuzschrauben, Innensechskantschrauben oder für mit sonstigen Werkzeugansätzen versehene Schrauben vorgesehen sein.
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Auf dem rückwärtigen Ende der Stange 5 sitzt innerhalb der Hülse 2 ein Wälzkörperkäfig 9. Dieser wird ebenfalls von dem rückwärtigen Ende der Stange 5 durchragt, wobei an einem dem Griffteil 101 zugewandten Ende des Wälzkörperkäfigs 9 durch Längsschlitze getrennt ausgebildete Rastzungen 10 gebildet sind, die beim Zusammenfügen des Drehmomentbegrenzers 1, also beim Einführen des verdickten Endes 7 in die Hülse 2 und durch den Wälzkörperkäfig 9, das verdickte Ende 7 der Stange 5 passieren lassen unter Auslenkung nach außen und nach Passieren des verdickten Endes 7 rastend zurückspringen, dadurch den Wälzkörperkäfig 9 auf dem Ende der Stange 5 halten.
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Der Wälzkörperkäfig 9 weist drei Aufnahmebereiche 11 für jeweils einen Wälzkörper 12 auf. Mithin enthält der Drehmomentbegrenzer 1 des Schraubendrehers 100 drei Wälzkörper 12. Diese sind zylinderförmig gebildet, jedoch nicht als massive Zylinder, sondern rohrförmig mit einer umlaufenden Mantelwand.
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Insbesondere in 3a ist gut zu erkennen, wie in einem Normalzustand, in welchem über den Drehmomentbegrenzer von dem Antriebselement, der Hülse 2, zu dem Abtriebselement, der Stange 5, in 3 in ihrem Bereich 8 mit sechskantigem Querschnitt dargestellt, ein Drehmoment übertragen wird. Die Wälzkörper 12, die rohrförmig gebildet sind, liegen eng an der kreisförmig gebildeten und glatten Innenwand der Hülse 2 an und zugleich an den von der Innenwand der Hülse 2 am meisten entfernten Punkten zwischen benachbarten Ecken bzw. Kanten des Bereiches 8 mit sechseckigem Querschnitt der Stange 5. Wird nun die Hülse 2 als Antriebselement in Rotation um die Drehachse D versetzt, so rollen die Wälzkörper 12 auf der glatten Innenfläche der Hülse 2 in entgegen gesetzter Richtung ab. Da die Wälzkörper 12 nicht über die näher an der Innenwand der Hülse 2 gelegenen Ecken bzw. in axialer Richtung der Drehachse gesehenen Kanten des Bereiches 8 hinwegrollen können, drücken sie so gegen diese Kanten und treiben die Stange 5 zu einer Rotation in Richtung des Drehsinnes an, mit dem auch die Hülse 2 angetrieben wird. Zur definierten Trennung und Aufteilung der Positionen der insgesamt drei Wälzkörper 12 relativ zueinander ist der Wälzkörperkäfig 9 vorgesehen, der locker über die Stange 5 geführt ist und mit Spiel der Innenwand der Hülse 2 gegenüberliegt, sich insoweit frei bewegen kann, also freilaufend ist.
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Der Kraftschluss zwischen der Hülse 2, also dem Antriebsglied, und der Stange 5 mit ihrem Bereich 8, also dem Abtriebsglied, erfolgt hier in radialer Richtung aufgrund der gewissen Steife und Formstabilität der Wälzkörper 12. Die Mantelwände der Wälzkörper 12 sind jedoch aus einem elastischen Material, beispielsweise einem elastischen Stahl gebildet und so dimensioniert, dass sie bei Übersteigen einer ein maximal zu übertragendes Drehmoment repräsentierenden Kraft verformbar sind.
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Übersteigt nun also ein auf die Hülse 2 aufgebrachtes Drehmoment ein maximales Drehmoment, so gleitet unter federnder Verformung der Mäntel Wälzkörper 12 der Bereich 8 mit der sechseckigen Querschnittsfläche unter den Wälzkörpern 12 durch, so dass es hier zu einem „Durchrutschen” ohne Übertragung eines Drehmomentes kommt. Diese Situation ist in 3b veranschaulicht. Über eine Dimensionierung der Wände der rohrförmig gebildeten Wälzkörper 12 und eine Wahl der Material dieser Elemente kann somit ein maximal über diese Anordnung zu übertragendes Drehmoment festgelegt und der Drehmomentbegrenzer 1 entsprechend ausgelegt werden.
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Der in diesem Ausführungsbeispiel gezeigte Drehmomentbegrenzer ist denkbar einfach aufgebaut, er besteht letztlich aus lediglich sechs Teilen, nämlich der Hülse 2, der Stange 5, dem Wälzkörperkäfig 9 und den drei Wälzkörpern 12. Er ist besonders robust und kommt ohne kleine Teile oder Schmiermittel aus. Er ist zuverlässig in seiner Wirkung und insbesondere dadurch, dass der Wälzkörperkäfig 9 ein freilaufender ist, reibungsarm und somit präzise in der Einhaltung eines maximalen Drehmomentes, bei dem er „auslöst”, also eine Relativbewegung zwischen Antriebsglied (Hülse 2) und Abtriebsglied (Stange 5) zulässt. Darüber hinaus kann er einfach zerlegt und wieder zusammengefügt werden, sofern er als zerlegbares Element gebildet ist, wenn also z. B. das Griffteil 101 von der Rückseite der Hülse 2, z. B. vermittels einer Schraubverbindung, gelöst und wieder zusammengefügt werden kann.
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Ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Werkzeuges mit einem erfindungsgemäßen Drehmomentbegrenzer ist in Form des Schraubendrehers 105 in 4 dargestellt. Dieses weist ebenfalls einen Drehmomentbegrenzer erfindungsgemäßer Bauart auf, der hier mit 21 bezeichnet ist. Auch der Schraubendreher 105 hat ein Griffteil 106 und erstreckt sich in Längsrichtung entlang einer Längsachse, die zugleich die Drehachse D ist. Auch bei diesem Schraubendreher 105 wird ein Drehmoment auf das Griffteil 106 aufgebracht und über den Drehmomentbegrenzer übertragen auf einen Sechskantschraubanschluss 107.
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In diesem Ausführungsbeispiel bildet ein fest mit dem Griffteil 106 verbundener Wälzkörperkäfig 29 das Antriebsglied des Drehmomentbegrenzers 21. Der Wälzkörperkäfig 29 ist verdrehfest in einem rückwärtig offenen Hohlraum des Griffteils 106 angeordnet, der Hohlraum durch eine auf der dem Sechskantschraubanschluss 107 gegenüberliegenden Stirnseite des Griffteils 106 aufgeschraubte Endkappe 22 verschlossen. Von dem Antriebsglied in Form des Wälzkörperkäfigs 29 wird das Drehmoment auf ein Abtriebsglied, das auch hier durch eine Stange 25 gebildet ist, übertragen. Auch hier geschieht dies mittels einer Übertragungsanordnung 26. Die Stange 25 weist einen Bereich 28 auf, in welchem diese einen von der Kreisform abweichenden, hier sechseckigen, Querschnitt hat. Im zusammengefügten Zustand reicht der Bereich 28 der Stange 5 bis hinein in das Innere der Hülse 22. Dabei durchragt die Stange 25 den Wälzkörperkäfig 29, der in einer Normallage parallel zur Drehachse D verlaufende Lagerzapfen 33 aufweist, welche Lagerzapfen 33 zu der Übertragungsanordnung 26 gehören. Diese Lagerzapfen 33 sind aus einem federelastischen Material gebildet, beispielsweise einem entsprechenden Stahl. Sie sind fest mit einem unteren Bereich des Wälzkörperkäfigs 29 verbunden. Auch in diesem Ausführungsbeispiel weist die Übertragungsanordnung 26 rohrförmig gebildete Wälzkörper 32 auf, die in diesem Ausführungsbeispiel nicht zylinderförmig, sondern tonnenförmig verlaufen, in ihrer Längsrichtung jedoch auch vollständig von einer Öffnung durchsetzt sind. Mit dieser Öffnung sind die Wälzkörper 32 auf die Lagerzapfen 33 aufgesetzt und können um letztere herum rotieren.
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In 5 ist veranschaulicht, wie der Drehmomentbegrenzer 21 in diesem Ausführungsbeispiel wirkt. In einer Grundstellung sind die Lagerzapfen 33 parallel zur Drehachse D ausgerichtet. Dies ist anhand des in der Figur oben dargestellten Lagerzapfens 33 veranschaulicht, indem dort zwei Längsachsen, eine parallel zur Drehachse D und eine geneigt dazu, dargestellt sind. In dieser Grundstellung liegen die Wälzkörper 32 mit bauchig vorstehenden Abschnitten an den geraden Abschnitten zwischen den Kanten des Bereiches 28 mit von der Kreisform abweichendem Querschnitt an. Wird über das Griffteil 106 ein Drehmoment auf den fest mit diesem verbundenen Wälzkörperkäfig 29 aufgebracht, so wird dieses von diesem Antriebsglied über die aus den Wälzkörpern 32 und den Lagerzapfen 33 des Wälzkörperkäfigs 29 gebildete Übertragungsanordnung 26 auf die Stange 25 als Abtriebsglied übertragen, indem die Wälzkörper 32 gegen die Flächen des Bereichs 28 mit von der Kreisform abweichenden (hier sechseckigen) Durchmesser drücken. Übersteigt nun das aufgebrachte Drehmoment einen zulässigen Wert, so ergibt sich aufgrund einer Relativverschiebung des Bereiches 28 gegenüber dem Wälzkörperkäfig 29 mit den Lagerzapfen 33 eine radial nach außen wirkende Kraft, die dann die Federkraft der Lagerzapfen 33 übersteigt und diese nach außen zwingt und verbiegt. So entsteht die wie in 5 gezeigte Position. Aufgrund der bauchigen Form der tonnenförmigen Wälzkörper 32 können die Lagerzapfen 33 mit den Wälzkörpern 32 nach außen ausweichen, ohne dass eine diese Umgebende Wand des Griffteils 106 oder der Endkappe 22 ein solches Ausweichen begrenzt. Dann jedoch gerät, wie in 6 zu erkennen ist, der Bereich 28 außer Kontakt der Wälzkörper 32 und „rutscht durch”. Auf diese Weise wird in dem vorstehend beschriebenen, zweiten Ausführungsbeispiel eine Begrenzung des Drehmomentes erreicht.
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Ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Werkzeuges mit einem erfindungsgemäßen Drehmomentbegrenzer, erneut in Form eines Schraubendrehers 110, ist in den 7 bis 10 dargestellt.
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Auch hier verfügt der Schraubendreher 110 über ein Griffteil 111 und einen Sechskantschraubanschluss 112. Auch hier ist, wie in dem vorangegangenen Ausführungsbeispielen der Sechskantschraubanschluss 112 fest angeformt, kann jedoch genauso gut als auswechselbares Bit realisiert sein, dann auch gegen andere Werkzeugformen wie z. B. einen Schlitzadapter, einen Kreuzschlitzadapter und dgl. ausgewechselt werden. Der Drehmomentbegrenzer 41 umfasst auch hier als Antriebsglied eine Hülse 42, die im zusammengefügten Zustand fest mit dem Griffteil 111 verbunden ist. Ähnlich wie in dem zuerst gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß den 1 bis 3b ist bei der Hülse 42 auch hier eine geschlossene Stirnwand 43 vorgesehen, mit einer Öffnung 44, die hier durch eine Verlängerung hindurch geführt ist, die von der Stirnwand 43 absteht. Die Hülse 42 ist also auch bei diesem Drehmomentbegrenzer das Antriebsglied. Wie in den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen bildet eine Stange 45 das Abtriebsglied des Drehmomentbegrenzers 41. Zur Übertragung des über das Griffelement 111 auf das Antriebsglied, die Hülse 42, aufgebrachten Drehmomentes auf das Abtriebsglied, die Stange 45, ist auch hier eine Übertragungsanordnung 46 vorgesehen. Diese Übertragungsanordnung enthält wie in dem ersten Ausführungsbeispiel einen Wälzkörperkäfig 49, der ähnlich wie in dem zuvor beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel Lagerzapfen 53 aufweist, die mit ihrer Längsachse parallel zur Drehachse verlaufen. Weiterer Bestandteil der Übertragungsanordnung 46 sind insgesamt drei Wälzkörper 52, die rohrförmig, in diesem Falle wiederum mit zylinderischem Verlauf, gebildet und mit ihren Öffnungen über die Lagerzapfen 53 geführt sind und um diese rotieren können. Im zusammengefügten Zustand ist die Stange 45 durch die Öffnung 44 in der Stirnseite 43 der Hülse 42 geführt, durchragt den Wälzkörperkäfig 49 bis in das Griffstück 111 hinein, wo es in nicht gezeigter Weise endet. Dabei gelangt ein Abschnitt 48 der Stange 45 mit von der Kreisform abweichendem Querschnitt, hier sechseckigen Querschnitt, in einen Bereich im Inneren des Wälzkörperkäfigs 49 zwischen die Lagerzapfen 53. In einem Normalzustand greifen dann die Wälzkörper 52 an jeweils einen der abgeflachten Abschnitt des Bereiches 48 der Stange 45 an und liegend mit dem diametral gegenüberliegenden Mantelabschnitt fest an der Innenseite der Hülse 42. In gleicher Weise wie vorstehend zum Ausführungsbeispiel gemäß der 1 bis 3b beschrieben kann dann über das Antriebsglied in Form der Hülse 42, wenn diese sich bewegt, eine Rotation zunächst auf die Wälzkörper 52 übertragen werden, welche dann ein Drehmoment auf die flachen Abschnitte in dem Bereich 48 der Stange 45 übertragen und somit das Drehmoment weiterleiten in die Stange 45. Der Wälzkörperkäfig 49 ist dabei wiederum freilaufend gelagert, wie auch schon in den vorgenannten Ausführungsbeispielen die Wälzkörperkäfige 9 und 29.
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Im Unterschied zu dem in dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel gemäß den 4 bis 6 beschriebenen Wälzkörperkäfig 29 und dessen Lagerzapfen 33 sind die Lagerzapfen 53 des Wälzkörperkäfigs 49 dieses Ausführungsbeispiels mit einem von einem Vollkreis abweichenden Querschnitt versehen. Sie sind auf ihrer im zusammengefügten Zustand dem Bereich 48 der Stange 45 zugewandten Seite abgeflacht bzw. abgeschnitten. Damit können die Wälzkörper 52 auf den Lagerzapfen 53 frei rotieren, haben jedoch auch ein Spiel in radialer Richtung. Die Wälzkörper 52 sind in diesem Ausführungsbeispiel (anders als im vorhergehenden, wo die Wälzkörper 32 starr und unflexibel waren) ähnlich wie im ersten Ausführungsbeispiel die Wälzkörper 12 mit federelastischer Mantelwand versehen.
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Die Gestaltung des Wälzkörperkäfigs 49 mit den abgeflacht ausgebildeten Lagerzapfen 53 ist vergrößert und in Einzeldarstellung noch einmal in 8 zu erkennen.
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In den 9a und 9b ist die Funktionsweise des Drehmomentbegrenzers 41 dargestellt. Ähnlich wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß den 1 bis 3b liegen in einem Normalzustand die rohrförmig gebildeten Wälzkörper 52 mit einem Abschnitt am Innendurchmesser der Hülse 42 an, mit einem diametral gegenüberliegenden Abschnitt an einem flachen Abschnitt des Bereiches 48 der Stange 45. Wird die Hülse 42 in Rotation versetzt, so übertragen sie in der oben geschilderten Weise das auf der Hülse 42 anliegende Drehmoment auf die Stange 45 über den Bereich 48. Übersteigt nun aber das Drehmoment, das auf der Hülse 42 lastet, einen maximal zulässigen Wert, so rollen die Wälzkörper 52 über die Ecken des sechseckig gebildeten Querschnittes im Bereich 48 (bzw. in der Längsrichtung gesehen über die in Längsrichtung und parallel zur Drehachse D verlaufenden Kanten), wobei sich unter Krafteinwirkung die aus einem federelastischen Material gebildeten Wälzkörper 52 verformen. Auf diese Weise rutscht hier der Drehmomentbegrenzer 41 durch und beschränkt das maximal übertragbare Drehmoment auf den durch die Materialwahl der Wälzkörper 52 vorgegebenen Wert.
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In 10, schließlich, ist noch einmal in vergrößerter Weise die Möglichkeit der Verformung des Wälzkörpers 52 auf dem Lagerzapfen 53 gezeigt mit einem entspannten und im Querschnitt kreisförmigen Wälzkörper 52 mit durchgezogener Linie und einem gegen die Rückstellkraft des federnden Materials des Wälzkörpers aus der Normalstellung ausgelenkten, oval geformten Wälzkörper 52 in gestrichelten Linien.
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Aus der obigen Figurenbeschreibung ist noch einmal deutlich geworden, welche besonderen Vorzüge das erfindungsgemäße Werkzeug bzw. medizinische oder chirurgische Instrument mit dem erfindungsgemäße Drehmomentbegrenzer besitzt. Die erfindungsgemäß gestalteten, vorstehend beschriebenen Drehmomentbegrenzer sind mit wenigen Teilen einfach aufgebaut, in ihrer Funktion robust und erlauben zuverlässig eine sehr genaue Justage des maximal übertragbaren Drehmomentes.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend genannten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern in ihrer Allgemeinheit in den nachfolgenden Ansprüchen dargelegt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Drehmomentbegrenzer
- 2
- Hülse
- 3
- Stirnwand
- 4
- zentrale Öffnung
- 5
- Stange
- 6
- Übertragungsanordnung
- 7
- verdicktes Ende
- 8
- Bereich
- 9
- Wälzkörperkäfig
- 10
- Rastzunge
- 11
- Aufnahmebereich
- 12
- Wälzkörper
- 21
- Drehmomentbegrenzer
- 22
- Endkappe
- 25
- Stange
- 26
- Übertragungsanordnung
- 28
- Bereich
- 29
- Wälzkörperkäfig
- 32
- Wälzkörper
- 33
- Lagerzapfen
- 41
- Drehmomentbegrenzer
- 42
- Hülse
- 43
- Stirnwand
- 44
- zentrale Öffnung
- 45
- Stange
- 46
- Übertragungsanordnung
- 48
- Bereich
- 49
- Wälzkörperkäfig
- 52
- Wälzkörper
- 53
- Lagerzapfen
- 100
- Schraubendreher
- 101
- Griffteil
- 102
- Sechskantschraubanschluss
- 103
- zentrale Vertiefung
- 105
- Schraubendreher
- 106
- Griffteil
- 107
- Sechskantschraubanschluss
- 110
- Schraubendreher
- 111
- Griffteil
- 112
- Sechskantschraubanschluss
- D
- Drehachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10124573 A1 [0005]
- GB 2191128 A [0005]
- EP 1110512 A1 [0006]
- DE 20314010 U1 [0007]
- EP 2311397 A1 [0008, 0011, 0012, 0012, 0015, 0015, 0015, 0016, 0018]
