DE69905859T2

DE69905859T2 - Rotierende energiespeicherungsvorrichtung und dazu gehörige werkzeuge

Info

Publication number: DE69905859T2
Application number: DE69905859T
Authority: DE
Inventors: P. Albert; R. Cooper; P. Ryan; B. Stahlman
Original assignee: Ingersoll Rand Co
Current assignee: Ingersoll Rand Co
Priority date: 1998-12-03
Filing date: 1999-11-17
Publication date: 2003-12-24
Anticipated expiration: 2019-11-18
Also published as: EA200000737A1; WO2000032359A1; US6196332B1; JP2002531777A; TW416899B; CA2318587C; CN1296436A; EP1051285A1; AU1821000A; CA2318587A1; KR20010040416A; DE69905859D1; WO2000032359A9; EA002231B1; EP1051285B1; BR9909590A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen rotierende Energiespeichervorrichtungen mit Federn und im besonderen rotierende Energiespeichervorrichtungen, die in nach dem Trägheitprinzip arbeitenden Drehmomentwerkzeugen verwendet werden können.
Federn sind Komponenten oder Vorrichtungen, die mit hohem Wirkungsgrad Energie speichern, wenn sie sich unter einer aufgebrachten Kraft, zum Beispiel Drehmoment, Kraft, Biegemoment oder irgendeiner Kombination hiervon verbiegen und geben die gespeicherte Energie wieder ab, wenn sie in ihre Originalposition zurückkehren, nachdem die aufgebrachte Kraft entfernt wurde. Ihre Haupteigenschaft besteht darin, daß sie sich entweder linear oder nicht linear proportional zu der Amplitude oder Richtung der aufgebrachten Kraft verbiegen. Es wurden unterschiedliche Typen von Federn in Maschinen und Werkzeugen eingesetzt, um Energie zu speichern, wenn sie verbiegen und um auf aufgebrachte Kräfte zu reagieren. Einige Beispiele echter Federn weisen spiralförmig gewundene Torsionsfedern, spiralförmig gewundene Druckfedern, Torsionsstäbe, Vielfachblattfedern und gasgefüllte Blasen auf. Federn werden in verschiedenen Anwendungsfällen eingesetzt, zum Beispiel bei Werkzeugen mit niedriger Reaktion zum Anziehen von mit Gewinde versehenen Befestigungsmitteln.
Diese Werkzeuge sind typischerweise Vorrichtungen, die eine rotierende Trägheitsmasse über einen relativ großen Wanderwinkel beschleunigen. Diese Beschleunigung wird erreicht durch Verwendung eines Motors mit einem Abtriebsdrehmoment, welches, verglichen mit der Abtriebsdrehmomentfähigkeit des Werkzeuges, relativ klein ist. Wenn die träge Masse beschleunigt, erzeugt sie kinetische Energie. Nachdem die träge Masse über einen signifikanten Winkel (beispielsweise 180º oder mehr) gewandert ist, verbindet eine Kupplungseinrichtung die drehende träge Masse über eine Art Torsionsfeder mit einem Werkstück. Die folgende negative Beschleunigung der trägen Masse führt zu einem Abtriebsdrehmoment, welches relativ groß ist im Vergleich zu dem, welches von dem beschleunigenden Motor abgegeben wurde. Dieses hohe Abtriebsdrehmoment wird nicht auf die Bedienungsperson abreagiert, da die Reaktion durch das Drehmoment aufgebracht wird, welches mit der negativen Beschleunigung des Schwungrades oder der trägen Masse assoziiert ist.
Um ein mit Gewinde versehenens Befestigungselement anzuziehen, muß man eine Schraube über das Aufbringen eines Drehoments drehen, um eine Verbindung fest anzuziehen. Alle Schrauben haben einen Führungs- oder Schraubenwinkel, der eine Drehung im Uhrzeigersinn erlaubt - für rechtsdrehende Befestigungselemente -, um eine Mutter oder ein Bauteil zu verdrehen, um eine Spannung in der Schraube zu erzeugen. Dieser Winkel führt dazu, daß die Schraube schwieriger zu drehen ist (zum Beispiel höheres Drehmoment), wenn eine Verbindung gegen die umgekehrte Richtung geklemmt wird, was ein Lösen einer Verbindung bedeutet. Betrachtet man ein Werkzeug mit niedriger Reaktion mit einem oszillierenden Antriebssystem, mit einer Energiespeichervorrichtung, die ein gleiches Vorwärts- und Rückwärtsdrehmoment auf das Befestigungselement aufbringt, wird dies dazu führen, daß sich die Verbindung aus den oben diskutierten Gründen löst.
In der US-Patentanmeldung Nr. 08/865,037, mit dem Titel "Resonierendes oszillierendes nach dem Massenträgheitssystem arbeitendes Drehmomentwerkzeug", ist ein resonierendes Drehmomentwerkzeug offenbart, welches dieses Problem durch Aufbringen eines Vorspanndrehmoments auf den Antriebsmotor löst, so daß das entwickelte Anzugsdrehmoment größer ist als das Lösungsdrehmoment. Dieses Vorspanndrehmoment erzeugt jedoch ein Vorspanndrehmoment auf das Werkzeuggehäuse, welches von der Bedienungsperson abgefangen werden muß. Für Werkzeuge im niedrigen Drehmomentbereich, bei denen das Vorspanndrehmoment klein sein wird, mag dies geeignet sein.
In der US-Patentanmeldung Nr. 08/865,043 mit dem Titel "Mit oszillierender Masse arbeitendes Werkzeug mit einer Feder mit zwei Steifigkeiten" wird ein resonierendes Drehmomentwerkzeug offenbart, welches eine Feder mit zwei Steifigkeiten verwendet. Wie dort gelehrt wird, hat die Feder mit zwei Steifigkeiten einen größeren Widerstand gegen Torsion (d. h. größere Steifigkeit) in der Anzugsrichtung und einen kleineren Widerstand gegen Torsion (d. h. eine weichere Steifigkeit) in der Lösungsrichtung. Die Energie, welche für das Mit- Drehmoment-anziehen eines Werkstücks verwendet wird, wird durch Oszillieren eines Massenfedersystems bei oder nahe bei seiner Resonanzfrequenz erzeugt, wobei die Einrichtung zum Vorspannen des Abtriebsdrehmoments durch die Feder mit zweifacher Steifigkeit geschaffen wird. Dieses System sorgt für ein reaktionsloses Anzugssystem durch signifikantes Reduzieren oder Eliminieren des resultierenden Nettodrehmoments auf das Werkzeuggehäuse. Im Ergebnis wird dieses System insbesondere für Werkzeuge mit höheren Drehmomenten erfolgreich eingesetzt.
Bei der Konstruktion von Federn für diese Drehmomentwerkzeuge mit niedriger Reaktion sowie auch für eine Vielzahl von anderen Anwendungen, besteht ein besonderes Merkmal darin, wie sich das aufgebrachte Drehmoment mit der Winkeländerung der Feder verändert. Federn mit zweifacher Steifigkeit, wie die, die in der US-Patentanmeldung Nr. 08/865,043 beschrieben sind, sorgen für Drehmoment-Winkelverhältnisse (d. h. Federsteifigkeiten), die sich in Abhängigkeit von der Richtung des aufgebrachten Drehmoments unterscheiden. Während sich diese Steifigkeiten in Vorwärts- und Rückwärtstorsionsrichtungen unterscheiden, sind sie in jeder Richtung nur geringfügig nicht linear und, obwohl es nicht unmöglich ist, ist es nicht einfach, das Drehmoment-Winkelverhältnis dieser Federn für unterschiedliche lineare oder nicht lineare Steifigkeitsprofile in einer oder in beiden Richtungen maßzuschneidern. Es ergibt sich der Wunsch, eine Feder vorzuschlagen, bei der das Drehmoment-Winkelverhältnis einfach abgestimmt werden könnte, um eine im wesentlichen unterschiedliche lineare oder nicht lineare Federsteifigkeit zu schaffen, wenn sie in einer oder in beiden Richtungen gebogen wird. Dies würde den Konstrukteuren und Ingenieuren eine größere Flexibilität ermöglichen, als sie durch typische Torsionsfedern oder -stäbe ermöglicht wird.
Wenn auf eine Rotationsfeder ein Drehmoment derart aufgebracht wird, so daß sie sich in einem Winkel verschiebt, wird auf die Feder Arbeit verrichtet, und die Feder speichert Energie. Wenn die Feder eine reine elastische Feder ist, kann man alle gespeicherte Energie zurückgewinnen, indem man ermöglicht, daß sich die Feder über den Verschiebungswinkel zurückdreht, und die Feder wird als mit einem 100%igen Wirkungsgrad arbeitend bezeichnet. Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines Drehmoment-Winkelverhältnisses für eine Drehfeder, die ein derartiges elastisches Verhältnis zeigt. Wenn die Feder keine rein elastische Feder ist, wie dies bei allen echten Federn der Fall ist, geht ein Teil der Energie verloren, wenn sich die Feder über den Verschiebungswinkel zurückdreht und nur ein Teil der gespeicherten Energie ist wieder gewinnbar. Fig. 2 und 3 zeigen Beispiele von Drehmoment-Winkelverhältnissen für Drehfedern mit einem inelastischen, "verlustbehafteten" Verhalten, wobei der Energieverlust durch den Bereich zwischen den beiden gezeigten Kurven dargestellt ist. In vielen Anwendungsfällen ist eine Feder mit hoher Elastizität erforderlich, während in anderen Anwendungsfällen eine Feder mit niedriger Elastizität gebraucht wird. Somit wäre es wünschenswert, eine Federkonstruktion zu schaffen, bei der der Elastizitätsgrad einfach variiert werden kann, nämlich von nahezu 100% Wirkungsgrad bis zu einem gewünschten niedrigen Wirkungsgrad.
Ein weiteres bekanntes Konstruktionskriterium ist die Belastungsfähigkeit, d. h. das Maximaldrehmoment, das auf die Energiespeichereinrichtung aufgebracht werden kann, ohne sie zu stören, ist ebenfalls von Bedeutung. Bei vielen Anwendungen ist das erforderliche Volumen zum Unterbringen der Energiespeichervorrichtung ebenfalls von Bedeutung. Somit ist also eine Energiespeichereinrichtung mit einem hohen Belastungsvermögen und einem niedrigen Packvolumen ebenfalls erwünscht.
Die FR-A-2 465 920 offenbart eine rotierende Energiespeichereinrichtung im wesentlichen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine rotierende Energiespeichervorrichtung vorgeschlagen, mit einer Welle, mit einem um die Welle drehbar angeordneten Ring und mit wenigstens einem Wälzkörper, der zwischen der Welle und dem Ring komprimiert wird, um Kontaktzonen mit beiden zu bilden; mit einer Nockengeometrieeinrichtung, die auf einem Bauteil vorgesehen ist, welches die Welle und/oder den Ring und/oder den wenigstens einen Wälzkörper aufweist, wobei bei Relativdrehung zwischen dem Ring und der Welle der wenigstens eine Wälzkörper mit dem Ring und der Welle in Kontakt kommt, um eine Speicherung mechanischer Energie zu konvertieren und zu bewirken, die durch die Relativdrehung des Rings und des Schafts erzeugt wird, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Nockengeometrieeinrichtung unterschiedliche indizierte Profile aufweist, um Bereiche niedriger und hoher Steifigkeit gegen jeden Wälzkörper zu schaffen.
Ebenfalls wird ein resonierendes, oszillierendes, auf Massebasis arbeitendes Drehmomentwerkzeug, mit den Merkmalen der eben definierten Vorrichtung vorgeschlagen.
Zum besseren Verständnis der Erfindung und um zu zeigen, wie diese ausgeführt werden kann, wird die Erfindung nun in beispielhafter Weise unter Zuhilfenahme der beiliegenden Zeichnungen kurz beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine Kurve, die ein Drehmoment-Winkel-Verhältnis für eine rotierende Energiespeichereinrichtung mit einem elastischen Verhalten darstellt.
Fig. 2 zeigt eine Kurve, die ein Drehmoment-Winkel-Verhältnis für eine rotierende Energiespeichereinrichtung mit einem "Verlust"-Verhalten darstellt.
Fig. 3 zeigt eine Kurve mit dem Drehmoment-Winkel-Verhältnis für eine rotierende Energiespeichervorrichtung ähnlich der von Fig. 2, jedoch mit einem geringeren "Verlust"-Verhalten.
Fig. 4A zeigt eine isometrische Ansicht einer teilweise montierten rotierenden Energiespeichervorrichtung.
Fig. 4B zeigt eine Frontansicht der teilweise montierten rotierenden Energiespeichervorrichtung gemäß Fig. 4A.
Fig. 5A zeigt eine Frontansicht der rotierenden Energiespeichervorrichtung, die in den Fig. 4A und 4B gezeigt ist, mit einem ringförmigen Abstandhalter und einem Rückhaltering, um die Montage der Komponententeile aufrecht zu erhalten.
Fig. 5B zeigt eine axiale Schnittansicht der rotierenden Energiespeichervorrichtung, gezeigt in Fig. 5A, entlang der Schnittlinie "5B-5B".
Fig. 6A zeigt eine schematische Querschnittansicht der rotierenden Energiespeichervorrichtung nach Fig. 6B bei einer Drehung gegen den Uhrzeigersinn aus der Stellung ohne Abheben (zero-lift-position).
Fig. 6B zeigt eine schematische Querschnittansicht korrespondierend mit der in Fig. 4A gezeigten rotierenden Energiespeichervorrichtung entlang der Linie "6B-6B", mit drei repräsentativen Wälzkörpern in der zero-lift-position.
Fig. 6C zeigt eine schematische Querschnittansicht der rotierenden Energiespeichervorrichtung nach Fig. 6B bei einer Drehung aus der zero-lift-position im Uhrzeigersinn.
Fig. 7 zeigt eine kinematische Darstellung der miteinander wirkenden Kräfte, die in der rotierenden Energiespeichervorrichtung verursacht werden, indem ein Antriebsring aus der neutralen Orientierung von Fig. 6B in die in Fig. 6A gegen den Uhrzeigersinn verursacht wird.
Fig. 8 zeigt ein Freischnitt-Diagramm, welches die normalen und die tangentialen Reibungskräfte in jeder der Kontaktzonen zeigt, die auf einen Wälzkörper von der Welle und dem Ring der rotierenden Energiespeichervorrichtung, wie sie in den Fig. 4 bis 5 gezeigt ist, ausgeübt werden.
Fig. 9 zeigt eine Kurve, die das Drehmoment-Winkelverhältnis und die Radialverschiebung für die rotierende Energiespeichervorrichtung gemäß Fig. 6B erläutert, wenn diese aus der zero-lift-position in die gegen den Uhrzeigersinn und im Uhrzeigersinn liegenden Positionen gedreht wird, wie sie in den Fig. 6A und 6C gezeigt sind.
Fig. 10A zeigt eine Seitenansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels einer rotierenden Energiespeichervorrichtung mit Wälzkörpern mit Freilaufgeometrien.
Fig. 10B zeigt eine vergrößerte Ansicht der in Fig. 10A gezeigten Freilaufgeometrie, welche eine symmetrische Drehmoment-Winkelcharakteristik darstellt.
Fig. 10C zeigt eine vergrößerte Ansicht einer alternativen Freilaufgeometrie, welche in der in Fig. 10A gezeigten rotierenden Energiespeichervorrichtung eingebaut werden könnte, um eine asymmetrische Drehmoment-Winkelcharakteristik zu schaffen.
Fig. 10D zeigt eine Teilansicht der rotierenden Energiespeichervorrichtung von Fig. 10A gedreht im Uhrzeigersinn.
Fig. 11A zeigt eine isometrische Ansicht einer teilweise montierten rotierenden Energiespeichervorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Fig. 11B zeigt eine Frontansicht der teilweise montierten rotierenden Energiespeichervorrichtung gemäß Fig. 11A, wobei ein Wälzkörper entfernt ist, um eine Nockengeometrie auf einer inneren Ringoberfläche zu zeigen.
Fig. 12 ist eine Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform einer rotierenden Energiespeichervorrichtung mit einem mit Taschen versehenen Unterstützungsring.
Fig. 13 zeigt eine Querschnittsansicht eines mit oszillierender Masse arbeitenden Werkzeugs, welches eine Nockengeometrieeinrichtung aufweist.
Fig. 14A und 14B zeigen schematische Seitenansichten, die eine Nockengeometrie zum Umkehren des Drehmoment-Winkelverhältnisses einer drehenden Energiespeichervorrichtung erläutern.
Fig. 15A und 15B sind Querschnittansichten eines Ausführungsbeispiels einer drehenden Energiespeichervorrichtung, welche reversibel ausgebildet ist.
In den beiliegenden Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche Teile. Verschiedene Dimensionen der gezeigten Teile, sind nicht maßstabsgetreu und wurden zu Gunsten der Klarheit vergrößert.
Die Fig. 4A, 4B, 5A und 5B zeigen eine rotierende Energiespeichervorrichtung oder -feder, die entsprechend einer ersten Ausführungsform eine Wälzkörper-Nockenanordnung 10 mit einer Welle 14 ist, mit einem um die Welle drehbar angeordneten Ring 12 und wenigstens einem Wälzkörper 16, der zwischen der Welle 14 und dem Ring 12 angeordnet ist. Der wenigstens eine Wälzkörper ist so positioniert, daß bei Drehung des Rings relativ zu der Welle der Wälzkörper mit dem Ring und der Welle in Kontakt kommt, um mechanische Energie, die durch die Relativdrehung des Rings und der Welle erzeugt wurde, zu konvertieren und zu bewirken. Vorzugsweise ist eine Vielzahl von beabstandeten Wälzkörpern 16 angeordnet, wie zwischen dem Ring 12 und der Welle 14 gezeigt ist.
Wie aus den Teilkonstruktionen in den Fig. 4A und 4B zu erkennen ist, ist die Welle 14 mit einer Nockengeometrieeinrichtung 20 versehen, die entweder an der Welle angebracht ist oder einteilig mit ihr ausgebildet ist. Ein Ende der Welle 14 wirkt als Antriebs-/Abtriebsanschluß wie auch ein Wellenteil 13, welches daran angebracht ist, wirkt und vorzugsweise mit dem Ring 12 integral ausgebildet ist. Die Wälzkörper 16 sind dazwischen angeordnet und berühren den inneren Durchmesser des Rings 12 und die Nockengeometrie 20 der Welle 14, wobei sie pro Wälzkörper zwei Kontaktzonen erzeugen. Eine geringfügige Vorspannung wird üblicherweise eingesetzt, um durch Konstruktion des inneren Durchmessers des Rings 12 die Komponenten in Kontakt miteinander zu halten derart, daß er mit den Wälzkörpern in Kontakt ist, vorzugsweise durch Erzeugen eines Press- oder Schrumpfsitzes zwischen den Komponenten der Wälzkörper-Nockengeometrie 10. Die Konstruktion der Wälzkörper- Nockenanordnung 10 wird typischerweise vervollständigt durch Anordnen und In-Positionhalten eines ringförmigen Abstandshalters 18 auf der Welle 14, wobei ein Rückhaltering 19, wie in den Fig. 5A und 5B gezeigt ist, verwendet wird. Die Welle 14 und das Wellenelement 13 sind in Bezug zueinander drehbar montiert und axial durch ein Axiallager 17 oder eine andere zweckmäßige Einrichtung, die dazwischen angeordnet ist, wie in Fig. 5B gezeigt ist positioniert.
Im folgenden wird der Betrieb der Wälzkörper-Nockenanordnung 10 in Bezug auf die drei in den Fig. 6A bis 6C gezeigten Wälzkörper-Nockenpositionen beschrieben. Um die Erklärung des Betriebs der Wälzkörpernockenvorrichtung zu vereinfachen, ist in diesen Figuren eine schematische ebene Ansicht einer Wälzkörpernockenanordnung 10 gezeigt, welche drei Wälzkörper 16 hat. In Fig. 6B ist eine Wälzkörpernockenanordnung 10 dargestellt, in der sich die Wälzkörper 16 in einer zero-lift-position mit einem minimalen radialen Abstand von der Achse der Wellenmitte befinden.
Im Betrieb dreht sich der Ring 12 bei Aufbringen eines ausreichenden äußeren Drehmoments auf den Ring über das Wellenelement 13 um die Welle 14. Die Wälzkörper 16 wiederum werden veranlaßt, auf der Nockengeometrie 20 der Welle 14 zu rollen, und der Ring 12 rollt auf den Wälzkörpern 16. Würde keine Nockengeometrie existieren, dann würde sich die Wälzkörper-Nockenanordnung 10 in einer Art und Weise verhalten, wie dies aus einem Wälzlager bekannt ist. Aufgrund der Nockengeometrie führt jedoch eine Winkeldrehung des Rings 12 relativ zur Welle 14 aus ihren Positionen von Fig. 6B zu einem Rückstellmoment, welches dazu tendiert, die Wälzkörper zurück in ihre zero-lift-position zu bringen.
In Fig. 6A ist die Wälzkörpernockenanordnung bei einer Drehung des Rings 12 aus der zero-lift-position von Fig. 6B gegen den Uhrzeigersinn gezeigt, während in Fig. 6C die Wälzkörpernockenvorrichtung bei einer Drehung des Rings 12 aus der zero-lift-position von Fig. 6B im Uhrzeigersinn gezeigt ist. Die Positionen der Wälzkörper 16, gezeigt in den Fig. 6A und 6C bei Drehung gegen den Uhrzeigersinn und Drehung im Uhrzeigersinn verursachen einen gleichen Grad von radialer Interferenz zwischen den Wälzkörpern 16 und dem Ring 12. Die als Punkte ausgeführten Linien, gezeigt in den Fig. 6A und 6C zeigen die zero-lift-position der Wälzkörper 16, um ihre relative Bewegung aus ihren vorherigen Positionen, wie sie in Fig. 6 gezeigt sind, darzustellen.
Die Wälzkörpernockenanordnung 10 ist zur Schaffung einer Vielzahl von Drehmoment- Winkelcharakteristiken ideal geeignet. In einigen Anwendungsfällen ist eine symmetrische Drehmoment-Winkel-Biegecharakteristik, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, wünschenswert, bei der die Größe des Steifigkeitsprofils für die Vorwärts- und Rückwärtstorsionsrichtungen die gleichen sind.
In anderen Anwendungsfällen ist eine asymmetrische Drehmoment-Winkelabweichungs- Charakteristik erwünscht, bei denen die Größen der Steifigkeitsprofile in Vorwärts- und Rückwärtstorsionsrichtungen differieren. Darüber hinaus können, da die Nockengeometrie leicht geändert werden kann, Vorrichtungen mit unterschiedlichen Drehmoment-Winkelprofilen konstruiert und einfach konfiguriert werden. Die Nockengeometrieeinrichtungen, gezeigt in den Fig. 6A bis 6C, zeigen ein Beispiel einer Einrichtung, die das in Fig. 9 gezeigte asymmetrische Drehmoment-Winkelverhalten haben.
Zu Beginn von Fig. 9 ist die Drehmoment- und Radialbeeinflussung gezeigt, wenn sich die Wälzkörpernockenanordnung 10 in der zero-lift-Orientierung der Wälzkörpernocken befindet, wie dies in Fig. 6B gezeigt ist. Eine Bewegung der Wälzkörpernockenanordnung im Uhrzeigersinn in die in Fig. 6C gezeigte Position korrespondiert mit einer positiven Winkelrichtung aus dem Nullpunkt, wie er in Fig. 9 gezeigt ist. Umgekehrt korrespondiert eine Bewegung der Wälzkörpernockenanordnung in die in Fig. 6A gezeigte Position gegen den Uhrzeigersinn mit einer negativen Winkelrichtung vom Nullpunkt in Fig. 9. Bei einem Blick auf die Fig. 9 kann man erkennen, daß eine vorgegebene positive Winkelabweichung zu einem viel größeren Drehmoment führt als eine gleiche, jedoch in die Gegenrichtung wirkende negative Winkelabweichung.
Obwohl nicht beabsichtigt wird, daß man durch diese Konstruktion an irgendeine Theorie gebunden ist oder in anderer Weise eingeschränkt ist, die Wälzkörpernockenanordnung wirkt wie eine potentielle Energiespeichervorrichtung wie folgt. Wenn sich der Ring 12, der durch die Welle 13 angetrieben ist, wie in Fig. 6A gezeigt ist, dreht, drehen sich die Wälzkörper 16 um die Welle 14. Das Vorliegen der Nockengeometrie 20 auf der Welle 14 zwingt die Wälzkörper, sich radial nach außen zu bewegen, wobei sie eine größere Beeinflussung zwischen den Wälzkörpern 16 und dem Ring 12 verursachen. Aufgrund dieser Beeinflussung, wie sie in dem Freischnitt-Diagramm von Fig. 8 gezeigt ist, wird eine hohe Normalkraft und eine tangentiale Friktionskraft auf die Wälzkörper 16 in jeder der Kontaktzonen mit der Welle 14 und dem Ring 12 ausgeübt, nachdem sie über einen gewissen Winkel von der zero-liftposition abgewichen sind.
Die durch die Wechselwirkung des Rings und durch die Nockengeometrie erzeugten Normalkräfte, die auf die Wälzkörper ausgeübt werden, verursachen gleiche und entgegengesetzte Kräfte Nr und Ncs, die auf den Ring 12 und die Welle 14 entsprechend ausgeübt werden. In Fig. 7 ist eine kinematische Darstellung der Interferenzkräfte, die auf den Ring 12 und auf die Welle 14 ausgeübt werden, gezeigt, die durch den Wälzkörper 16 beim Antreiben des Rings 12 aus der neutralen Orientierung von Fig. 6B (gestrichelte Linien, mit den Relativpositionen des Wälzkörpers 16 und des Rings 12, angegeben mit Markierungspunkten P1 und P2) gegen den Uhrzeigersinn in die Orientierung von Fig. 6A verursacht werden (gezeigt in durchgezogenen Linien mit Markierungspunkten P1 und P2, die folgende Relativpositionen des Wälzkörpers 16 und des Rings 12 angeben). Bei Bewegen der in Fig. 6A gezeigten Orientierung zwingt die größere Interferenz, die durch den Wälzkörper 16 verursacht wird, den Ring 12, sich wie in Fig. 7 gezeigt ist, zu expandieren, wodurch potentielle Energie gespeichert wird. Eine zusätzliche Speicherung von potentieller Energie wird durch die Kompression der Wälzkörper 16 und des Schafts 14, die ebenfalls stattfindet, verursacht.
Somit führt das Aufbringen eines Drehmoments auf die Welle 13 zu einer Winkelabweichung des Rings um die Welle 14. In jeder winkelmäßig abweichenden Position existiert ein Rückstellmoment. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist das Integral des durch den Drehwinkel um die Welle 14 aufgebrachte Drehmoment gleich der Arbeit, die auf die Wälzkörpernockenfeder ausgeübt wurde, um diese zu verformen. Energie, wie sie durch die Kapazität Arbeit auszuführen definiert ist, verbleibt in der Feder und kann durch Reduzieren des auf die Welle ausgeübten Drehmoments abgegeben werden. Wenn das aufgebrachte Drehmoment verringert wird, tendiert der Wälzkörpernocken dazu, in seine zero-lift-position zurückzukehren, und die in der Feder gespeicherte Energie wird abgegeben, wenn der Wälzkörpernocken Arbeit auf die Welle 13 verrichtet.
Noch exakter betrachtet, obwohl nicht beabsichtigt ist, durch irgendeine Theorie gebunden oder in anderer Weise eingeschränkt zu werden, wirkt die Wälzkörpernockenanordnung 10 als eine Speichervorrichtung für potentielle Energie in folgender Weise. Wie in Fig. 7 gezeigt ist, verschiebt sich die Richtung der Normalkraft Ncs', die auf die Nockengeometrie der Welle 14 wirkt, derart, daß sie nicht mehr durch den Drehmittelpunkt der Welle 14 hindurchgeht, wenn der Wälzkörper sich aus der zero-lift-position auf den Nocken nach oben bewegt, obwohl die Normalkräfte Nr und Ncs die gleiche Größe haben. Als Ergebnis wird durch diese Normalkraft Ncs' ein Moment auf die Welle 14 ausgeübt, welches mit dem Moment, welches durch die tangentiale Reibungskraft F 1 verursacht wird, um ein resultierendes Drehmoment auf die Welle 14 zu erzeugen, kombiniert wird. Um das Gleichgewicht der Wälzkörper aufrecht zu erhalten, muß zwischen jedem Wälzkörper 16 und dem Ring 12 eine tangentiale Friktionskraft F2 wirken. Die Summe aller dieser tangentialen Friktionskräfte F2, die an jeder Wälzkörper/Ringberührungsstelle mit einem Hebelarm wirken, der gleich ist zum radialen Abstand von der Mitte der Wellendrehung Cr, führt zu einem Rückstellmoment auf den Ring 12. Somit hängt das auf den Ring 12 in jeder abweichenden Position ausgeübte Drehmoment von den Normal- und Tangentialkräften ab, wobei die Normalkraft in der Hauptsache auf der radialen Interferenz zwischen dem Wälzkörper und dem Ring abhängt, verursacht durch die Nockengeometrie.
Darüberhinaus kann, obwohl man sich vorstellt, daß die oben diskutierte Speicherung von potentieller Energie durch Vorsehen einer Nockengeometrie erreicht werden kann, die in Bezug auf die zero-lift-position symmetrisch ist, für verschiedene Anwendungsfälle wie die, die im folgenden im Detail diskutiert werden, eine asymmetrische Nockengeometrie gewünscht sein, um sich unterscheidende Drehmoment-Winkelcharakteristiken in jeder Richtung zu erreichen. Wenn eine solche asymmetrische Nockengeometrie, wie die, die in den Fig. 6A bis 6C gezeigt wird, vorgesehen ist, wenn der Ring 12, der durch die Welle 13 in die entgegengesetzte Drehrichtung (d. h. im Uhrzeigersinn), gezeigt in Fig. 6C, angetrieben wird, wird der Wälzkörper 16 entlang einer schneller ansteigenden Nockengeometrie bewegt. In Fig. 6C war ein bedeutend kleinerer Winkel erforderlich, um die gleiche radiale Interferenz, wie sie in Fig. 6A erreicht wurde, zu erlangen und der Druckwinkel (d. h. der Winkel zwischen einer Normalen zu dem Kontaktpunkt zwischen den Wälzkörper und der Welle und einer radialen Linie die sich aus dem Drehmittelpunkt Cr zu dem Mittelpunkt des Wälzkörpers erstreckt) ist größer. Obwohl die gleichen radialen Interferenzen in jeder Richtung zu gleichen Normalkräften führen, die in den Kontaktzonen mit dem Wälzkörper ausgeübt werden, erfordert der größere Druckwinkel der Nockengeometrie im Uhrzeigersinn höhere tangentiale Friktionskräfte, um das Gleichgewicht des Wälzkörpers aufrecht zu erhalten. Im Ergebnis führen diese höheren tangentialen Friktionskräfte, die auf jede Wälzkörper/Ringoberfläche wirken zu einem höheren Rückstellmoment, wenn der Ring 12 sich aus der zerolift-position im Uhrzeigersinn statt gegen den Uhrzeigersinn bewegt.
Also kann durch Vorsehen einer Nockengeometrie, die unsymmetrisch um die zero-liftposition ist, d. h. eine Geometrie, bei der der Nockenanstieg und der Anstiegswert sich abhängig von der Drehrichtung unterscheiden, eine Drehmoment-Winkelcharakteristik erzeugt werden, die abhängig von der Richtung beachtlich variiert. Dies wiederum erlaubt die Speicherung oder Abgabe von annähernd gleichen Mengen potentieller Energie mit unterschiedlichen Werten eines Rückstellmoments durch Bestimmen der Nockengeometrie wie im vorhergehenden diskutiert wurde. Es ist wichtig festzustellen, daß der Übergang von einer gegen den Uhrzeigersinn zu einer im Uhrzeigersinn gehenden Drehung weich stattfindet, ohne Kontaktverlust zwischen den Komponenten, und deshalb viel ruhiger ist als andere Schemata, die auf dem Unterbrechen von Kontakten basieren, um das Drehmoment-Winkelverhältnis zu verändern.
Um einen Energieverlust in dem System zu vermeiden wird die oben beschriebene Nockengeometrie vorzugsweise so konstruiert, daß die Druckwinkel, die zwischen jedem Wälzkörper 16 und der Welle 14 während einer Relativdrehung entwickelt werden, klein genug sind um ein Durchrutschen zu verhindern. Diese Konstruktion schafft eine Rollbewegung zwischen den Wälzkörpern 16 relativ zur Welle 14.
Alternativ kann eine Nockengeometrie eingesetzt werden, die ein Durchrutschen zwischen den Wälzkörpern 16 relativ zur Welle 14 erlauben, um eine drehmomentbegrenzende Eigenschaft vorzusehen oder in anderer Weise ein "Verlust"-Verhalten zu erzeugen, wie es mit weiteren Einzelheiten im folgenden beschrieben wird.
Während die Ausführungsform, in der die oben diskutierten Prinzipien verkörpert sind weitläufig Verwendung findet, können Varianten, die die Möglichkeit zum Bestimmen der Drehmoment-Winkelkonstruktionseigenschaften für verschiedene Anwendungsfälle vorsehen, ebenfalls integriert werden. Beispielsweise können die Wälzkörper und die Welle, welche ebenfalls eine Abweichung erfährt, wenn die Wälzkörper radial ansteigen, bei Einsatzfällen modifiziert werden, in denen der Ring 12 an einem Abweichen gehindert wird oder nicht so flexibel gemacht werden, wie derjenige, der bei der Diskussion von Fig. 6 ausgebildet war. Dies kann beispielsweise durch Verwendung einer Hohlwelle erreicht werden, die derart ausweicht, wie es in den Fig. 15A und 15B gezeigt ist, wobei das dort gezeigte Ausführungsbeispiel in weiteren Einzelheiten im folgenden beschrieben wird. Alternativ oder zusätzlich können zu diesem Zweck hohle Wälzkörper eingesetzt werden.

Ausführungsformen mit alternativer Nockengeometrie

Darüberhinaus wird man freilich erkennen, daß alternative Ausführungsformen durch Einsatz irgendeines der drei interagierenden Komponenten, d. h. Welle 13, Wälzkörper 16, Ring 12 oder Kombinationen hiervon mit einer Nockengeometrie die symmetrisch oder unsymmetrisch ist, vorgesehen werden können, obwohl im Vorhergehenden betreffend eine Wälzkörpernockenanordnung 10 mit einer Nockengeometrie gezeigt und beschrieben wurde, die nur außen entlang einer Welle 14 in einer Axialrichtung angeordnet ist.
In den Fig. 10A bis D ist eine alternative Ausführungsform gezeigt, bei der die Nockengeometrie als eine Freilaufgeometrie auf den Wälzkörpern vorgesehen ist. In Fig. 10B sind Klemmkeile 21 gezeigt, die Kurvenradien haben, die im Uhrzeigersinn (Rcl) und gegen den Uhrzeigersinn gerichtet (Rccl) gleich sind. Im Zusammenspiel der Klemmkeile 21 zwischen dem Ring 12, der als ein äußerer Laufring und einem kreisförmigen inneren Laufring 22, der auf der Welle 14 montiert ist, wie in Fig. 10A gezeigt ist, kann eine Wälzkörpernockenanordnung 25 vorgesehen werden, welche eine symmetrische Drehmomentwinkelcharakteristik hat.
In Fig. 10D ist ein Teil der Wälzkörpernockenanordnung 25, gezeigt in Fig. 10A bei einer Drehung des Rings 12 im Uhrzeigersinn dargestellt. Die gestrichelt dargestellten Klemmkeilkörper sind dazu da, die Position der Klemmkeile 21 darzustellen, nachdem der Ring 12 um einen kleinen Winkel im Uhrzeigersinn gedreht wurde, wie dies durch die gestrichelte Verlängerung des Rings dargestellt ist. Zwischen jedem Klemmkeilkörper und dem Ring kann Interferenz festgestellt werden. Diese Interferenzen verursachen hohe Normalkräfte, die zu tangentialen Friktionskräften führen, welche ein Gleichgewicht aufrechterhalten. Diese tangentialen Friktionskräfte, die in einem Abstand von dem Mittelpunkt der Drehung wirken, bilden Rückstellmomente wie im Detail im Vorhergehenden diskutiert wurde. In Fig. 10C ist eine alternative Klemmkeilkonfiguration 23 gezeigt, bei der die Kurvenradien im Uhrzeigersinn (Rcl') und gegen den Uhrzeigersinn (Rccl') nicht gleich sind. Eine Wälzkörpernockenanordnung 25 mit einer asymmetrischen Verhaltensweise kann auch durch ein Ersetzen der Klemmkeile 21 durch Klemmkeile 23 erreicht werden, wodurch unterschiedliche Radien geschaffen werden, die sowohl im Uhrzeigersinn als auch gegen den Uhrzeigersinn (gezeigt als Rcl und Rccl) aktiv sind, abhängig davon in welche Richtung der Ring 12 aus der zerolift-position gedreht wird. Somit ist der Betrieb der Wälzkörpernockenanordnung 25, welche mit Klemmkeilen arbeitet im Prinzip ähnlich zu der Verhaltensweise die im Zusammenhang mit der Wälzkörpernockenanordnung 10 diskutiert wurde, die in Fig. 6 gezeigt und im Vorhergehenden detailliert beschrieben wurde.
Die Klemmkeile, die in der vorliegenden Konstruktion zweckmäßig sind, ähneln denjenigen, welche in Durchrutschkupplungen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, Verwendung finden. Beispiele solcher Klemmkeile sind diejenigen, die von der Formsprag Company, Warren, Michigan, USA hergestellt werden. Obwohl solche Klemmkeile in Durchrutschkupplungen arbeiten, um drehenden Elementen zu erlauben, frei relativ zueinander zu laufen, indem sie in einer Drehrichtung gleiten, während sie die Elemente in der anderen Drehrichtung gegeneinander verriegeln, unterscheiden sie sich in ihrem Betrieb bei den vorliegenden Wälzkörpernocken durch Übertragen eines Drehmoments in beide Drehrichtungen und indem sie keinen Freilauf zulassen.

B. Ringkrümmung, "Netto-Null-Druckwinkel"

In den Fig. 11A und 11B ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Wälzkörpernockenanordnung 40 gezeigt, in dem eine Nockengeometrieeinrichtung vorgesehen ist als eine Nockengeometrie 43 auf der inneren Oberfläche eines Rings 42. Die Nockengeometrie 43 kann als die einzige Nockengeometrieeinrichtung oder in Kombination mit anderen Nockengeometrien eingesetzt werden. Beispielsweise kann durch Vorsehen von sowohl der Nockengeometrie 43 auf dem Ring 42 als auch einer Nockengeometrie 20 auf der Welle 14, wie gezeigt, ein Drehmoment-Winkelverhältnis geregelt werden, um ein positives Ergebnis zu erhalten. Der "Netto-Druckwinkel" kann sehr nahe bei Null gehalten werden über den Bereich der Bewegung der Wälzkörper. Während der Druckwinkel zwischen dem Wälzkörper und dem Nocken auf der Welle bleibt, wird ein neuer Druckwinkel zwischen der Ring/ Wälzkörperkontaktfläche eingeführt, der so konstruiert sein kann, daß die Normalkräfte, die auf die Wälzkörper wirken eine direkt entgegengesetzte Wirkung haben. Im Ergebnis ist der Verschiebungseffekt auf die Wälzkörper stark reduziert, wodurch eine robuste Konstruktion unter unterschiedlichen Schmierbedingungen erreicht wird. Auf diese Weise wird die Menge von Materialien, welche eingesetzt werden können, um eine Wälzkörpernockenanordnung 40 herzustellen vergrößert, wodurch eine größere Konstruktionsflexibilität geschaffen wird.

C. Ausführung mit Unterstützungsring < Back-Up Rin Configuration)

Bei noch einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Verhaltensweise des Drehmoment- Winkelmechanismus durch Einsatz eines Unterstützungsrings (Back-Up Ring) 52 modifiziert werden, der konzentrisch um einen Ring 12 herum angeordnet ist und den Ring 12 einer Wälzkörpernockenanordnung 50 berührt und relativ zu ihm gedreht werden kann. Der Unterstützungsring 52 hat Taschen 53, die relativ zu einer Nockengeometrie 51 orientiert sind, um die Verformung des Rings wie im folgenden beschrieben werden wird zu verändern. In Fig. 12 ist eine solche Konfiguration gezeigt, die eine Wälzkörpernockenanordnung 50 hat, die ähnlich der Wälzkörpernockenanordnung 10 ist, die oben beschrieben wurde mit der Ausnahme, daß die Welle 14 eine symmetrische Nockengeometrie 51 auf beiden Seiten einer Vielzahl von gleichmäßig beabstandeten zero-lift-positions aufweist. Ebenfalls um den Ring 12 herum angeordnet ist ein konzentrischer Unterstützungsring 52, welcher in geringfügigem Radialkontakt mit dem Ring 12 liegt. Der konzentrische Unterstützungsring 52 ist mit einer Vielzahl von Taschen oder Ausnehmungen 52 auf dem inneren Durchmesser versehen, um dicke und dünne Wandstärken vorzusehen, die indiziert sind, um abwechselnde Bereiche mit hoher Steifigkeit und Bereiche mit niedriger Steifigkeit zu definieren, welche wiederum ein größeres Anzugsdrehmoment als ein Lösungsdrehmoment ermöglichen. Wie mit weiteren Einzelheiten im folgenden diskutiert wird, ermöglicht die Eignung zum Drehen des mit Taschen 53 versehenen Unterstützungsrings 52 relativ zu dem Ring 12, daß das Drehmoment- Winkelverhältnis modifiziert und umgekehrt werden kann.
Man wird erkennen, daß eine ähnliche Verhaltensweise durch weitere Einrichtungen erreicht werden kann, die Bereiche mit hoher und niedriger Steifigkeit darstellen, beispielsweise durch Vorsehen einer mit Taschen versehenen inneren Welle, gezeigt in den Fig. 15A und 15B oder durch Vorsehen von Taschen in der Hauptinnenwelle, die grundsätzlich leer sein oder mit Unterstützungsmaterial gefüllt sein kann, um das oben diskutierte Verhalten mit hoher Steifigkeit und niederer Steifigkeit zu ermöglichen.
Es gibt außerdem zahlreiche Anwendungsfälle, in denen die vorliegende Wälzkörpernockenvorrichtung ganz besonders nützlich ist. Beispielsweise kann die Wälzkörpernockenvorrichtung in ein resonierendes reaktionsfreies Drehmomentwerkzeug integriert werden. Die Flexibilität der Konstruktion in Bezug auf das Drehmoment-Winkelverhältnis, welches durch die Wälzkörpernockenanordnung geschaffen wird, zusammen mit seiner Fähigkeit, eine viel größere Torsionssteifigkeit in der einen Richtung als in der anderen Richtung anzubieten, läßt die Vorrichtung einen idealen Mechanismus für ein derartiges Werkzeug werden. Wenn die Wälzkörpernockenanordnung mit der Resonanzfrequenz erregt ist, wird sie kinetische Energie in potentielle Energie in einem wesentlich kleineren Winkel in der einen Richtung als in der anderen konvertieren, wodurch in dieser Richtung ein wesentlich höheres Drehmoment entwickelt wird. Im Ergebnis wird ein Befestigungsmittel, das angezogen werden soll, in der Richtung mit hohem Drehmoment gedreht, es wird jedoch nicht zurückwandern unter dem in der entgegengesetzten Richtung erzeugten niedrigen Drehmoment. Das Resonanzsystem erfordert einen geringen Verlust, um einen hohen Vorteil zu erreichen - die rollenden Elemente (im Gegensatz zu gleitenden) der Wälzkörpernockenanordnung der vorliegenden Konstruktion können eingesetzt werden, um dies zu schaffen; somit kann ein relativ kleiner Motor verwendet werden, um ein hohes Drehmoment zu erzeugen. Der weiche Rollübergang zwischen einem weichen und einem steifen Verhalten der Wälzkörpernockenanordnung ermöglicht auch ein Werkzeug, das im Betrieb leiser ist, eine Eigenschaft, die speziell für solche Werkzeuge erwünscht ist, die für ausgedehnte Zeiträume verwendet werden sollen.
Es wird betont, daß die Wälzkörpernockenanordnung angepaßt werden kann, um das Wellenelement 13 direkt mit einem Rotor eines Gleichstrommotors so zu kuppeln, wie der Schwungradrotor 4 gezeigt in Fig. 1 der US-Patentanmeldung Nr. 08/865,043.
In Fig. 13 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels eines oszillierenden, auf Massebasis arbeitenden, Werkzeugs gezeigt, welches ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Wälzkörpernockenanordnung enthält. Bei einer derartigen Konfiguration ersetzt die Wälzkörpernockenanordnung 10 die Feder mit zweifacher Steifigkeit des rotierenden Federmassenoszillators der eben erwähnten Patentanmeldung, wobei der Wälzkörpernockenring 12 und der Rotor 34 als die oszillierende Masse arbeiten. Wie in Fig. 13 gezeigt ist, ist das Wellenelement 13 starr für eine Drehung mit einer Spindel 33 verbunden, die von einem Rotor 34 angetrieben wird. Die Welle 14 der Wälzkörpernockenanordnung 10 wird so gestaltet, daß sie mit einer Buchse 35 zum Anziehen von mit Gewinde versehenen Befestigungsmitteln zusammenpaßt, die wie in Fig. 1 der soeben erwähnten Patentanmeldung eine spannzangenartige Buchse oder eine andere Klemmeinrichtung sein kann.
Durch das Zuführen von Energie von dem Motor in Phase mit der Rotorgeschwindigkeit wird der Rotor resonierend oder nicht resonierend oszilliert. Der Rotor erreicht eine Spitzengeschwindigkeit bei zero-lift-position des Wälzkörpernockens, wie in Fig. 6B gezeigt ist. An diesem Punkt drehen sich der Rotor und der Ring 12, der direkt an ihn gekoppelt ist, schnell um die Welle 14. Eine große Menge kinetischer Energie ist in ihnen gespeichert mittels ihres drehenden Massenträgheitsmoments und ihrer Winkelgeschwindigkeit. Wenn der Wälzkörpernocken von der zero-lift-position abweicht, beginnt das sich aufbauende Drehmoment, welches eine Funktion der Nockengeometrie und der aufgrund der Interferenz entstehenden Kräfte ist, anzusteigen. Dieses Drehmoment wirkt so, daß es die Rotor/Ringträgheit negativ beschleunigt; die Rotor/Ringträgheit gibt Arbeit auf die Wälzkörpernockenfeder ab, und die kinetische Energie aus der Trägheit wird in dem Wälzkörpernocken in potentielle Energie umgewandelt. Wenn der Wälzkörpernocken weiterdreht, beschleunigt das Rückstellmoment weiter die Rotor/Ringträgheit negativ, bis er diese Trägheit zu einem Haltepunkt bringt, und eine große Menge potentieller Energie ist in dem Wälzkörpernocken gespeichert. Das Rückstellmoment, welches die Bewegung der Rotorringträgheit gestoppt hatte, beginnt nun diese in der Gegenrichtung zu beschleunigen, und die potentielle Energie in dem Wälzkörpernocken wird in kinetische Energie in der Rotor/Ringträgheit zurückgebracht. Aufgrund der Asymmetrie des Nockenprofils um die zero-lift-position, kann der Wälzkörpernocken beim Drehen des Rings 12 in einer Richtung im Uhrzeigersinn in die Position, die in Fig. 6C gezeigt ist, die Rotor/Ringträgheit in einem kürzeren Drehwinkel und einer kürzeren Zeit anhalten, so daß ein höheres Rückstellmoment erzeugt wird.
Wenn das erzeugte Rückstellmoment in der Richtung mit hohem Drehmoment größer ist als das, welches erforderlich ist, um ein Befestigungsmittel zu bewegen, kann das Gleichgewicht der Welle 14 nicht länger aufrechterhalten werden, und das Drehmoment, welches auf sie wirkt beginnt im Uhrzeigersinn zu beschleunigen, wobei Energie an das Befestigungsmittel abgegeben wird. In anderen Worten, wenn das Befestigungsmittel nicht länger dem erzeugten Drehmoment widersteht, beginnt es in die Richtung, in welche das Drehmoment aufgebracht wird, zu wandern. Wenn die Welle beschleunigt, können die Wälzkörper abhängig von dem Winkelmoment, welches in der Rotor/Ringträgheit verbleibt, weiter den Nocken hinaufklettern oder die Welle kann schnell genug drehen, so daß die Wälzkörper "zurückgelassen werden", wobei sie zurück in die zero-lift-position rollen und eine negative Winkelgeschwindigkeit in Bezug auf die Welle haben. Wenn sich das Befestigungsmittel nicht mehr bewegt, wird die in dem Wälzkörpernocken verbleibende potentielle Energie in den Rotor/Ring zurückgebracht, wobei diese gegen den Uhrzeigersinn beschleunigt werden. Der Motor treibt weiter den Rotor/Ring in Phase an mit deren Winkelgeschwindigkeit, und es wird weiterhin Energie an den Oszillator geliefert. Idealerweise ist das Drehmoment, das in der Welle 14 während einer Drehung gegen den Uhrzeigersinn aus der zero-lift-position entwickelt wird, nicht groß genug, um das Befestigungsmittel gegen den Uhrzeigersinn zu drehen, und es wird wieder nach vorne gedreht, wenn ein hohes Drehmoment auf eine relative Drehung des Rings im Uhrzeigersinn aufgebracht wird.
Somit kann die Wälzkörpernockenanordnung als ein rotierender mit Trägheitsfeder arbeitender Oszillator verwendet werden mit einer Drehmomentwinkelcharakteristik, die abhängig von der Drehrichtung variiert, so daß ein höheres Drehmoment in einer Drehrichtung als in der anderen Drehrichtung erzeugt wird (d. h. durch Einsatz einer asymmetrischen Nockengeometrie wie diejenige, die in Fig. 6 dargestellt ist). Die Richtung mit dem höheren Drehmoment kann verwendet werden, um ein mit einem Gewinde versehenes Befestigungsmittel anzuziehen. Außerdem kann die Wälzkörpernockenanordnung 10 verwendet werden als rotierender Trägheitsfederoszillator, der "mit Gleichspannung vorgespannt ist" (d. h. durch Einbau einer symmetrischen Nockengeometrie, um ein Drehmoment mit Non-Zero-Einrichtung zu schaffen unter Verwendung eines Gleichstrompulsmotors, wie in der US-Patentanmeldung Nr. 08/865,037 beschrieben ist.
In jedem Fall kann die Wälzkörpernockenanordnung einen Motor mit einem niedrigeren Abtriebsdrehmoment einsetzen als das, das zum Anziehen des mit Gewinde versehenen Befestigungsmittel erforderlich ist. Dies wird erreicht, durch Verwendung des Motors, um den Trägheitsfederoszillator in Phase mit der Rotorgeschwindigkeit anzutreiben, so daß der Leistungsinput an das System immer positiv ist. Die resultierenden Winkelabweichungen des Systems und die Winkelgeschwindigkeit des Rotors werden weiter ansteigen, bis das an der Abtriebswelle entwickelte Drehmoment ausreichend ist, um das Drehmoment des Befestigungsmittels zu überwinden, wobei zu dieser Zeit das Befestigungsmittel über einen gewissen Winkel nach vorne gedreht wird. Es wird wieder Energie in dem Oszillator aufgebaut, bis das neue Drehmomentniveau in dem Befestigungsmittel überwunden wird, wobei an diesem Punkt das Befestigungsmittel weiter angezogen wird.
Im Ergebnis wird erwartet, daß durch eine derartige Konstruktion ein tragbares Gerät, welches sowohl leicht ist und auch eine relativ kleine Packgröße hat, erreicht werden kann durch Verwendung eines Motors mit kleinerem Abtriebsdrehmoment, während immer noch ein Werkzeug geschaffen wird, welches einen hohen Abtrieb und eine hohe Drehmomentskapazität hat. Obwohl im Vorhergehenden im Zusammenhang mit Betriebskomponenten wie z. B. einem vorderen Stützlager 28, einem hinteren Stützlager 26, einem Motorstator 32, einem Triggerschalter 30 und einem Leistungsversorgungskabel gezeigt und diskutiert wurde, sind diese Komponenten vorgesehen, um eine bevorzugte Weise zu zeigen, in der die Wälzkörpernockenanordnung in ein Drehmomentwerkzeug, welches nach dem oszillierenden Masseprinzip arbeitet, integriert wird. Weitere Konstruktionskomponenten, die im Zusammenhang mit der grundsätzlichen Arbeitsweise eines solchen Werkzeugs bekannt sind, werden leicht erkannt und sind deshalb aus Gründen der Klarheit nicht gezeigt.
Unter bestimmten Umständen ist es erwünscht, ein Befestigungsmittel in der Gegenrichtung zu bewegen, d. h. das Drehmoment-Winkelverhältnis muß so geändert werden, daß das Befestigungsmittel in der anderen Richtung angetrieben wird. In den Fig. 14A und 148 ist eine Nockengeometrie auf der Welle 14 gezeigt, die verwendet werden kann, um das Drehmoment-Winkelverhältnis der Wälzkörpernockenanordnung 10 umzukehren. Wie in den Fig. 14A und 14B gezeigt ist, ist die Nockengeometrie quer über den hohen Punkt des Nockenanstiegs gespiegelt. Wenn die Wälzkörpernockenanordnung 10 in ein Werkzeug eingebaut wird, wie dies oben im Zusammenhang mit der Fig. 13 gezeigt und beschrieben wurde, kann sie durch Erregung der oszillierenden Masse (d. h. des Rotors 34) ausreichend durch ein oszillierendes Drehmoment von dem Gleichstrommotor erregt werden, um die Wälzkörper 16 über die Spitze des Nockenanstiegs zu rollen und in einen stabilen Betriebsbereich auf der gegenüberliegenden Seite (d. h. die Umkehrposition), die in Fig. 14B gezeigt ist, zu bringen. Diese Umkehrung kann auch manuell durch Drehen des Rings 12 erreicht werden, um die Wälzkörper 16 über die Spitze der Nockenanstieges zu bewegen. Solange ein Betrieb auf dieser Seite des höchsten Punkts des Nockenanstiegs gewünscht ist, ist die Erregung derart gebunden, daß das Wandern des Wälzkörpers nicht zu einem Umkehren des Drehmoment-Winkel-Verhältnisses führt.
Es ist klar, daß andere Ausführungsformen ebenso umgekehrt werden können. Beispielsweise kann die in Fig. 12 gezeigte Ausführungsform mit einem Unterstützungsring 52 durch Drehen des Unterstützungsrings unabhängig von dem Ring 12 und um den Ring 12 umgekehrt werden, so daß die Orientierung der Taschen 53 umgekehrt ist (d. h. gespiegelt um die zero-lift-position der Nockengeometrie 51). Wenn man derart verfährt, werden die Bereiche von alternierender hoher und niedriger Steifigkeit umgekehrt, so daß die Wälzkörpernockenanordnung 50 ein höheres Drehmoment entwickelt, wenn der Ring 12 und der Unterstützungsring 52 zusammen im Uhrzeigersinn aus der zero-lift-position gedreht werden statt wenn sie in einer Richtung gegen den Uhrzeigersinn gedreht werden.
In den Fig. 15A und 15B ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Wälzkörpernockenanordnung 60 gezeigt, welches umkehrbar ist. Die Wälzkörpernockenanordnung 60 ist der Wälzkörpernockenanordnung 10, die in den Fig. 4A und 4B gezeigt ist, ähnlich mit der Ausnahme, daß die massive Welle 14 durch eine Hohlwelle 64 mit einer Innenbohrung 65 und einem Reversiermechanismus 66 der in der Bohrung 65 angeordnet und drehbar ist ersetzt wurde. Die Drehung des Reversiermechanismus 66 in der Bohrung 65 ist begrenzt durch einen Indexschlüssel 67, der in einen Schlitz paßt, der in dem Reversiermechanismus 66 angeordnet ist und sich von dort axial für eine Drehung zwischen den Positionen, die in den Fig. 15A und 15B gezeigt sind, erstreckt. Eine Umkehr des Wälzkörpernockens 60 wird erreicht durch Drehen des Reversiermechanismus 66 in der Bohrung 65. In der in Fig. 15A gezeigten Position schafft der Reversiermechanismus 66 einen starren Support auf der Hohlwelle 64 an der Kontaktstelle der Bohrung 65 entlang des Bogens, der durch die Punkte "A-B" bezeichnet ist. Wie der Unterstützungsring 52 der oben diskutierten Wälzkörpernockenanordnung 50 entwickelt die starre Supportzone, die durch den Reversiermechanismus 66 geschaffen wird ein höheres Drehmoment, wenn der Ring 12 aus der zero-lift-position gegen den Uhrzeigersinn gedreht wird, anstatt wenn der Ring 12 im Uhrzeigersinn gedreht wird. Beim Drehen des Reversiermechanismus 66 in die in Fig. 15B gezeigte Position wird die starre Supportzone, die durch die Hohlwelle 64 geschaffen wird, entlang des Bogens der Bohrung 65, der durch die Punkte "A'-B'" bezeichnet ist, bewegt. In dieser Position wird die Wälzkörpernockenanordnung 60 so umgekehrt, daß nun ein höheres Drehmoment erzeugt wird, wenn der Ring 12 im Uhrzeigersinn aus der zero-lift-position gedreht wird, anstatt wenn der Ring 12 gegen den Uhrzeigersinn gedreht wird.
Obwohl die verschiedenen Zeichnungen dieser Anmeldung gezeigt werden, wie sie Wälzkörpernockenanordnungen erläutern, die eine bestimmte Anzahl von Wälzkörpern haben, kann, abhängig von den gewünschten Rollcharakteristiken jede Anzahl von Wälzkörpern verwendet werden. Die einzige Bedingung ist, daß wenigstens einer der Wälzkörper, der in dem Wälzkörpernockensystem eingesetzt wird, einen Kontakt zwischen dem Ring und der Welle hat, so daß wie zuvor beschrieben Energie gespeichert wird. Zusätzliche Wälzkörper können verwendet werden, um zusätzlichen Kontakt zu schaffen oder die nicht in Kontakt stehen, sondern nur eine rollende Unterstützung zwischen dem Ring und der Welle schaffen.
Obwohl bereits im Zusammenhang mit einer Drehfeder, die ein Drehmoment in relativ elastischer Art und Weise aufbringt, im Vorhergehenden bereits gezeigt und beschrieben wurde, soll zusätzlich darauf hingewiesen werden, daß die in die Komponententeile eingebauten Materialien diese Verhaltensweise beeinflussen. Beispielsweise schaffen Komponenten aus Stahl eine Feder mit niedrigem Verlust, während Elastomermaterialien dabei helfen können, durch Herstellung eines Dämpfungseffekts eine Isolation zu bilden. Unter bestimmten Umständen wird darauf hingewiesen, daß im letzteren Fall Materialien, welche ein "Verlust"- Verhalten eher verursachen (d. h. ein Verhalten, bei dem die Menge der wiedergewonnenen Energie niedriger ist, als die Arbeit die nötig war, um die Vorrichtung ursprünglich zu verschieben) in der Wälzkörpernockenanordnung eingebaut werden können, um diesen Dämpfungseffekt zu erzeugen.
Beispielsweise im Fall von Motorwerkzeugen werden die meisten handgehaltenen pneumatischen oder elektrischen Werkzeuge durch Motore angetrieben, die ein Drehmoment auf eine Welle aufbringen. Diese Welle wiederum muß durch einen Satz von Planetengetrieben in der Geschwindigkeit reduziert werden. In jedem Fall wird ein Drehmoment typischerweise von dem Werkzeuggehäuse abgefangen, und Variationen bei dem aufgebrachten Drehmoment führen zu Vibration und einer Reaktion, die die Bedienungsperson üblicherweise absorbieren muß. Insofern kann ein Verlust ein attraktives Merkmal zum Dämpfen von Vibration und zum Reduzieren einer Systemreaktion auf einen Schock sein. In diesem Fall wirkt die Vorrichtung als Absorber oder Isolator. In manchen Fällen jedoch ist sehr wenig Verlust erwünscht. Die vorliegende Konstruktion ist abhängig von der Natur der eingesetzten Materialien für jede Anwendung gut geeignet.

Claims

1. Rotierende Energiespeichervorrichtung mit einer Welle (14), mit einem um die Welle drehbar angeordneten Ring (12) und mit wenigstens einem Wälzkörper (16), der zwischen der Welle und dem Ring komprimiert wird, um Kontaktzonen mit beiden zu bilden, mit einer Nockengeometrieeinrichtung (20), die auf einem Bauteil vorgesehen ist, welches die Welle und/oder den Ring und/oder den wenigstens einen Wälzkörper (16) aufweist, wobei bei Relativdrehung zwischen dem Ring (12) und der Welle (14) der wenigstens eine Wälzkörper (16) mit dem Ring und der Welle in Kontakt kommt, um eine Speicherung mechanischer Energie zu konvertieren und zu bewirken, die durch die Relativdrehung des Rings und des Schafts erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Nockengeometrieeinrichtung (20) unterschiedliche indizierte Profile aufweist, um Bereiche niedriger und hoher Steifigkeit gegen jeden Wälzkörper zu schaffen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Nockengeometrieeinrichtung asymmetrisch ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Nockengeometrieeinrichtung symmetrisch ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Stützring (Back- Up-Ring) (52), der konzentrisch um den Ring (12) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei dem der Stützring (52) abwechselnd dünne und dicke indizierte Querschnittbereiche aufweist, um die Bereiche niedriger und hoher Steifigkeit gegen den oder jeden Wälzkörper zu schaffen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei dem der Stützring (52) um den Ring (12) drehbar angeordnet ist, um die Orientierung der indizierten Bereiche niedriger und hoher Steifigkeit an den oder jeden Wälzkörper umzukehren.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Nockengeometrieeinrichtung außen entlang der Welle in einer Axialrichtung vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Welle (64) außerdem eine Längsbohrung (65) aufweist und außerdem eine Innenwelle (66) aufweist, die in der Bohrung angeordnet ist, wobei die Welle (64) indizierte, abwechselnd dünne und dicke Querschnittsbereiche aufweist, um die Bereiche niedriger und hoher Steifigkeit gegen den oder jeden Wälzkörper zu bilden.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die innere Welle (66) in der Bohrung (65) drehbar ist, um die Richtung der indizierten Bereiche niedriger und hoher Steifigkeit an jeden Wälzkörper umzukehren.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die innere Welle (66) in der Bohrung durch eine indizierende Schlüsseleinrichtung (67) drehbar ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Nockengeometrieeinrichtung mit einer Freilaufgeometrie (21) auf dem Wälzkörper versehen ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Nockengeometrieeinrichtung (20) auf der Welle (14) vorgesehen ist, um den wenigstens einen Wälzkörper (16) mit dem Ring (12) in Kontakt zu bringen, wobei die Nockengeometrieeinrichtung ein erstes Nockenprofil und ein zweites Nockenprofil mit einer Position ohne Anhebung (zero-lift Position) aufweist, die zwischen dem ersten und dem zweiten Nockenprofil angeordnet ist, und wobei das erste Nockenprofil und das zweite Nockenprofil um die Stellung ohne Anhebung (zero-lift Position) derart angeordnet sind, daß bei Bewegung des wenigstens einen Wälzkörpers aus der zero-lift Position durch das erste und das zweite Nockenprofil die Bereiche mit hoher und niedriger Steifigkeit entsprechend geschaffen werden.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Vielzahl von auf der Welle angeordneten Nockengeometrieeinrichtungen (20), die mit dem oder jedem Wälzkörper (16) korrespondieren und bewirken, daß sie mit dem Ring in Kontakt kommen.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei jede Einrichtung aus der Vielzahl von Nockengeometrieeinrichtungen (20) ein erstes Nockenprofil und ein zweites Nockenprofil mit einer zero-lift Position hat, die zwischen dem ersten und dem zweiten Nockenprofil angeordnet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der bei Bewegen des oder jedes Wälzkörpers (16) aus der zero-lift Position in eine erste Richtung, der oder jeder Wälzkörper sich entlang der ersten Nockenprofile bewegt, die einen Bereich höherer Steifigkeit gegen den oder jeden Wälzkörper bilden, und bei dem bei Bewegen des oder der Wälzkörper aus der zero-lift Position in eine zweite Richtung, entgegengesetzt zu der ersten Richtung, der oder jeder Wälzkörper sich entlang der zweiten Nockenprofile bewegt, die einen Bereich niedrigerer Steifigkeit gegen die Wälzkörper bilden.

16. Vorrichtung nach Anspruch 13, 14 oder 15, bei der die Vielzahl von Nockengeometrieeinrichtungen wenigstens eine zweite Nockengeometrieeinrichtung (43) einschließt, die zwischen der zuerst genannten Nockengeometrieeinrichtung (20) um die Welle (14) herum alternierend orientiert ist, wobei die zweite Nockengeometrieeinrichtung ein drittes Nockenprofil und ein viertes Nockenprofil aufweist, wobei eine zero-lift Position zwischen dem dritten und dem vierten Nockenprofil angeordnet ist, wobei die dritten Nockenprofile und die vierten Nockenprofile um ihre korrespondierenden zerolift Positionen jede der zweiten Nockengeometrieeinrichtungen asymmetrisch vorliegen und so ausgebildet sind, daß bei einem Bewegen des oder jedes Wälzkörpers (16) aus der zero-lift Position in die erste Richtung, der oder jeder Wälzkörper sich entlang der vierten Nockenprofile bewegt, die einen Bereich niedrigerer Steifigkeit gegen den oder jeden Wälzkörper bilden, und bei Bewegen des oder jedes Wälzkörpers aus der zerolift Position in die zweite Richtung der oder jeder Wälzkörper sich entlang des dritten Nockenprofils bewegt, was einen Bereich mit höherer Steifigkeit gegen den oder jeden Wälzkörper schafft, wobei der oder jeder Wälzkörper zusammen in und zwischen die zero-lift Positionen der ersten erwähnten Nockengeometrieeinrichtung und der zweiten Nockengeometrieeinrichtung bewegbar ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der der oder jeder Wälzkörper in und zwischen die zero-lift Positionen der ersten erwähnten Nockengeometrieeinrichtung und der zweiten Nockengeometrieeinrichtung durch Relativdrehung des Rings und der Welle bewegt wird.

18. Resonierendes, oszillierendes, auf Massebasis arbeitendes Drehmomentwerkzeug, mit einer drehbaren resonierend oszillierenden Masse (34) und mit einer rotierenden Energiespeicherungsvorrichtung (10), die die oszillierende Masse mit einem drehenden unter Reibung festsitzenden Werkstück verbindet, wobei die rotierende Speicherenergievorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.

19. Resonierendes, oszillierendes, auf Massebasis arbeitendes Drehmomentwerkzeug, nach Anspruch 18, bezogen auf Anspruch 12, mit einer Vielzahl von Wälzkörpern (16), die in und zwischen die zero-lift Positionen der ersten Nockengeometrieeinrichtung (20) und der zweiten Nockengeometrieeinrichtung (43) bewegt werden, indem ein Drehmoment nahe der Resonanzerregung auf die oszillierende Masse aufgebracht wird.