CN102171414A - 气动动力工具中的设备以及动力工具 - Google Patents

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Abstract

一种用于气动动力工具(1)的速度控制设备，所述工具包括具有压力空气入口(7)的外壳(2)、输出主轴、具有涡轮机叶轮(19)的空气涡轮机，所述叶轮以驱动方式连接至所述输出主轴，其中多个喷嘴(11)布置为用于将运动的空气引导到所述涡轮机叶轮上，并且其中所述速度控制设备包括阀单元(22)，以用于响应于速度响应控制压力而对穿过所述喷嘴的压力空气流动进行控制。所述多个喷嘴分为分离的喷嘴组(12、13、14)，该喷嘴组通过单独的空气供给通道而具有单独的空气供给，并且有n(n为整数，n＞1)个喷嘴组(12、13、14)，阀单元(22)能够被致动为用于控制到达所述n个喷嘴组的空气供给的n个状态，从而对于每个随后的状态，x(1≤x≤n，x是整数)个空气供给通道(15、16、17)连接至所述压力空气入口，从而使得喷嘴组1-x被供给空气。

Description

气动动力工具中的设备以及动力工具
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于气动动力工具的速度控制设备，以及一种根据权利要求10的前序部分的气动动力工具。
背景技术
EP 0 575 301 Bl描述了一种具有这样一种速度控制设备(称为调速器)的气动动力工具，所述速度控制设备包括阀元件并且分类为作为对于速度响应控制压力的响应而对压力空气流动进行控制。
在之前已知的设备中，调速器具有空气入口流动控制阀，该阀由源自于运动空气流动的控制压力进行致动。来自于EP 0 575 301 Bl的调速器阀单元的输出空气穿过供给通道在动力工具的外壳中遵循一条通道，从而到达多个喷嘴。阀元件在控制压力和入口空气压力之间取得平衡，从而使得到达喷嘴的空气工具流动足以将涡轮机叶轮旋转速度保持在希望的水平。
根据背景技术的动力工具工作良好，但是最近的需求对于操作的经济性，特别是对于更高的能量效率，提出了更高的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种如上文所述的速度控制设备，该设备解决了现有技术的缺点并且提供了一种节省能量且成本有效的方案，该方案易于使用并且能够与高效率气动动力工具一起成功地使用，所述气动动力工具是如下类型：具有带高速涡轮机叶轮的空气涡轮机，所述高速涡轮机叶轮以驱动方式连接至输出主轴。
这个目的是通过根据权利要求1的特征部分的特征通过根据上文的速度控制设备而实现的。
从而，可以通过对应于所需流动步骤对涡轮机进行供给，其中对于每一步骤，主气流更加接近适配于致动的喷嘴组或多个喷嘴组中各个喷嘴的最佳流动模式。因而，这就避免了全部数量的喷嘴都供给相对较低的流动从而每个喷嘴中的流动速度都毫无效率地处于较低水平，该所避免的情况会导致动力工具的低质量运行以及不必要的高空气消耗和能量成本。特别地，有利的情况是，对实施本发明的工具进行操作，从而在运行喷嘴中的流动速度达到音速。
一般而言，可以为设备提供任何数量n的喷嘴组(n为整数，n＞1)，但是实际情况当然是对于数量有合理的限制，因为对于工具通道等等有空间限制。因此，通常设想的是在根据本发明的手提动力工具中具有2-4个喷嘴组。通常还设想的是，在每组中具有1-4个喷嘴(这不是限制性的)。应该理解的是，对于n个喷嘴组，阀单元被控制为根据对于运行的特别状态的需求(即实践中的主要负载)而将空气供给至n个喷嘴组的x个，1≤x≤n，x为整数。
作为例子，当喷嘴组的数量为二时：阀单元能够被致动，从而在第一状态，仅仅只有第一空气供给通道连接至压力空气入口，从而仅仅只有喷嘴组的第一个被供给空气，在第二状态，第一和第二空气供给通道连接至压力空气入口，从而喷嘴组的第一个以及第二个被供给空气。在这里“状态”指的是设备的运行状态。
速度响应参数优选地为速度响应控制压力，并且特别地涉及涡轮机叶轮的空气流动下游。然而，速度响应参数也能够涉及这样一种速度信号，其或多或少直接表明了涡轮机、传动装置或输出轴的任何一个中的元件的旋转速度。
优选地，阀单元包括阀元件，所述阀元件联接至活塞装置，所述活塞装置又布置为由速度响应控制压力而进行致动。从而，可以对活塞面积和面积比例进行选择而不必考虑阀元件尺寸，这是一个优点，因为可以对这些部件的尺寸进行设计使其更加彼此独立，并且可以生产易于集成在小尺寸高效率动力工具中的紧凑部件。
控制压力布置为作用在第一活塞面积上，所述第一活塞面积可以基本上大于第二活塞面积，而高压力入口空气压力作用在所述第二活塞面积上。根据优选实施方案，阀元件具有带有一个或更多径向孔的圆柱形裙部，所述径向孔布置为与阀外壳中的若干轴向移置或不同定位的径向开口配合，其中所述阀元件可密封地在轴向移动，从而径向开口分别连接至各个空气供给通道，用于将空气传递至各个喷嘴组。
优选地，安全阀套布置为在识别到过大工具速度的情况下关闭所述阀元件的径向孔。
优选地，所述活塞装置具有扩大的部分，所述扩大的部分在活塞腔中具有第一活塞面积A并且在茎干部分上联接至所述阀元件，所述茎干部分具有截面，所述截面具有第二活塞面积a，其中所述茎干部分密封地穿透分隔活塞腔和阀腔的壁。特别地，与所述第一活塞面积A定位为接受控制压力作用处的空间相对的所述活塞腔中的空间开放至外部环境。
对于包括根据本发明的速度控制设备的气动动力工具，获得了相应的优点。
附图说明
现在将通过实施方案并且参考附图更加具体地对本发明进行描述，在附图中
图1显示了根据本发明的气动动力工具的立体图，
图2显示了气动动力工具的立体图，出于解释说明的原因，外壳的一部分被去除了，
图3显示了图1和图2中的动力工具的涡轮机的一部分的立体图，
图4显示了用于动力工具的阀单元的立体图，
图5显示了阀单元的一部分(即阀外壳的外侧)的侧视图，图5a示出了在外壳中开口中的位置，
图6a至图6c以不同截面的形式显示了阀单元，以示出其中的流动通道，
图7a至图7d以轴向截面的形式显示了在阀元件的不同位置中的阀单元，
图8显示了图1和图2中的动力工具的部分截面，以及
图9显示了功率作为空气消耗的函数的图。
具体实施方式
本发明可应用于手提研磨机器(例如角磨机)和切削机器，其中有利的情况是，具有高功率/重量比。在图1中显示了具有研磨盘5的这样的动力工具1，其中工具具有外壳2、第一和第二把手3和4、安全罩6以及控制杠杆9。7表示压力空气入口，8表示入口连接装置。
一般而言，涡轮机器必须在涡轮机叶轮高速转动的情况下运行，以便最有效地利用空气流动。对于根据本发明的工具的要求是，其是耐用且坚固的。使用工具的环境通常充满了颗粒物，如果颗粒物能够进入工具的关键部分，例如可移动部件之间，那么这些颗粒物会对工具的功能产生危害。
在根据本发明的工具中，不允许超过额定速度，因为例如对于研磨盘，过快的速度会带来如下风险：盘碎裂并且以危险的方式从那里以高速散布开来。然而，在运行中却希望接近额定速度，因为对于更高的旋转工具速度，研磨过程得以增强。根据本发明的方案的结果是，对于给定的空气消耗，有用效果得以增强；相反地，对于给定的效果或功率，本发明提供了较少的空气消耗。
从而，图2中的工具1显示为去除了外壳部分，从而显示了具有多个喷嘴11的喷嘴单元10，喷嘴11分离为三个组，即第一喷嘴组12、第二喷嘴组13以及第三喷嘴组14。这些喷嘴组在各自的第一供给通道15、第二供给通道16和第三供给通道17之上单独地连接至阀单元(将在下文中描述)。
从而在根据本发明的工具中，存在三个喷嘴组n＝3，并且在每组中存在两个喷嘴。在图3中这种情况得以更加清楚地示出，其中，所示的喷嘴单元10定位成与涡轮机叶轮19配合。喷嘴组12包括两个喷嘴12’和12”，第二喷嘴组13包括两个喷嘴13’和13”，而第三喷嘴组14具有两个喷嘴14’和14”。每个喷嘴定义为各个叶片之间的通道，所述叶片是弯曲的，以便提供穿过设备的有利空气流动并且获得相对于涡轮机叶轮19的涡轮机叶轮刀片21的适当流动方向。不言而喻，在设备的组装状态下，各个喷嘴12’、12”、13’、13”、14’、14”之上的空间密封地连接至各个空气流动通道。喷嘴单元也显示为没有外壳壁，该外壳壁在喷嘴单元的径向外侧覆盖喷嘴组，如同在径向方向所看见的那样。颗粒物脱离槽20(根据申请人自己的US 5 383 762已知)在外围布置在喷嘴单元中。
喷嘴单元10还包括空转喷嘴18，其直接连接至入口，从而空气通过阀单元，用于调节到达喷嘴组12、13和14的空气流动。
图4显示了阀单元22的外侧，其具有用于密封环的外凹槽23，以用于与工具外壳中的其它部件密封接触。25表示第一阀出口，其在组装状态下与第一供给通道接触。26表示布置为与第二供给通道接触的第二阀出口，27表示布置为与第三供给通道接触的第三阀出口。在图4中还显示了压力空气入口以及围绕压力空气入口并且与安全释放垫圈单元28配合的安全阀套(用24表示)，该安全释放垫圈单元28由两个垫圈半部和释放弹簧28’组成，该释放弹簧28’迫使垫圈半部分开。在设备的正常运行中，垫圈半部处于所示的位置，其与安全阀套24接合并且通过支持元件(未显示)而支持在一起，支持元件定位于由49表示的区域。
在图5中显示的部件是阀外壳29，其是阀单元22的一部分。基本上如图中所示，具有三组径向开口，也就是第一径向开口(在图中显示了一个25’)、第二径向开口(在图中显示了一个26’)以及第三径向开口(在图中显示了一个27’)。这些开口分别相对于控制边缘25”、26”、27”在轴向上移置，从而在与阀元件上的相应控制边缘(图6c中的34”)配合的时候(如下文所述)，径向开口中的连续径向开口将会打开，用于连通至进入压力空气入口的空气的阀单元的外侧。
在图5a中更加具体地显示了开口，其中内部圆柱形阀外壳封装表面部分显示为处于扁平阶段，其中各个开口25’、26’、27’显示为它们各自的控制边缘25”、26”、27”实际上由彼此距离Δ1和Δ2所取代。
在图6b中显示了第一轴向截面，其处于x＝n＝3的喷嘴组与压力空气入口连通的阶段。在图6a中显示的阀单元22是以截面的形式显示的，其中阀元件30在阀外壳29中在阀腔41之内是可以轴向移动的。阀元件30具有带有径向孔34的圆柱形裙部31，并且与径向开口25’、26’和27’配合。阀元件30具有在阀腔41之内径向延伸的底部部分，并且具有用于连接至活塞装置32的孔。
活塞装置32具有扩大的活塞部分35，该活塞部分35具有处于活塞腔40中的致动面积A，其中在设备的运行过程中，控制压力被布置为占主导。扩大的活塞部分处于茎干部分36之上，该茎干部分36是圆柱形的并且密封地穿透活塞腔40和阀腔41之间的壁39，其刚性连接至阀元件30。茎干部分在其自由端承载有螺栓38，该螺栓38将阀元件30联接至活塞装置32。茎干部分36具有显然小于面积A的截面面积a。
扩大的活塞部分35和壁39之间的空间通过通气通道42开放至外部环境(图6b)。螺栓38进一步承载有偏转器元件43，该偏转器元件43的目的是朝向径向孔34引导空气流动并且使得可能的颗粒物偏转进入所述径向孔34，从而使得它们不对阀单元的功能产生危害。
从而，在图6a至图6c中，阀元件尽可能远地向右边移置。也就是说，活塞腔40之内的控制压力处于其最高水平，其中压力空气供给至所有三组喷嘴。在图6a中显示了径向孔34能够与第一径向开口25’以及与第一阀出口25连通。通过第二轴向截面，在图6b中显示了径向孔34能够与第二径向开口26’以及与第二阀出口26连通。在图6c中显示了径向孔34能够与第三径向开口27’以及与第三阀出口27连通。
在图6b中还显示了空气通道37，其用于保证入口空气压力在阀元件30的后侧占优势。
应该注意到，径向孔以及还可能有的径向开口优选地围绕相关阀部分的圆周定位为均匀分布，以获得在所述部分的径向方向上的力平衡。通过这种方式，阀元件将会得以减轻侧向力的作用，否则侧向力会倾向于将其按压在缸的壁上从而产生摩擦力，这种摩擦力将会对功能产生危害并且缩短设备的工作寿命。在一个实施方案中，径向孔和径向开口成对出现，它们围绕部分的圆周成对角线定位。其它方案是，存在三个或更多孔，它们以彼此之间类似的角度间隔分布。
在图7a至图7c中，阀单元显示为处于关闭状态(7a)以及三个不同的运行状态(7b至7d)。每个状态对应于阀元件的一定轴向位移。
在图7a中，阀单元由于复位弹簧33而关闭，该复位弹簧33迫使活塞装置32进入极限位置，在该极限位置不存在其大小能够移动活塞装置32的控制压力。阀外壳中的所有径向开口25’、26’和27’都由阀元件而关闭。
在图7b中，控制压力已经达到使得控制设备开始打开的大小，从而使得径向孔34能够与第一径向开口25’上的第一供给通道连通。
在图7c中，压力增大，从而使得阀元件及其径向孔34还能够与第二径向开口26’、第二阀出口26和第二供给通道连通。第一径向开口25’仍然打开，用于与压力控制入口连通。
在图7d中，压力已经进一步增大，在第一和第二径向开口25’和26’分别仍然打开的同时，第三径向开口27’也已经打开。
在图7a至图7d中显示了安全阀套24，该安全阀套24通过释放垫圈28而锁定到位。在垫圈28径向向外释放之后，如图中所示，安全阀套24自由移动，因为其被弹簧在朝向阀元件30的底部的方向上偏压(参见图8)，阀元件中的径向孔34被关闭，到达涡轮机的供给流动也完全关闭，从而动力工具停止。这是对于感测到的工具的过大旋转速度的响应，其本身是以前公知的，因此在这里不再进行进一步的描述。将套的内侧叠置于裙部之上也保护了阀元件以及相关部分免受由压力空气中包含的颗粒物引起的磨损等的影响。
从而，阀元件在关闭方向受到源自入口空气压力的力的影响，所述力与源自于弹簧33的弹簧力一起作用在面积a上。阀元件在打开方向还受到源自控制压力的力的影响，所述力作用在面积A上。这些力布置为彼此平衡，从而在承受不同负载的过程中获得对于工具的希望的运行特征。负载越大，越大的控制压力就会在打开方向上压迫弹簧装置和阀元件。有利的是，茎干部分相对较薄，这就使得即使相对于壁39中的孔存在一定的游隙也会产生较小的泄漏。活塞装置的相对较大的面积A减小了所需的设定力。当控制压力能够设置为较低水平时，能够更加有效地对空转喷嘴进行设计，这就减小了空转空气消耗。其也减小了低压力泄漏。
在图8中显示的动力工具1被部分剖开，为了清楚起见去除了各个部件。显示了阀单元22以及三个供给通道15、16和17。显示了上文描述的具有弹簧44的安全阀套24。在图8中还显示了控制压力通道45的一部分，其将涡轮机的控制压力下游引导至活塞腔，如上文所述。作为可以提及的进一步的特征，例如通过可调节设置螺栓，控制压力通道45之内的控制压力能够针对在直接处于涡轮机下游的通道中占优势的压力而调节，该螺栓允许放气至工具的外部。
在图9中示意性地显示了两条曲线，表示了对于动力工具，功率作为压力空气消耗的函数。曲线50表示根据本发明的动力工具，其展现出好得多的功率-空气消耗比，还展现出更好的低功率、低空气消耗性质。这是因为不同喷嘴组在各个阶段的贡献由于其中的流动而在致动的喷嘴中更加有效，其结果可以由曲线的整个范围中相对陡峭的曲线看出，特别是对于较低负载和部分负载。这可以与曲线51进行比较，曲线51是根据背景技术的动力工具的功率作为压力空气消耗的函数，其中空气消耗高得多，并且其中曲线在低功率/低空气消耗区域要平得多。
本发明能够在所附权利要求的范围之内进行修改。喷嘴组的数量可以不同于三个，每组中喷嘴的数量可以不同于两个，并且在单个工具中在不同的组中喷嘴的数量也可以不同。即使所选择的设计已经证明是有效的并且制造效率较高，喷嘴也能够通过其它方式进行构造。
对于将压力空气分布至喷嘴组，可以使用其它阀设备和其它控制原理。一个建议是使用离心调整阀来控制阀运行。对于阀设备的选择，即使上文描述的阀方案已经证明可以完全满足对于目前种类的工具的较高要求，也可以使用任何种类的稍微修改的引导控制的n出口阀。
本发明能够用于采用了涡轮机电机的各种气动工具，并且不限于这里描述的工具。

Claims (11)

1.一种速度控制设备，用于气动动力工具(1)，所述气动动力工具(1)包括具有压力空气入口(7)的外壳(2)、输出主轴、具有涡轮机叶轮(19)的空气涡轮机，所述涡轮机叶轮以驱动方式连接至所述输出主轴，其中多个喷嘴(11)布置为用于将运动的空气引导到所述涡轮机叶轮上，并且其中所述速度控制设备包括阀单元(22)，以用于响应于速度响应参数而对穿过所述喷嘴的压力空气流动进行控制，
其特征在于
-所述多个喷嘴分为分离的喷嘴组(12、13、14)，所述喷嘴组通过单独的空气供给通道而具有单独的空气供给，并且
-有n(n为整数，n＞1)个喷嘴组(12、13、14)，所述阀单元(22)能够被致动为用于控制到达所述n个喷嘴组的空气供给的n个状态，从而对于每个随后的状态而言，x(1≤x≤n，x是整数)个空气供给通道(15、16、17)连接至所述压力空气入口，从而使得喷嘴组1→x被供给空气，
-所述阀单元(22)包括阀元件(30)，所述阀元件具有带有一个或更多径向孔(34)的圆柱形裙部(31)，所述径向孔布置为与阀外壳(29)中的若干(n个)轴向不同定向的径向开口(25’、26’、27’)配合，其中所述阀元件可密封地轴向移动，所述径向开口分别连接至所述空气供给通道，并且
-所述径向孔(34)以及还可能有的径向开口(25’、26’、27’)围绕相关阀部分的圆周定位为均匀分布，以获得在所述部分的径向方向上的力平衡。
2.根据权利要求所述的设备，其特征在于，所述阀元件(30)联接至活塞装置(32)，所述活塞装置又布置为被所述速度响应控制压力致动。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，为了所述活塞装置的第一活塞面积(A)上受到压力作用，连接了用于传递所述控制压力的通道(45)；为了所述活塞装置的第二活塞面积(a)上受到压力作用，连接了用于传递所述入口空气压力的装置，以便使得活塞装置(32)平衡，从而使得所述压力之间的阀元件(30)平衡。
4.根据权利要求2或3所述的设备，其特征在于，布置了弹簧装置(33)以朝向非致动位置而偏压所述阀元件(30)。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，安全阀套(24)放置在所述压力空气入口(7)的区域中，并且通过弹簧(44)从第一位置朝向第二位置偏压，在所述第一位置，该安全阀套(24)由释放垫圈单元(28)支持，在所述第二位置它关闭所述一个或更多径向孔(34)。
6.根据权利要求3-5的任一项所述的设备，其特征在于，所述活塞装置具有扩大的部分(35)，所述扩大的部分在活塞腔(40)中具有第一活塞面积(A)并且在茎干部分(36)上联接至所述阀元件(30)，所述茎干部分具有截面，所述截面具有第二活塞面积(a)，其中所述茎干部分密封地穿透分隔所述活塞腔和阀腔(41)的壁(39)，所述阀腔(41)由圆柱形阀外壳(29)限定。
7.根据权利要求6的任一项所述的设备，其特征在于，与所述第一活塞面积(A)定位的空间相对的所述活塞腔(40)中的空间被开口(42)至外部环境。
8.根据权利要求6或7所述的设备，其特征在于，所述茎干部分(36)承载有偏转器元件(43)，以用于在所述一个或更多径向孔(34)的方向上引导入口空气以及可能的不需要的固体颗粒物。
9.根据前述权利要求的任一项所述的设备，其特征在于：所述速度响应参数是：速度响应控制压力，或者旋转速度信号。
10.一种气动动力工具(1)，包括具有压力空气入口(7)的外壳(2)、输出主轴、具有涡轮机叶轮(19)的空气涡轮机以及多个喷嘴(11)，所述涡轮机叶轮以驱动方式连接至所述输出主轴，所述喷嘴用于将运动的空气引导到所述涡轮机叶轮上，其特征在于，该工具包括根据前述权利要求的任一项所述的速度控制设备。
11.根据权利要求12所述的气动动力工具，其特征在于，该工具包括空转喷嘴(19)以及用于使得所述空转喷嘴与所述压力空气入口(7)连接的空转流动空气通道。
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