DE102004019865A1

DE102004019865A1 - Vorrichtung zum Wandeln einer Drehbewegung in eine Translationsbewegung

Info

Publication number: DE102004019865A1
Application number: DE200410019865
Authority: DE
Original assignee: Wacker Construction Equipment AG
Current assignee: WACKER NEUSON PRODUKTION GMBH & CO. KG, DE
Priority date: 2004-04-23
Filing date: 2004-04-23
Publication date: 2005-11-17

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Wandeln einer Drehbewegung in eine Translationsbewegung angegeben mit: einem Hohlrad (1), einem im Hohlrad (1) umlaufenden Innenrad (2) mit dem halben Durchmesser des Hohlrads (1), einer das Innenrad (2) tragenden Kurbel (4), die auf einer Drehachse (5) drehbar gelagert ist und auf die die Drehbewegung übertragbar ist, wobei die Drehachse (5) mit der Mittelachse des Hohlrads (1) zusammenfällt und wobei das Innenrad (2) auf einer Innenradachse (6) drehbar gelagert ist, die bei umlaufendem Innenrad (2) eine Kreisbahn mit halbem Hohlraddurchmesser beschreibt, deren Mittelpunkt mit der Mittelachse des Hohlrads (1) zusammenfällt, und mit einem am Innenrad (2) befestigten Mitnehmer (7), an dem die Translationsbewegung abgreifbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Wandeln einer Drehbewegung in eine Translationsbewegung, deren Verwendung in einem Bohr- und/oder Schlaghammer oder einer Bodenverdichtungsvorrichtung, einen Bohr- und/oder Schlaghammer, sowie eine Bodenverdichtungsvorrichtung.
Die Antriebseinheiten für Bohrhämmer, Schlaghämmer, Stampfer und dergleichen umfassen üblicherweise Motoren, deren Drehbewegung nach der Drehzahlanpassung (Frequenz) über ein Getriebe in eine Linearbewegung umgewandelt wird. Hierzu wird meistens ein Kurbeltrieb mit Pleuel oder in wenigen Fällen eine Taumelwelle eingesetzt.
Der Kurbeltrieb benötigt viel Platz und erzeugt seitliche Kräfte, die an einer Linearführung abgefangen werden müssen und die zusätzlich Querbeschleunigungen verursachen. Dabei ist die Baulänge des Kurbeltriebs wegen der notwendigen Pleuellänge groß. Bei konstanter Antriebsdrehzahl ergibt sich je nach relativer Pleuelstangenlänge ein deutlich von einer Sinusbewegung abweichender Amplitudenzeitverlauf.
Die Taumelwelle erzeugt nicht voll kompensierbare Pendelmomente. An der Kraftübergabestelle am Taumelfinger wird neben einer pendelnden Drehbewegung auch noch eine Schiebebewegung übertragen. Auf die Übergabestelle, an der die Translationsbewegung des Taumelfingers auf das anzutreibende Element übertragen wird, wirken dabei zusätzliche radiale und azimutale Querkräfte zur Antriebsachse der Taumelwelle.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, mit der eine Drehbewegung in eine Translationsbewegung ohne Querbewegungsanteil umgewandelt werden kann. Eine weitere der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, einen verbesserten Bohr- und/oder Schlaghammer sowie eine verbesserte Bodenverdichtungsvorrichtung anzugeben.

Die Aufgaben werden gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1, durch die Verwendung der Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 7 und 8, durch einen Bohr- und/oder Schlaghammer gemäß Anspruch 9, sowie durch eine Bodenverdichtungsvorrichtung gemäß Anspruch 11 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind unter anderem in abhängigen Ansprüchen definiert und/oder werden in der weiteren Beschreibung erläutert.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Wandeln einer Drehbewegung in eine Translationsbewegung umfasst: ein Hohlrad, ein im Hohlrad umlaufendes Innenrad, dessen Durchmesser dem halben Durchmesser des Hohlrads entspricht und eine das Innenrad drehbar tragende Kurbel, die auf einer Drehachse drehbar gelagert ist und auf die die Drehbewegung übertragbar ist, wobei die Drehachse mit der Mittelachse des Hohlrads zusammenfällt, und wobei das Innenrad auf einer Innenradachse drehbar gelagert ist, die bei umlaufendem Innenrad eine Kreisbahn mit halben Hohlraddurchmesser beschreibt, deren Mittelpunkt mit der Mittelachse des Hohlrads zusammenfällt. Weiterhin weist die Vorrichtung einen am Innenrad oder Außenrad befestigten Mitnehmer auf, an dem die Translationsbewegung abgreifbar ist.

Das heißt, es kann von einem Antrieb ein Drehmoment auf die Kurbel übertragen werden, die sich daraufhin um die Drehachse dreht. Dadurch bewegt sich das Innenrad auf der vom Hohlrad vorgegebenen Hohlradkreisbahn. Da der Durchmesser des Innenrads halb so groß ist wie der Durchmesser des Hohlrads, bewegt sich der Mitnehmer auf einer Geraden, die die Hohlradkreisbahn halbiert. Zusätzlich zu der translatorischen Bewegung des Mitnehmers vollzieht dieser auch eine Drehbewegung um die eigene Achse. Soll die Linearbewegung beispielsweise zum linearen Antrieb eines Elements verwendet werden, so ist es deshalb vorteilhaft, den Mitnehmer mit dem Element über ein Lager zu verbinden.

Bevorzugt ist der Mitnehmer im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet. Somit kann ein am Mitnehmer zu befestigendes Element gut am Mitnehmer drehbar gelagert werden.

Der Abstand der Mittelachse des Mitnehmers von der Innenradachse ist vorteilhafterweise gleich dem halben Durchmesser des Innenrads. Anders ausgedrückt ist der radiale Abstand der Mittelachse des Mitnehmers von der Innenradachse gleich dem Radius des Innenrads. Falls das Innenrad als Zahnrad ausgebildet ist, wird der Teilkreisdurchmesser des Zahnrads als Durchmesser des Innenrads angesehen. Unter „Durchmesser" wird also der mittlere Durchmesser bzw. wirksame Durchmesser des Innenrads verstanden. Gleiches gilt für den Durchmesser des Hohlrads. Falls das Hohlrad beispielsweise als Innenzahnrad ausgebildet ist, wird der Teilkreisdurchmesser des Hohlrads als Durchmesser bzw. mittlerer oder wirksamer Durchmesser des Hohlrads betrachtet. Gleiches gilt entsprechend auch für den Radius des Innenrads bzw. den Radius des Hohlrads, die dem Teilkreisradius des Innenrads bzw. dem Teilkreisradius des Hohlrads entsprechen.

Vorteilhaft ist es auch, wenn die Kurbel an einem der Innenradachse gegenüberliegenden Ende eine Gegenmasse zum Ausgleich von Unwuchtkräften aufweist. Die Unwuchtkräfte können durch die von der Kurbel angetriebene Masse des Innenrads oder von Lagern, auf denen das Innenrad gelagert ist, entstehen. Die Kurbel kann auch eine Außenverzahnung tragen und über diese mit einem von dem Antrieb angetriebenen Zahnrad angetrieben werden.

Es ist weiterhin von Vorteil, wenn das Innenrad schlupffrei im Hohlrad umläuft.

Um einen schlupffreien Umlauf des Innenrads im Hohlrad zu gewährleisten, kann beispielsweise das Innenrad eine Verzahnung aufweisen und das Hohlrad eine Gegenverzahnung. D. h., das Innenrad ist ein Zahnrad mit Außenverzahnung und das Hohlrad ein Innenzahnrad. Es ist auch möglich, dass das Innenrad als mit rutschfestem Material beschichtete Walze ausgebildet ist und dass das Hohlrad eine entsprechende rutschfeste Innenbeschichtung aufweist.

Erfindungsgemäß wird die oben definierte Vorrichtung in einem an sich bekannten Bohr- und/oder Schlaghammer verwendet, der einen Antrieb zum Antreiben der Kurbel, einen mit dem Mitnehmer verbundenen Antriebskolben eines Luftfederschlagwerks, auf den die Translationsbewegung des Mitnehmers übertragen wird, und einen vom Antriebskolben angetriebenen Schlagkolben aufweist. Das Luftfederschlagwerk weist einen Schlagkolben bzw. eine Schlagmasse auf, die über eine Luftfeder vom Antriebskolben in eine Hin- und Herbewegung, das heißt Linearbewegung, versetzt wird. Der Antrieb kann beispielsweise ein Elektromotor oder ein Verbrennungsmotor sein. Die Schlagenergie der Schlagmasse wird dann stoßartig auf ein Werkzeug übertragen.

Weiterhin wird die oben definierte Vorrichtung erfindungsgemäß in einer an sich bekannten Bodenverdichtungsvorrichtung, z. B. einem Stampfer, verwendet, die einen Antrieb zum Antreiben der Kurbel und eine Arbeitsmasse, auf die die Linearbewegung des Mitnehmers übertragbar ist, aufweist. Die Translationsbewegung wird dabei über eine Federeinrichtung auf die wenigstens eine Bodenkontaktplatte aufweisende Arbeitsmasse übertragen.

Der erfindungsgemäße Bohr- und/oder Schlaghammer weist ein Gehäuse auf, in dem die oben definierte Vorrichtung integriert ist. Ferner weist der Bohr- und/oder Schlaghammer einen Elektromotor auf, mit dem die Kurbel angetrieben wird. Am Mitnehmer ist ein Antriebskolben eines Luftfederschlagwerks mittels eines Lagers befestigt, auf den die Translationsbewegung des Mitnehmers übertragen wird.

Vorteilhaft ist es, wenn das Hohlrad Teil des Gehäuses des Bohr- und/oder Schlaghammers ist. Gegenüber der Verwendung eines Kurbeltriebs kann somit Platz eingespart werden.

Die erfindungsgemäße wegerregte Bodenverdichtungsvorrichtung, z. B. ein Stampfer, umfasst ein Gehäuse, eine oben definierte Vorrichtung, einen Antrieb zum Antrieb der Kurbel und eine Arbeitsmasse, auf die die Linearbewegung des Mitnehmers übertragbar ist. Der Antrieb kann ein Elektromotor oder ein Verbrennungsmotor sein.

Auch hier ist es vorteilhaft, wenn das Hohlrad Teil des Gehäuses der Bodenverdichtungsvorrichtung ist. Somit kann auch hier Platz eingespart werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform mit Bezug auf die Zeichnungen ersichtlich.
1 zeigt eine schematische Draufsicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
2 zeigt eine schematische Schnittansicht der Vorrichtung gemäß dem in 1 mit A gekennzeichneten Schnitt.
1 zeigt ein Hohlrad 1 mit einem Hohlradradius R1. Im Hohlrad 1 läuft ein Innenrad 2 mit einem Innenradradius R2. Der Innenradradius R2 ist dabei genau halb so groß wie der Hohlradradius R1, das heißt es gilt: R2 = R1/2. Das Innenrad 2 ist mittels eines Lagers 3 drehbar auf einer Kurbel 4 gelagert. Die Kurbel 4 ist auf einer Drehachse 5 drehbar gelagert.
Das Innenrad 2 ist so an der Kurbel 4 gelagert, dass die Mittelachse des Innenrads 2, im folgenden Innenradachse 6, einen Abstand von der Drehachse 5 hat, der gleich dem Innenradradius R2 ist. Mit anderen Worten ist das Innenrad 2 der art drehbar auf der Kurbel 4 gelagert, dass die Innenradachse 6 bei umlaufendem Innenrad 2 eine Kreisbahn (in 1 gestrichelt) mit Innenradradius R2 beschreibt, deren Mittelpunkt mit der Mittelachse des Hohlrads 1 bzw. der Drehachse 5 zusammenfällt.
Seitlich am Innenrad 2 ist ferner ein als Mitnehmer dienender Bolzen 7 mit einer Mittelachse 8 befestigt. Die Mittelachse 8 des Bolzens 7 liegt dabei genau auf dem Teilkreis des Innenrads 2.
Der radiale Abstand der Mittelachse 8 zu der Innenradachse 6 entspricht dem Innenradradius R2.
Aufgrund des Verhältnisses vom Hohlradradius R1 zum Innenradradius R2 führt die Mittelachse 8 des Bolzens 7 bei umlaufendem Innenrad 2 eine Linearbewegung mit einem Hub B aus. Der Hub B der Linearbewegung entspricht dabei genau dem Durchmesser des Hohlrads 1, das heißt 2∙R1.
Der Bolzen 7 bzw. die Mittelachse 8 des Bolzens 7 führt deshalb eine Linearbewegung aus, da die beschriebene Vorrichtung eine Hypozykloide mit M = 2 nachbildet.
Das Innenrad 2 ist als Zahnrad ausgebildet, während das Hohlrad 1 als Innenzahnrad mit einer entsprechenden Gegenverzahnung (in 1 nicht dargestellt) ausgestattet ist. Das Innenrad 2 besitzt genau halb so viele Zähne wie die Gegenverzahnung des Hohlrads 1.
1 zeigt ferner eine Gegenmasse 9, die an der Kurbel 4 vorgesehen ist. Die Gegenmasse 9 ist auf der dem Lager 3 für das Innenrad 2 gegenüberliegenden Seite der Kurbel 4 angeordnet. Durch die Gegenmasse 9 können Unwuchten ausgeglichen werden, die durch die Masse des Innenrads 2, des Lagers 3 und des Bolzens 7 beim Drehen der Kurbel 4 verursacht werden.
Im in 2 dargestellten Querschnitt erkennt man, dass die Mittelachse 8 des Bolzens 7 auf dem Teilkreis des Innenrads 2 liegt. Ferner ist eine Ausgleichsmasse 10 gezeigt, die seitlich am Innenrad 2 befestigt ist. Mit der Ausgleichsmasse 10 können Unwuchten am Innenrad 2 ausgeglichen werden, die durch die Masse des Bolzens 7 hervorgerufen werden können.
Beim Betrieb der Vorrichtung wird beispielsweise mit einem Motor eine auf der Drehachse 5 liegende Antriebswelle 5a angetrieben. Dadurch wird die Kurbel 4 um die Drehachse 5 gedreht, und das Innenrad 2 läuft im Hohlrad 1 um. Durch das Radienverhältnis vom Hohlradradius R1 zum Innenradradius R2 bewegt sich der Bolzen 7 bzw. die Mittelachse 8 des Bolzens auf einer Geraden, die durch den Mittelpunkt des Hohlrads 1 verläuft. Bei einem vollen Umlauf des Innenrads 2 im Hohlrad 1 bewegt sich der Bolzen 7 genau einmal auf und ab (in 1 von links nach rechts) und legt eine Wegstrecke zurück, die doppelt so groß ist wie der Durchmesser des Hohlrads 1 (zweimal Wegstrecke B).
In 2 erkennt man auch, dass das Hohlrad 1 Teil eines Gehäuses 11 eines Bohrhammers sein kann (Bohrhammer nicht dargestellt). Ferner ist eine Führungsstange 12 des Bohrhammers dargestellt. Beim Betrieb der Vorrichtung wird die Führungsstange 12 in 2 von rechts nach links bewegt. Durch die Führungsstange 12 kann ein mit dieser verbundener Antriebskolben in eine Linearbewegung versetzt werden, wodurch ein Luftfederschlagwerk des Bohrhammers betrieben wird.
Vorteilhaft bei der Vorrichtung bzw. dem System ist es, dass die Führungsstange 12 direkt am Bolzen 7 (Lagerzapfen) angekuppelt werden kann, wodurch die Baulänge entsprechend verkürzt wird. Auf die Führung des Lineargliedes, das heißt auf die Führungsstange 12 bzw. das Lager, mit dem die Führungsstange 12 am Bolzen 7 befestigt ist, wird keine seitliche Kraft ausgeübt. Es müssen somit keine Kippmomente aufgefangen werden, die zusätzliche Reibkräfte verursachen würden.
Die Führungsstange 12 kann zusätzlich auch auf der gegenüberliegenden Seite (in 2 linke Seite) linear geführt werden.
Der seitliche Platzbedarf ist gegenüber einem Kurbeltrieb ebenfalls geringer, da das Hohlrad 1 (Innenzahnrad) ein Element des Gehäuses ist und der Platzbedarf für das Kurbelwellenlager entfällt. Der Bolzen 7 (Befestigungszapfen) am Innenrad 2 ragt nur an seinen Endpunkten über das Hohlrad 1, das heißt das Innenzahnrad hinaus.
Die Erfindung stellt also einen klein bauenden Linearantrieb ohne Querkräfte bereit. Die Pendelmomente, die das kleine Zahnrad, das heißt das Innenrad 2, verursachen, lassen sich an der Kurbel 4 (Antriebskurbel) vollständig kompensieren. Die Pendelmomente durch den Bolzen 7 am Innenrad 2 lassen sich durch die Aus gleichsmasse 10 ebenfalls ausgleichen. Somit lassen sich sehr kurz bauende Hämmer, Bohrhämmer, Schlaghämmer und Stampfer realisieren.

Claims

Vorrichtung zum Wandeln einer Drehbewegung in eine Translationsbewegung mit: – einem Hohlrad (1), – einem im Hohlrad (1) umlaufenden Innenrad (2), dessen Durchmesser dem halben Durchmesser des Hohlrads (1) entspricht, – einer das Innenrad (2) drehbar tragenden Kurbel (4), die auf einer Drehachse (5) drehbar gelagert ist und auf die die Drehbewegung übertragbar ist, – wobei die Drehachse (5) mit der Mittelachse des Hohlrads (1) zusammenfällt, und – wobei das Innenrad (2) auf einer Innenradachse (6) drehbar gelagert ist, die bei umlaufendem Innenrad (2) eine Kreisbahn mit halbem Hohlraddurchmesser beschreibt, deren Mittelpunkt mit der Mittelachse des Hohlrads (1) zusammenfällt, und mit – einem am Innenrad (2) vorgesehenen Mitnehmer (7), an dem die Translationsbewegung abgreifbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mitnehmer (7) im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Mittelachse (8) des Mitnehmers (7) von der Innenradachse (6) gleich dem halben Durchmesser (R2) des Innenrads (2) ist.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbel (4) an einem dem Ort der Innenradachse (6) gegenüberliegenden Ende eine Gegenmasse (9) zum Ausgleich von Unwuchtkräften aufweist.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrad (2) schlupffrei im Hohlrad (1) umläuft.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das Innenrad (2) eine Verzahnung aufweist oder als mit rutschfestem Material beschichtete Walze ausgebildet ist, und dass – das Hohlrad (1) eine Gegenverzahnung oder entsprechend eine rutschfeste Innenbeschichtung aufweist.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in einem Bohr- und/oder Schlaghammer mit – einem Antrieb zum Antreiben der Kurbel (4), – einem mit dem Mitnehmer (7) verbundenen Antriebskolben eines Luftfederschlagwerks, auf den die Translationsbewegung des Mitnehmers (7) übertragen wird, und mit – einem vom Antriebskolben angetriebenen Schlagkolben.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in einer Bodenverdichtungsvorrichtung mit – einem Antrieb zum Antreiben der Kurbel (4) und – einer Arbeitsmasse, auf die die Linearbewegung des Mitnehmers (7) übertragbar ist.
Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Mitnehmer und der Arbeitsmasse ein Federsatz angeordnet ist.
Bohr- und/oder Schlaghammer mit – einem Gehäuse (11), – einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, – einem Antrieb zum Antreiben der Kurbel (4), – einem mit dem Mitnehmer (7) verbundenen Antriebskolben eines Luftfederschlagwerks, auf den die Translationsbewegung des Mitnehmers (7) übertragen wird, und mit – einem vom Antriebskolben angetriebenen Schlagkolben.
Bohr- und/oder Schlaghammer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlrad (1) Teil des Gehäuses (11) ist.
Bodenverdichtungsvorrichtung mit – einem Gehäuse (11), – einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, – einem Antrieb zum Antreiben der Kurbel (4) und – einer Arbeitsmasse, auf die die Linearbewegung des Mitnehmers (7) übertragbar ist.
Bodenverdichtungsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Mitnehmer und der Arbeitsmasse ein Federsatz angeordnet ist.
Bodenverdichtungsvorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlrad (1) Teil des Gehäuses (11) ist.