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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein pneumatisches Schlagwerk, insbesondere
ein elektrisch angetriebenes, pneumatisches Schlagwerk, für
eine Werkzeugmaschine, insbesondere eine Handwerkzeugmaschine, z.
B. einen Meisselhammer. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung
ein Steuerungsverfahren für ein pneumatisches Schlagwerk.
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BESCHREIBUNG DES STANDES DER
TECHNIK
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Ein
elektrisch betriebener Meisselhammer mit einem pneumatischen Schlagwerk
ist unter Anderem aus der
EP
1 779 980 A2 bekannt, deren schematische Darstellung des
Schlagwerks
501 aus
6 ist in
1 übernommen.
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In
einem Führungsrohr 530 ist ein Flugkolben 569 zwischen
einem Erregerkolben 520 und einem Endstück eines
Werkzeugs 599 angeordnet. Der Flugkolben 569 und
der Erregerkolben 520 schliessen luftdicht mit einer Wandung
des Führungsrohrs ab, so dass sich ein luftdicht geschlossener
Raum 580 zwischen dem Flugkolben 569 und dem Erregerkolben 520 ausbildet.
Der Raum 580 wird nachfolgend pneumatischer Raum 580 genannt.
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Der
Erregerkolben 520 bewegt sich, getrieben durch einen Exzenterantrieb 522, 523, 531,
periodisch in dem Führungsrohr 530 hin- und her.
Der Flugkolben 569 wird aufgrund seiner Kopplung an den
Erregerkolben 520 mittels des pneumatischen Raums 580 ebenfalls
zu einer periodischen Bewegung zwischen dem Erregerkolben 520 und
dem Endstück des Werkzeugs 599 angeregt.
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2 zeigt
schematisch den Verlauf der Bewegung von Erregerkolben
520 und
Flugkolben
580 über die Zeit t; der Verlauf ist
unter Anderem auch in der
13A der
EP 1 779 980 A2 dargestellt.
Die Ortsachse x gibt den Abstand zum Endstück des Werkzeugs
599 an.
Wenn sich der Erregerkolben
520 mit seiner höchsten
Geschwindigkeit in Richtung zu dem Werkzeug
599 bewegt
(zu kleinen x-Werten), kommen sich der Erregerkolben
520 und
der Flugkolben
569 am nächsten. Der pneumatische
Raum
569 wird dabei stark komprimiert und beschleunigt
in Folge den Flugkolben
569 in Richtung zu dem Werkzeug
599.
Der Flugkolben
569 schlägt danach ungedämpft
auf dem Endstück des Werkzeugs
599 auf. Ein Teil
der kinetischen Energie des Flugkolbens
569 wird dabei
auf das Werkzeug übertragen. Wie bei einem teilelastischen
Stoss mit einem schweren Stosspartner kehrt der Flugkolben
569 seine
Bewegungsrichtung um und bewegt sich mit verminderter Geschwindigkeit
in Richtung zu dem Erregerkolben
520. Der Hub H des Erregerkolbens
520,
die Winkelgeschwindigkeit des Erregerkolbens
520 und die
maximale Länge a des pneumatischen Raums
580 sind derart
aufeinander abgestimmt, dass die Bewegung des Flugkolbens
569,
wie dargestellt, resonant durch den Erregerkolben
520 angeregt
wird.
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Es
besteht der Bedarf die Schlagwirkung des Meisselhammers weiter zu
erhöhen, ohne dabei eine Leistungsaufnahme des Meisselhammers
zu erhöhen. Die Schlagwirkung des Meisselhammers ergibt
sich im Wesentlichen aus der bei einem Schlag in ein Werkstück
abgegebene Energie. Die Leistungsaufnahme ergibt sich aus dem Produkt
der pro Schlag abgegebenen Energie und der Schlagfrequenz der Schläge.
Folglich muss die Schlagfrequenz der Schläge abgesenkt
werden.
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Die
abgegebene Energie pro Schlag ist abhängig von der kinetischen
Energie, die der Flugkolben 569 bis zum Stoss aufnimmt.
Die Beschleunigungsarbeit wird von den Erregerkolben 520 geleistet,
die mit zunehmender Geschwindigkeit des Erregerkolbens 520 in
dem Führungsrohr 530 steigt. Die Geschwindigkeit
des Erregerkolbens 520 ist durch die Winkelgeschwindigkeit
und den Hub H des Erregerkolbens 520 vorgeben. Zwar ist
ein Erhöhen der Winkelgeschwindigkeit aufgrund der damit
steigenden Schlagfrequenz der Schläge nicht geeignet, jedoch
kann der Hub H des Erregerkolbens 520 erhöht werden.
Dies erfordert allerdings eine grössere maximale Länge
a des pneumatischen Raums 580 und somit ein längeres
Schlagwerk, um eine resonante Anregung des Flugkolbens 569 zu
gewährleisten.
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Damit
der Meisselhammer im Betrieb von einem Anwender ergonomisch gehalten
werden kann, sind jedoch die Abmessungen des Meisselhammers und
damit auch des Schlagwerks begrenzt.
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Die
kinetische Energie des Flugkolbens 569 kann auch durch
ein Erhöhen seiner Masse erreicht werden, jedoch erfährt
dann ein Bediener einen höheren Rückschlag beim
Beschleunigen des Flugkolbens 569 durch den Erregerkolben 520.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Eine
Aufgabe besteht darin, eine schlagende Werkzeugmaschine bereitzustellen,
die eine verbesserte Schlagwirkung unter Berücksichtigung
der ergonomischen Gesichtspunkte ermöglicht.
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Ein
Aspekt der Erfindung ist ein pneumatisches Schlagwerk. Das Schlagwerk
weist auf: einen Flugkolben, der längs einer Schlagachse
beweglich ist; eine Schlagfläche, die eine Bewegung des
Flugkolbens längs der Schlagachse in Schlagrichtung begrenzt;
einen Erregerkolben, der eine Bewegung des Flugkolbens längs der
Schlagachse entgegengesetzt der Schlagrichtung begrenzt; einen pneumatischen
Raum zwischen Flugkolben und Erregerkolben; einen Antrieb zum periodischen
Bewegen des Erregerkolbens mit einem Hub längs der Schlagachse,
wodurch der Flugkolben zu einer periodischen Bewegung zwischen Schlagfläche
und Erregerkolben angeregt ist. Der Hub ist in Abhängigkeit
einer maximalen Länge des pneumatischen Raums derart gewählt,
dass die periodische Bewegung des Flugkolbens auf dem Weg zwischen
einem Schlag auf die Schlagfläche und einer minimalen Annäherung
an den Erregerkolben zwischenzeitlich eine Geschwindigkeit von Null
aufweist.
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Die
maximale Länge des pneumatischen Raums ist der Abstand
des Erregerkolbens zu dem Flugkolben, wenn der Erregerkolben in
seiner der Werkzeugaufnahme entfernten Stellung und der Flugkolben
angrenzend an die Schlagfläche angeordnet ist. Die maximale
Länge dient als Grösse zum Auslegen und Charakterisieren
des Schlagwerks. Während des Betriebs nimmt der pneumatische
Raum in der Regel zu keinem Zeitpunkt die maximale Länge
ein.
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Ein
Umlauf des Flugkolbens in dem Schlagwerk setzt sich aus einer ersten
Phase mit einer Bewegung von der minimalen Annäherung an
den Erregerkolben zu dem Schlag und einer zweiten Phase mit einer
Bewegung von der Schlagposition zu der nächsten minimalen
Annäherung an den Erregerkolben zusammen. Die erste Phase
und die zweite Phase werden zusammen innerhalb einer Zeitspanne
abgeschlossen, die durch die Periodendauer der Bewegung des Erregerkolbens
vorgegeben ist. Aufgrund des Abbremsens des Flugkolbens bis zum
kurzeitigen Stillstand, erhöht sich die Dauer der zweiten
Phase zu Lasten der Dauer der ersten Phase. Der Flugkolben bewältigt
den Abstand zwischen minimaler Annäherung und dem Schlag
in kürzerer Zeit, ergo, wie gewünscht, mit einer
höheren Geschwindigkeit.
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Das
Abbremsen des Flugkolbens während der zweiten Phase erfolgt,
wenn die Abmessungen von Hub und maximaler Länge des pneumatischen
Raums geeignet gewählt sind. Am Anfang der zweiten Phase wird
der pneumatische Raum komprimiert, da sich der Erregerkolben nach
dem Schlag noch in Schlagrichtung bewegt oder der Flugkolben sich
anfänglich mit einer grösseren Geschwindigkeit
entgegen der Schlagrichtung bewegt als der Erregerkolben. Hierbei
ergibt sich ein Druckanstieg in dem pneumatischen Raum, welcher
den Flugkolben abbremst. Der Druckanstieg ist umso grösser,
je kleiner das Volumen des pneumatischen Raums oder je grösser
die noch verbleibende Hubbewegung des Erregerkolbens in Richtung
Schlagfläche ist.
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Gestützt
durch realisierte Schlagwerke und numerische Simulationen wird angenommen,
dass ein Schlagwerk mit dem zwischenzeitlichen Stillstand durch
Verringern der maximalen Länge oder Erhöhen des Hubs
und unter Beibehalten sonstiger bekannter Parameter eines bekannten
Schlagwerks ausgelegt werden kann.
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Der
Stillstand des Flugkolbens ist nur zwischenzeitlich. Typischerweise
wirkt auf den Flugkolben eine Kraft aufgrund eines Über-
oder Unterdrucks in dem pneumatischen Raum. Falls der Druck in dem
pneumatischen Raum dem Umgebungsdruck entspricht, führt
die Bewegung des Erregerkolbens zu einer Erhöhung oder
einem Absenken des Drucks, worauf in Folge der Flugkolben beschleunigt
wird.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Steuerungsverfahren für
ein pneumatisches Schlagwerk. Das Schlagwerk weist auf: eine Flugkolben,
der längs einer Schlagachse beweglich ist; eine Schlagfläche,
die eine Bewegung des Flugkolbens längs der Schlagachse
in Schlagrichtung begrenzt; einen Erregerkolben, der eine Bewegung
des Flugkolbens längs der Schlagachse entgegengesetzt der
Schlagrichtung begrenzt; einen pneumatischen Raum zwischen Flugkolben
und Erregerkolben; einen Antrieb zum periodischen Bewegen des Erregerkolbens
mit einem Hub längs der Schlagachse, wodurch der Flugkolben
zu einer periodischen Bewegung zwischen Schlagfläche und
Erregerkolben angeregt ist. Das Steuerungsverfahren stellt eine
Wiederholrate der periodischen Bewegung derart in Abhängigkeit
einer maximalen Länge des pneumatischen Raums ein, dass
die periodische Bewegung des Flugkolbens auf dem Weg zwischen einem
Schlag auf die Schlagfläche und einer minimalen Annäherung
an den Erregerkolben zwischenzeitlich eine Geschwindigkeit von Null aufweist.
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In
den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen des Schlagwerks
beschrieben.
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Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass der Hub in Abhängigkeit der
maximalen Länge des pneumatischen Raums derart gewählt
ist, dass der Flugkolben bei der Bewegung zwischen der Schlagfläche
und einer nächstfolgenden minimalen Annäherung
an den Erregerkolben wenigstens einmal die Bewegungsrichtung ändert.
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Eine Änderung
der Bewegungsrichtung während der zweiten Phase führt
zu einem längeren Weg, den der Flugkolben während
eines Umlaufs zurücklegt. Die Geschwindigkeit des Flugkolbens
während der ersten Phase ist höher, auch unter
Berücksichtigung der Randbedingung der vorgegebenen Zeitspanne
für einen Umlauf.
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Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass der Hub in Abhängigkeit der
maximalen Länge des pneumatischen Raums derart gewählt
ist, dass der Flugkolben zwischen zwei aufeinanderfolgenden minimalen
Annäherungen an den Erregerkolben wenigstens zweimal die
Schlagfläche berührt.
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Die
Umkehr der Bewegungsrichtung durch den zweiten Schlag führt
zu einer hohen Geschwindigkeit des Flugkolbens am Ende der zweiten
Phase. Der Flugkolben kann sich daher dem Erregerkolben stark annähern
und erfährt aufgrund des pneumatischen Raums danach eine
höhere Beschleunigung in Richtung zu der Schlagfläche.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die
nachfolgende Beschreibung erläutert die Erfindung anhand
von exemplarischen Ausführungsformen und Figuren. In den
Figuren zeigen:
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1 einen
Schnitt durch ein bekanntes Schlagwerk;
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2 eine
Flugbahn eines Flugkolbens in dem bekannten Schlagwerk;
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3 einen
Schnitt einer Ausführungsform einer schlagenden Handwerkzeugmaschine;
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4 einen
Schnitt einer Ausführungsform eines Schlagwerks;
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5 eine
Flugbahn eines Flugkolbens mit bekannten Parametern des Schlagwerks;
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6 eine
Flugbahn des Flugkolbens einer Ausführungsform des Schlagwerks;
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7 bis 9 weitere
Handwerkzeugmaschinen mit Schlagwerken.
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Gleiche
oder funktionsgleiche Elemente werden durch gleiche Bezugszeichen
in den Figuren indiziert, soweit nicht anders angegeben.
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AUSFÜHRUNGSFORMEN
DER ERFINDUNG
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3 zeigt
schematisch als Beispiel für eine schlagende Handwerkzeugmaschine
einen elektropneumatischen Meisselhammer 1, andere nicht
dargestellte Beispiele sind unter anderem Bohrhämmer, Kombihämmer.
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In
einem Maschinengehäuse 2 ist ein Antriebsstrang
mit einem primären Antrieb 3, einer Antriebswelle 4 und
einem Schlagwerk 5 angeordnet. Zwischen den primären
Antrieb 3 und die Antriebswelle 4 kann ein Getriebe 7 geschaltet
sein. Der primäre Antrieb 3 ist vorzugsweise ein
Elektromotor, beispielsweise ein Universalmotor oder ein bürstenloser
Motor. Die Antriebswelle 4 wird mit Drehzahlen im Bereich
zwischen 1 Hz und 100 Hz, zum Beispiel mit 10 Hz bis 60 Hz gedreht.
Die Drehbewegung der Antriebswelle 4 wird durch das Schlagwerk 5 in
eine periodische Schlagbewegung längs einer Schlagachse 8 übertragen.
Ein in einer Werkzeughalterung 9 gehaltenes Werkzeug wird
durch die periodischen Schläge längs der Schlagachse 8 in Schlagrichtung 99 aus
dem Meisselhammer 1 heraus getrieben. Ein Rückholen
des Werkzeuges in den Meisselhammer 1 gegen die Schlagrichtung 99 erfolgt
durch Anpressen des Meisselhammers 1 an ein Werkstück.
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4 zeigt
einen beispielhaften Aufbau des Schlagwerks 5.
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Das
Schlagwerk 5 weist einen Erregerkolben 12 und
einen Flugkolben 13 auf, die längs der Schlagachse 8 bewegbar
sind. In der dargestellten Ausführung sind der Erregerkolben 12 und
der Flugkolben durch eine Wand 11 eines Führungsrohrs 10 geführt.
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An
einem Werkzeug-seitigen Ende des Führungsrohrs 10 ist
ein Döpper 20 in einer Döpperführung 21 gelagert.
Ein Werkzeug-zugewandtes Ende 22 ist in Kontakt mit einem
Werkzeug 8, das in der Werkzeughalterung 9 gehalten
wird. Ein Werkzeug-abgewandtes Ende 23 des Döppers 20 ragt
aus der Döpperführung 21 in den Innenraum
des Führungsrohrs 10. Im schlagenden Betrieb liegt
der Döpper 20 an einem Werkzeug-abgewandten Ende 24 der
Döpperführung 21 an. In dieser Stellung
definiert das Werkzeug-abgewandte Ende 23 des Döppers 20 die
Position der Schlagfläche 27 des Schlagwerks 5.
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Der
Döpper 20 kann wie ausgeführt als Mittler
zwischen dem Flugkolben 13 und einem Werkzeug 8 in dem
Schlagwerk 5 vorgesehen sein. Dies ermöglicht
insbesondere eine Auslegung des Schlagwerks 5, die einer
Masse des eingesetzten Werkzeugs 8 unabhängig
ist. Der Döpper 20 kann hierfür deutlich
schwerer als die typische Masse des Werkzeugs 8 gewählt
werden.
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In
einer anderen Ausgestaltung ist kein Döpper 20 vorgesehen.
Der Flugkolben 13 schlägt unmittelbar auf eine
Endfläche des Werkzeugs 8. Die Endfläche
bildet in diesem Fall die Schlagfläche 27. Das
Werkzeug 8 ist in der Werkzeugaufnahme 9 soweit
als möglich in Richtung zu dem Schlagwerk 5 eingerückt.
In dieser Stellung definiert das Werkzeug 8 die Schlagfläche.
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Der
Erregerkolben 12 wird durch die Antriebswelle 4 zu
einer periodischen Bewegung längs der Schlagachse 14 gezwungen.
Die Antriebswelle 4 wird um ihre Drehachse 30 gedreht
und bewegt dabei einen zur Drehachse 30 exzentrisch angeordneten
Taumelfinger 31. Der Taumelfinger 31 ist über
ein Gestänge 32 mit dem Erregerkolben 12 verbunden.
Ein Hub H des Erregerkolbens 12 wird als der Abstand zwischen
den beiden Stellungen definiert, in welchen der Erregerkolben 12 der
Schlagfläche 27 am nächsten bzw. am weitesten
entfernt ist. Der Hub H des Erregerkolbens 12 ist durch
den Abstand 33 des Taumelfingers 31 von der Drehachse 30 vorgegeben
und entspricht näherungsweise dem Doppelten des Kurbelradius 33 des
Taumelfingers 31. Die Bewegung des Erregerkolbens 12 ist
periodisch und je nach Gestaltung des exzentrischen Antriebs 4 ist
die Bewegung sinusförmig oder in guter Näherung
sinusförmig.
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Der
Erregerkolben 12 und der Flugkolben 13 begrenzen
einen zwischen ihnen liegenden luftdicht abgeschlossenen Raum, den
pneumatischen Raum 19. Eine Querschnittsfläche
A des pneumatischen Raums 19 entspricht in etwa einer Querschnittsfläche
des Flugkolbens 13 und des Erregerkolbens 12.
Ein luftdichter Abschluss kann z. B. durch Dichtungsringe 15, 16 erreicht
werden. Der pneumatische Raum 19 hat eine maximale Länge
L, wenn der Erregerkolben 12 in maximaler Distanz zu der
Schlagfläche 27 ist und der Flugkolben 13 an
die Schlagfläche 27 angrenzt.
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Ein
einfaches Modell der Flugbahn des Flugkolbens 13 wird nachfolgend
anhand eines herkömmlichen Schlagwerks und eines Schlagwerk 5 gemäss
einer Ausführungsform erläutert. Das Modell dient
dazu Parameter des Schlagwerks 5 aufzufinden, bei denen
der Flugkolben 13 zwischen einem Schlag auf die Schlagfläche 27 und
einem nächstfolgenden minimalen Abstand zu dem Erregerkolben 12 wenigstens
zum Stillstand abgebremst wird oder sogar seine Bewegungsrichtung ändert.
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5 zeigt
dazu eine Flugbahn 100 des Flugkolbens 13 für
ein herkömmliches, langes Schlagwerk, aufgetragen über
die Zeit t. Die Flugbahn 100 ist mittels einer ad-initio
Simulation ermittelt. Die Parameter des Schlagwerks sind: Schlagfrequenz
f = 14,5 Hz; Masse des Döppers m1 =
2,119 kg; Masse des Flugkolbens m2 = 1,248
kg; Hub H = 0,094 m; maximale Länge des pneumatischen Raums
L = 0,204 m; Querschnittsfläche des pneumatischen Raums
A = 0,0034 m2; Schlagzahl q = 0,25. Die
Bahnkurve 101 des Erregerkolbens 12 ist ebenfalls
eingezeichnet. 6 zeigt eine Flugbahn 200 des
Flugkolbens 13 für ein kurzes Schlagwerk 5 gemäss
einer Ausführungsform. Der einzig gegenüber 5 geänderte
Parameter ist die maximale Länge L des pneumatischen Raums:
L = 0,139 m.
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Die
Flugbahn 100 des langen Schlagwerks kann in zwei Phasen 102, 103 begrenzt
durch Umkehrpunkte 104, 105 der Flugbahn 100 unterteilt
werden. Der erste Umkehrpunkt 104 ergibt sich bei dem minimalen Abstand
des Flugkolbens 13 an den Erregerkolben 12. Der
zweite Umkehrpunkt 105 ergibt sich durch den Schlag des
Flugkolbens 13 auf die Schlagfläche 27.
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Die
Flugbahn im Bereich des ersten Umkehrpunkts 104 kann durch
einen Stoss des Flugkolbens 13 an dem bewegten Erregerkolben 12 beschrieben
werden. Die effektive Masse des Erregerkolbens 12 wird
als unendlich angenommen, weil der Erregerkolben 12 an
den Antrieb starr angekoppelt ist. Typisch für eine resonante
Anregung fällt der erste Umkehrpunkt 104 mit der
maximalen Geschwindigkeit des Erregerkolbens 12 zusammen.
Die Geschwindigkeit v1 des Flugkolbens 13 nach
dem ersten Umkehrpunkt 104 ist somit näherungsweise ν1 = 2π·H·f + ν3, wobei v2 die Geschwindigkeit
vor dem ersten Umkehrpunkt 104 bezeichnet.
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Bei
dem Stoss des Flugkolbens
13 mit dem Döpper
20 bzw.
dem Werkzeug ist der Betrag der Geschwindigkeit v
2 des
Flugkolbens
13 nach dem Stoss geringer als die Geschwindigkeit
v
1 vor dem Stoss, da ein Teil der kinetischen
Energie des Flugkolbens
12 in den Döpper
20 übertragen
wird. Das Verhältnis (Schlagzahl q) der Geschwindigkeiten
v
2/v
1 ist durch
die Masse m
2 des Flugkolbens
13,
die Masse m
1 des Döppers
20 und
einen Formfaktor e der Stosspartner vorgegeben:
Der Formfaktor e weist Werte
von 0 bis 1 auf; für kurze gedrungene Stosspartner in der
Nähe von 1 und für eher länglich aufgebaute Stosspartner
in der Nähe von 0. Beispielhafte Werte für den
Schlagzahl k liegen im Bereich von 0,05 bis 0,35. Beispielhaft kann
die Stosszahl (q) zu 0,22 gewählt sein, wenn ein Verhältnis
m
1/m
2 der Masse
(m
1) des Döppers zu der Masse (m
2) des Flugkolbens (
13) grösser
als 1,2 ist und andernfalls die Stosszahl (q) zu 0,12 gewählt
sein.
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Während
der ersten Phase 102 und der zweiten Phase 103 ändert
sich das Volumen V des pneumatischen Raums 19. In Folge ändert
sich auch der Druck p innerhalb des pneumatischen Raums 19.
Eine Kraft auf den Flugkolben 13 ergibt aufgrund des Druckunterschieds
der Umgebung (ca. 1 bar) und dem Druck p innerhalb des pneumatischen
Raums 19. Der Flugkolben 13 erfährt also
auch zwischen den beiden Umkehrpunkten 104, 105 eine
Beschleunigung, die seine Geschwindigkeit v1,
v2 erhöht oder verringert.
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Der
Druck p kann durch eine adiabatische Näherung abgeschätzt
werden, bei der (p·V)κ konstant
ist, wobei κ (kappa) den Isentropenexponenten (etwa 1,4
für Luft in dem vorherrschenden Druckbereich von 0,5 bar
bis 10 bar) und V das Volumen des pneumatischen Raums 19 bezeichnet.
Es wird angenommen, dass ein neutrales Volumen V0 bei
dem ein Druck p in dem pneumatischen Raum 19 etwa dem Normaldruck
p0 der Umgebung (etwa 1 bar) entspricht,
der Hälfte der maximalen Länge des pneumatischen
Raums 19 entspricht, d. h. wenn der Abstand x des Flugkolbens 13 zum
Erregerkolben 12 x = L/2 ist.
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Bei
dem langen Schlagwerk ändert sich das Volumen des pneumatischen
Raums 2 in der ersten und zweiten Phase 102, 103 verglichen
zu dem neutralen Volumen V0 nur geringfügig.
Dies ist zum Teil durch den, zur maximalen Länge L verglichen,
geringen Hub H bedingt. Entsprechend ergeben sich auch nur minimale Abweichungen
zu dem Umgebungsdruck p0 und geringe Kräfte
auf den Flugkolben 13. Der Einfluss des pneumatischen Raums 19 auf
die Bewegung des Flugkolbens 13 bei dem langen Schlagwerk
ist vernachlässigbar. Die Geschwindigkeit v1 bleibt
während der ersten Phase 102 und die Geschwindigkeit
v2 während der zweiten Phase 103 näherungsweise
konstant.
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Näherungsweise
wird angenommen, der Flugkolben
13 und der Erregerkolben
12 berühren
sich beim ersten Umkehrpunkt
14, im Abstand x = L – ½H
von der Schlagfläche
27. Unter der Randbedingung,
dass innerhalb einer Periode, also der Zeitspanne f
–1,
die Strecke L – ½H von dem Flugkolben
13 einmal
mit der ersten Geschwindigkeit v
1 und einmal
mit der zweiten Geschwindigkeit v
2 zurückgelegt
wird, ergibt sich für die erste Geschwindigkeit:
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Bei
dem kurzen Schlagwerk 5 weist die Flugbahn 200 ebenfalls
die beiden Umkehrpunkte 204, 205 auf, welche sich
durch eine minimale Annäherung an den Erregerkolben 13 und
einen nachfolgenden Schlag auf die Schlagfläche 27 ergeben.
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Während
der ersten Phase 202 bewegt sich der Flugkolben 13 von
dem ersten Umkehrpunkt 204 zum zweiten Umkehrpunkt 205,
in ähnlicher Weise wie bei einem langen Schlagwerk. Die
Geschwindigkeit v1 ist näherungsweise
konstant und beträgt etwa ν1 =
2π·H·f + ν3,
wobei v3 die Geschwindigkeit kurz vor dem
ersten Umkehrpunkt 204 ist. Für eine Schätzung
der Geschwindigkeit ν3 = 2f·(α – ½H)
kann angenommen werden, dass die Bewegung von der Schlagfläche 27 bis
zum ersten Umkehrpunkt 203 in etwa während einer
halben Periode (½f–1)
erfolgt.
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Die
zweite Phase 203 des kurzen Schlagwerks 5 unterscheidet
sich von der zweiten Phase 103 des langen Schlagwerks.
Die Geschwindigkeit des Flugkolbens 13 wird auf Null herabgebremst,
in dem dargestellten Beispiel kehrt die Bewegung des Flugkolbens 13 sogar
um. Die treibende Kraft für das Abbremsen ergibt sich durch
die starke Kopplung des Flugkolbens 13 an den Erregerkolben 12 mittels
des pneumatischen Raums 19.
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Nachfolgenden
werden Parameter des Schlagwerks 5 geschätzt,
bei denen die Geschwindigkeit v2 des Flugkolbens 13 nach
dem zweiten Umkehrpunkt 205 wenigstens auf Null abgebremst
wird.
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Die
abbremsende Kraft ergibt sich durch den Überdruck (p – p0) des pneumatischen Raums 19 gegenüber
der Umgebung, der auf die Querschnittsfläche A des pneumatischen
Raums 19 wirkt. Aufgrund der Bewegung des Flugkolbens 13 in
Richtung zu dem Erregerkolben 12 verkleinert sich zudem
das Volumen V des pneumatischen Raums 19 und entsprechend
erhöht sich der Überdruck (p – p0). Die Druckänderung kann basierend
auf der adiabatischen Näherung p·Vκ =
p0·V0 κ bestimmt werden.
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Das
Abbremsen erfolgt typischerweise spätestens innerhalb einem
Viertel einer Periode (T = ¼f–1) nach
dem zweiten Umkehrpunkt 205. Während dieser Zeitspanne
T bewegt sich der Erregerkolben 12 langsam. Eine Änderung
des Drucks p in dem pneumatischen Raum 19 wird während
der Zeitspanne T durch die Bewegung des Flugkolbens 13 dominiert.
Nach der Zeitspanne T erreicht der Erregerkolben 12 eine
Geschwindigkeit, die deutlich grösser als die Geschwindigkeit
v2 des Flugkolbens 13 ist. Der
relative Abstand vergrössert sich rasch und ist bald grösser
als ½L, weshalb der Flugkolben 13 wieder in Richtung
zum Erregerkolben 12 beschleunigt wird.
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Während
der Zeitspanne T wird die Position x1 des Erregerkolbens 12 als
näherungsweise konstant gleich dem minimal möglichen
Abstand zu der Schlagfläche 27 (x1 =
L – H) angenommen. Das Volumen des pneumatischen Raums
V während der Zeitspanne T ergibt sich zu: V = A(L – H – ν2·t), wobei die Geschwindigkeit
v2 zur Berechnung des Volumens V als konstant
angenommen wird.
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Der
Flugkolben
13 stoppt, wenn das Integral der abbremsenden
Kraft über die Zeitspanne T dem Impuls des Flugkolbens
13,
d. h. v
2·m
2,
nach dem zweiten Umkehrpunkt
204 entspricht:
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Unter
Einsetzen der obig beschriebenen Beziehungen und einer Reihenentwicklung
nach der Zeit bis zur ersten Ordnung ergibt sich mit T = (Nf)
–1:
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Aus
der Ungleichung wird ersichtlich, dass ein Erhöhen der
Querschnittsfläche A, des Hubs H und/oder ein Verringern
der Masse m2 des Flugkolbens 13,
der maximalen Länge L des pneumatischen Raums 19,
der Schlagfrequenz f tendenziell zu einem Schlagwerk 5 führen,
bei dem die Bewegung des Flugkolbens 13 bis zum Stillstand
abgebremst wird.
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Der
Parameter N ist vorzugsweise grösser als 4, aufgrund der
beschriebenen Annahme, dass ein Abbremsen innerhalb einer Viertel
Periode T = ¼f–1 erfolgt.
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In
der Einführung ist ausgeführt, dass einer Wahl
der Schlagfrequenz f und der Masse m2 des
Flugkolbens 13 durch enge Grenzen aufgelegt sind. Die Querschnittsfläche
A des pneumatischen Raums 19 ist eng mit der Form und Schlageigenschaften
des Flugkolbens 13 gekoppelt. Die äusseren Randbedingungen
können jedoch eine weitgehend freie Wahl der maximalen
Länge L des pneumatischen Raums 19 und der Hub
H des Erregerkolbens 13 erlauben.
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Für
schwere Schlagwerke 5 mit einem Flugkolben 13 der
Masse m2 grösser als 400 g deren
sonst typischen Parametern, wie einer grossen Stosszahl (q > 0,2) eignet sich beispielsweise
eine Wahl des Verhältnisses der maximalen Länge
L zu dem Hub H von: L/H < 1,55;
und für leichte Schlagwerke 5 mit der Masse m2 geringer als 400 g eine Wahl des Verhältnisses
von: L/H < 1,40.
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Das
Schlagwerk 5 wird vorzugsweise derart resonant betrieben,
dass der erste Umkehrpunkt 204 und die höchsten
Geschwindigkeit des Erregerkolbens 12 zusammenfallen, d.
h. eine Differenz der jeweiligen Zeitpunkte geringer als 2% der
Periodendauer (T = f–1) ist.
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Bei
dem resonanten Betrieb wird gestützt auf Untersuchungen
an Simulationen und Prototypen angenommen, dass ein vollständiges
Abbremsen innerhalb einer Zeitpanne T0 =
3/8f–1 nach dem ersten Umkehrpunkt 204 erfolgt.
Nach der Zeitspanne T0 erhöht sich
die Geschwindigkeit des Erregerkolbens auf 70% ihres Maximalwerts,
wodurch ein rascher Abbau des bremsenden Überdrucks zu
einem beschleunigenden Unterdruck erfolgt.
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Der
Flugkolben 12 benötigt etwa eine Zeitspanne von
1/8f–1 bis ¼f–1 für
seine Bewegung zu der Schlagfläche 27. Das Abbremsen
kann innerhalb einer Zeitspanne von 1/8f–1 bis ¼f–1 erfolgen, weshalb N wenigstens 4,
vorzugsweise 6 oder 8 beträgt. Für einen resonanten
Betrieb können die Parameter des Schlagwerks 5 gemäss
obiger Ungleichung bestimmt werden mit dem gewählten N.
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In
einer weiteren Ausgestaltung werden die Parameter des Schlagwerks 5 derart
gewählt, dass der Flugkolben 13 in dem Schlagwerk 5 nach
dem zweiten Umkehrpunkt 205 ein weiteres Mal die Schlagfläche 27 berührt
(Punkt 206), bevor der Flugkolben 13 bis zu dem
ersten Umkehrpunkt 204 fliegt. Die Verlängerung
der Flugbahn des Flugkolbens 13 erlaubt eine höhere
Geschwindigkeit unter Beibehaltung der Schlagfrequenz f.
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Damit
der Flugkolben 13 bis zu der Schlagfläche 27 zurückgekehrt,
muss das Abbremsen bis zum Stillstand frühzeitig erfolgen.
Danach muss noch für eine ausreichend lange Zeitspanne
ein Überdruck in dem pneumatischen Raum 19 vorherrschen,
um den Flugkolben in Richtung der Schlagfläche 27 zu
beschleunigen. Aus Untersuchungen wurde erkannt, dass dies bei einer
Zeitspanne T0 kleiner 2/6f–1 erreicht
wird. Die Geschwindigkeit des Erregerkolbens 12 erreicht
innerhalb der Zeitspanne T0 nur 50% ihrer
maximalen Geschwindigkeit. Das Schlagwerk 5 kann entsprechend
der obigen Ungleichung ausgelegt werden, wobei N grösser
als 5, vorzugsweise grösser als 8 oder 10 gewählt
wird. Der Parameter N kann für das zweimalige Schlagen
während eines Umlaufs des Flugkolbens grösser
als 8 gewählt sein.
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Die
Anordnung der Elemente eines Schlagwerks kann in vielfältiger
Weise erfolgen. Die 7 bis 9 zeigen
weitere Ausgestaltungen. Die für die Auslegung des Schlagwerks
von 4 obig aufgestellten Regeln können auch
auf diese Schlagwerkstypen angewandt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1779980
A2 [0002, 0005]
