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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ausüben einer Kraft auf ein Werkstück.
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Bei
einer Vielzahl von mechanischen Tätigkeiten ist es notwendig,
auf ein Werkstück
eine nicht unerhebliche Kraft auszuüben. Dies ist insbesondere dann
problematisch, wenn das Werkstück
nur schwer erreichbar ist, bspw. aufgrund seiner Einbaulage. Typische
Situationen sind beispielsweise das Ausbeulen einer Autokarosserie
oder das Herausziehen eines Werkstücks aus einem Bauteil, mit
dem es kraftschlüssig
verbunden ist.
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Insbesondere
in letzteren Fällen
kann es sein, dass das Werkstück,
z. B. aufgrund von Oxidation, Verschmutzung oder ähnlichem,
mit einem sehr großen
Kraftaufwand entfernt werden muss. Ein Beispiel hierfür ist das
Entfernen von Einspritzdüsen
aus dem Zylinderkopf eines Dieselmotors. Die kraftschlüssig mit
dem Zylinderkopf verbundene Düse kann
nach einiger Betriebszeit derart fest sitzen, dass ein Herauslösen nur
mit erheblichem Kraftaufwand und selbst dann oft nur mit chemischer
Vorbehandlung möglich
ist.
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Für derartige
Aufgaben sind aus dem Stand der Technik sogenannte Schlaghämmer oder
Gleithämmer
bekannt. Die zentralen Elemente dieser Geräte sind eine Stange sowie ein
auf dieser verschiebbar angeordneter Schlagkörper. An einem Ende der Stange
befindet sich ein Anschlag für
den Schlagkörper,
am anderen Ende eine Vorrichtung zur direkten oder indirekten Verbindung
mit dem Werkstück.
Oftmals ist hier ein Gewinde vorgesehen, an das verschiedenste Aufsätze, z.
B. Haken, Ketten, Greifvorrichtungen (sogenannte Abzieher) oder Ähnliches angeschraubt
werden können.
Wenn die Verbindung mit dem Werkstück hergestellt ist, wird der
Schlagkörper
von Hand möglichst
schnell und kraftvoll gegen den Anschlag bewegt, wodurch eine Kraft
auf das Werkstück
ausgeübt
wird.
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Aufgrund
der notwendigen Kräfte
haben Gleithämmer
normalerweise eine Länge
zwischen 30 cm und 100 cm. Da die auf das Werkstück übertragene Kraft maßgeblich
vom Impuls des Schlagkörpers abhängt, beträgt die Masse
desselben typischerweise zwischen 1 kg und 5 kg. Dieser relativ
schwere Körper
muss möglichst
schnell gegen den Anschlag bewegt werden. Hierdurch ist ein Einsatz
eines solchen Werkzeugs an schwer zugänglichen Stellen nur bedingt
möglich.
Zudem besteht ein Verletzungsrisiko, z. B. dadurch, dass die den
Schlagkörper
führende
Hand abrutscht oder teilweise zwischen Schlagkörper und Anschlag eingeklemmt
wird.
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Vor
diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, eine kompakte Vorrichtung
bereitzustellen, die eine sichere Kraftausübung auf ein Werkstück bei einfacher
Handhabung erlaubt.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung nach Anspruch
13. Die Unteransprüche
beziehen sich auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ist zum Ausüben
einer Kraft auf ein Werkstück
geeignet und weist ein Gehäuse
mit einer Kammer, einen darin mindestens entlang einer Bewegungsachse
beweglich angeordneten Schlagkörper
und einen Zugmechanismus auf. Die Bewegungsachse ist folglich durch
die Bewegungsrichtung des Schlagkörpers definiert.
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Der
Zugmechanismus ist mit dem Gehäuse verbunden
und mindestens axial gegenüber
diesem verschiebbar. Hierbei wird unter dem Begriff „axial” eine Anordnung
bzw. Verschiebbarkeit entlang einer Achse parallel zur Bewegungsachse
des Schlagkörpers
verstanden. Diese muss nicht zwangsläufig mit derjenigen Richtung
identisch sein, in der auf das Werkstück eingewirkt werden soll.
Letztere kann z. B. durch die Ausrichtung einer Bohrung, in der
das Werkstück
steckt, vorgegeben sein.
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Der
Zugmechanismus weist ein Zugstück
zur Verbindung mit dem Werkstück
auf. Des Weiteren weist der Zugmechanismus ein mit dem Zugstück verbundenes
Druckstück
auf, welches mindestens einen Anschlag für den Schlagkörper aufweist.
Als Anschlag wird in diesem Zusammenhang jede Art von Element bezeichnet,
die die Beweglichkeit des Schlagkörpers entlang der Bewegungsachse
wenigstens teilweise einschränkt,
so dass im Gebrauch die Bewegungsenergie des Schlagkörpers jedenfalls teilweise
auf den Anschlag und somit auf den Zugmechanismus übertragen
werden kann. Bevorzugt bildet der Anschlag eine mindestens teilweise
Begrenzung der Kammer entlang der Bewegungsachse, die gegenüber dem
Gehäuse
axial verschiebbar ist.
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Im
Betriebszustand der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der Schlagkörper auf
den Anschlag hin bewegt. Die Energie für diese Bewegung kann bei der
Vorrichtung im einfachsten Fall manuell aufgebracht werden. Ist
beispielsweise innerhalb der Kammer an einem dem Anschlag gegenüberliegenden Ende
eine Art Mitnehmer für
den Schlagkörper
ausgebildet, kann der Schlagkörper
mittels dieses Mitnehmers beschleunigt werden. Der Benutzer zieht zunächst schnell
an dem Gehäuse,
wodurch der Schlagkörper
mitbewegt wird. Stoppt der Benutzer die Bewegung des Gehäuses, bewegt
sich der Schlagkörper
aufgrund seiner Trägheit
innerhalb der Kammer weiter, bis er auf den Anschlag trifft.
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Trifft
der Schlagkörper
auf den Anschlag, so wird er durch diesen abgebremst und normalerweise zurückgeworfen.
Hierbei wird Impuls vom Schlagkörper
auf den Anschlag und somit auf das mit dem Druckstück verbundene
Zugstück übertragen.
Aus diesem Impulsübertrag
resultiert eine Kraft, die auf das Werkstück übertragen wird, wenn das Zugstück mit diesem
verbunden ist. Somit kann bspw. eine Zugkraft auf das Werkstück übertragen
werden.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
erlaubt somit die Übertragung
einer Kraft auf das Werkstück, wobei
der durch den Schlagkörper
erzeugte Impuls bzw. die Kraft direkt auf den Zugmechanismus übertragen
wird. Aufgrund der axialen Beweglichkeit des Zugmechanismus gegenüber dem
Gehäuse
wird in vorteilhafter Weise eine nur geringe Kraft auf das Gehäuse übertragen.
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Dies
ist insbesondere deshalb von Vorteil, da ein Benutzer die Vorrichtung
normalerweise am Gehäuse
führt.
Daher werden sämtliche
Kräfte
und Impulse, die auf das Gehäuse übertragen
werden, auch bis zu einem gewissen Grad auf den Benutzer übertragen.
Würde also
eine vom Schlagkörper
auf den Anschlag ausgeübte
Kraft auch auf den Benutzer wirken, würde der Benutzer gewissermaßen als
Dämpfer
wirken und das Herauslösen
des Werkstücks
behindern. Des Weiteren ist zu bedenken, dass der Benutzer plötzliche
Krafteinwir kungen auf das Gehäuse als
Schläge
spürt,
was ggf. als unangenehm empfunden wird und zudem die sichere Handhabung
der Vorrichtung beeinträchtigt.
Die Vorrichtung zeichnet sich daher durch hohe Effizienz und gute
Handhabbarkeit aus.
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Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass der
Benutzer durch Führen
der Vorrichtung am Gehäuse
einen Kontakt mit den Elementen des Schlagmechanismus (Schlagkörper, Anschlag)
vermeiden kann. Daher besteht ein geringes Verletzungsrisiko, insbesondere
im Vergleich zu Schlaghämmern
nach dem Stand der Technik mit offenliegenden Schlagkörpern. Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ermöglicht
somit vorteilhaft ein sicheres Arbeiten.
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Das
Gehäuse
kann entsprechend der Anwendung jede geeignete Form aufweisen, solange es
die genannte Kammer aufweist und kann bspw. als teilweise geschlossenes
Bauteil ausgeführt
sein. Das Gehäuse
ist insbesondere bei manueller Handhabung bevorzugt als Griff ausgelegt
und kann bspw. einen Handgriff oder eine griffig strukturierte Oberfläche aufweisen.
Insbesondere bevorzugt ist das Gehäuse zur weiteren Reduzierung
des Verletzungsrisikos geschlossen ausgeführt. Für das Gehäuse kommen sämtliche
geeigneten Materialien in Betracht, z. B. Kunststoff, Keramik oder
bevorzugt Metall oder auch eine Kombination hiervon.
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Unter
dem Begriff Kammer wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein
Hohlraum innerhalb des Gehäuses
verstanden. Die Wandungen dieses Hohlraums können geschlossen sein oder
aber eine oder mehrere Öffnungen
aufweisen. Bevorzugt weist die Kammer eine im Wesentlichen achsensymmetrische,
also z. B. prismatische oder zylindrische Form auf. Die Kammer ist
so ausgebildet, dass diese den Schlagkörper aufnimmt, welcher mindestens
entlang der Bewegungsachse in der Kammer beweglich ist.
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Grundsätzlich kann
als Schlagkörper
jede Art von Festkörper
dienen, welcher sich in der genannten Weise innerhalb der Kammer
beweglich anordnen lässt.
Bevorzugt ist der Schlagkörper
aus einem Material mit hoher mechanischer Belastbarkeit und einer
Dichte von 1 g/cm3 oder höher gefertigt, also
bspw. aus einem Metall, aus Keramik oder einem Kunststoff. Bevorzugt
ist der Schlagkörper
in der Kammer geführt.
Insbesondere ist es bevorzugt, wenn die Querschnitte von Kammer
und Schlagkörper
senkrecht zur Bewegungsachse wenigstens teilweise aufeinander angepasst
sind, so dass eine Führung
des Schlag körpers
an den Seitenwänden
der Kammer gegeben ist.
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Wie
eingangs diskutiert, ist der Zugmechanismus gegenüber dem
Gehäuse
entlang der Bewegungsachse verschiebbar. Zusätzlich kann der Zugmechanismus
bevorzugt senkrecht zur Bewegungsachse verschiebbar oder drehbar
sein. Die Verschiebbarkeit hat zur Folge, dass axial auf den Zugmechanismus
wirkende Kräfte
kaum auf das Gehäuse übertragen
werden. Vielmehr kann sich der Zugmechanismus wenigstens streckenweise
unabhängig
vom Gehäuse
bewegen. Die Verschiebbarkeit kann z. B. auf eine Weglänge von
einigen Millimetern oder Zentimetern beschränkt sein. Jedoch ergeben sich
auch bei einer solchen Beschränkung
bereits entscheidende Vorteile gegenüber einem nicht-verschiebbaren
Zugmechanismus.
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Zur
Verbindung mit dem Werkstück
kann das Zugstück
entsprechend der jeweiligen Anwendung angepasst sein. Grundsätzlich kommen
sämtliche Verbindungen
hierfür
in Betracht. Die Verbindung kann bspw. direkt, aber auch indirekt über weitere Kraftübertragungselemente
erfolgen, beispielsweise über
eine Gewindeverbindung, an welcher verschiedene Vorrichtungen wie
Abzieher, Haken, Ketten oder Ähnliches
angeschraubt werden, die wiederum eine Verbindung mit dem Werkstück herstellen.
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Da
zum Herauslösen
des Werkstücks
in der Regel hohe Kräfte
erforderlich sind, ist eine möglichst schnelle
Impulsübertragung
wünschenswert,
so dass es bevorzugt ist, dass der Schlagkörper, der Anschlag sowie die
Bauteile, die die Verbindung mit dem Werkstück herstellen, eine möglichst
geringe Elastizität
aufweisen.
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Gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung ist das Zugstück und das Druckstück axial
relativ zueinander festgelegt. In diesem Fall wird eine auf den
Anschlag wirkende Kraft unmittelbar auf das Zugstück übertragen,
was besonders effizient ist. Es ist hierbei nicht ausgeschlossen,
dass quer zur Zugrichtung eine Verschiebbarkeit oder Drehbarkeit
vorgesehen ist, um in der Gebrauchslage die Vorrichtung ggf. auch
mit schwierig zu erreichenden Werkstücken verwenden zu können.
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Bevorzugt
sind Zugstück
und Druckstück
am Gehäuse
axial gegenüberliegend
angeordnet. Eine solche Anordnung erlaubt eine äußerst kompakte Bauweise der
Vorrichtung.
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Obwohl
ein manueller Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung denkbar ist,
ist es bevorzugt, dass die Vorrichtung mit Mitteln zum Antrieb des
Schlagkörpers
versehen ist. Als Mittel zum Antrieb kommen in diesem Zusammenhang
sämtliche Elemente
sowohl zur Erzeugung einer Antriebskraft als auch zur Einkopplung
oder Umlenkung derselben, bspw. von einer externen Energiezufuhr,
in Betracht.
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Beispielsweise
kann eine am Gehäuse
angeordnete Spiralfeder zur Beschleunigung des Schlagkörpers dienen.
Diese kann, ggf. vor dem Verbinden der Vorrichtung mit dem Werkstück, manuell gespannt,
arretiert und zum Beschleunigen des Schlagkörpers ausgelöst werden.
Da die Feder hierbei den Schlagkörper über ihren
gesamten Entspannungsweg beschleunigt, kann die auf das Gehäuse wirkende
Gegenkraft vergleichsweise gering sein, so dass der Benutzer keinen
Schlag verspürt.
Die Federlänge
kann hierbei so ausgelegt sein, dass sich der Schlagkörper auf
einem letzten Teilstück
unbeschleunigt auf den Anschlag hin bewegt.
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Bevorzugt
umfassen die Mittel einen Motor, oder aber eine von einem Motor
erzeugte Kraft wird extern erzeugt und in die Vorrichtung eingekoppelt. Insbesondere
bevorzugt ist ein Verbrennungs- oder Elektromotor. Bei externer
Krafteinkopplung ist eine hydraulische oder pneumatische Einkopplung
bevorzugt, aber auch eine rein mechanische Einkopplung ist denkbar,
z. B. mittels einer flexiblen Welle. Bei Verwendung eines externen
Motors ist es vorteilhaft, wenn die Vorrichtung ein Bedienelement
aufweist, mittels dessen die Einkopplung der externen Kraft geschaltet
bzw. reguliert werden kann.
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Daneben
ist ein direkt elektromagnetisches Antreiben des Schlagkörpers denkbar.
Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, dass der Schlagkörper einen
Permanentmagneten aufweist und mittels eines schaltbaren Magnetfeldes
beschleunigt wird. Diese Variante hat den Vorteil, dass der Antrieb
keine zusätzlichen
beweglichen Teile erfordert, was die Möglichkeit von mechanischem
Verschleiß reduziert.
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Schließlich kann
der Schlagkörper
mittels Gasdruck beschleunigt werden, ggf. auch durch Einsatz einer
chemischen Treibladung. Auch bei einer Beschleunigung mittels Gasdruck
sind typischerweise wenig oder keine zusätzlichen beweglichen Teile erforderlich,
was hinsichtlich der Haltbarkeit der Vorrichtung äußerst vorteilhaft
ist.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Mittel zum pneumatischen Antrieb des
Schlagkörpers
ausgebildet sind. Solche Mittel können einen Motor zur Drucklufterzeugung
umfassen, der mit der Vorrichtung integriert ausgebildet ist. Bevorzugt
wird allerdings eine externe Druckluftzufuhr, die bspw. mit einem
entsprechenden Kompressor verbunden ist. Die Mittel zum pneumatischen
Antrieb umfassen in diesem Fall wenigstens einen Anschluss für die Einspeisung
von Druckluft in die Vorrichtung.
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Des
Weiteren können
Elemente zum Leiten bzw. Steuern der Druckluft innerhalb der Vorrichtung vorhanden
sein, also z. B. Leitungen oder Ventile. Solche Elemente können fest
mit der Vorrichtung und miteinander verbunden sein, so dass eine
statische Steuerung des Luftstroms erfolgt. Es ist allerdings auch
eine dynamische Steuerung denkbar, wie im Weiteren noch ausgeführt wird.
Auch hier ist es vorteilhaft, wenn Mittel zur Regulierung der Druckluft vorhanden
sind, die durch ein Bedienelement, z. B. einen Hebel, gesteuert
werden können,
so dass der Benutzer hierdurch unmittelbar an der Vorrichtung deren
Betrieb steuern, also z. B. diese ein- und ausschalten kann.
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Bei
vielen Anwendungen ist es notwendig, wiederholt eine Kraft auf das
Werkstück
auszuüben, weil
sich dieses nach der ersten Einwirkung nicht oder nicht genügend weit
bewegt hat. Für
diese Fälle sind
in einer Weiterbildung der Erfindung die Mittel zum Antrieb so ausgebildet,
dass der Schlagkörper
in einer periodischen Bewegung abwechselnd in entgegengesetzter
Richtung entlang der Bewegungsachse angetrieben wird. Auf diese
Weise kann zum einen in zeitlicher Abfolge mehrfach auf das Werkstück eingewirkt
werden. Zum anderen gewährleistet
dies auch, dass der Schlagkörper
gewissermaßen
in Ausgangsposition gebracht, also vom Anschlag entfernt werden
kann, selbst wenn dies in der jeweiligen Gebrauchslage entgegen
der Schwerkraft erfolgt. Somit ist auch z. B. ein Arbeiten über Kopf
möglich.
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Ein
periodisches Antreiben kann z. B. bei einem elektromagnetischen
Antrieb der oben geschilderten Art dadurch realisiert werden, dass
das Magnetfeld als Wechselfeld betrieben wird. Bei einem mechanischem
Antrieb können
zwei Antriebselemente vorgesehen werden, die den Schlagkörper abwechselnd
erfassen und antreiben.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird ein periodisches Antreiben dadurch realisiert, dass der Schlagkörper pneumatisch
angetrieben wird, wobei die Vorrichtung eine Schalteinrichtung zur
periodischen Umlenkung eines Steuerluftstroms aufweist.
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Hierbei
kann vorteilhaft ein konstanter Luftdruck extern erzeugt werden,
der über
einen entsprechenden Anschluss in die Vorrichtung eingekoppelt wird.
Innerhalb der Vorrichtung wird jedoch der Steuerluftstrom, d. h.
der Luftstrom, der den Schlagkörper antreibt,
mittels der Schaltvorrichtung derart umgelenkt, dass er den Schlagkörper periodisch
abwechselnd entlang der Bewegungsachse antreibt.
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Als
Schalteinrichtung kommen sämtliche
geeignete Vorrichtungen in Betracht, die eine entsprechende Steuerung
eines Luftstroms erlauben, wie bspw. Ventile oder dergleichen. Die
Ventile können hierbei
entsprechend einem extern vorgegebenen Takt, z. B. elektromagnetisch
oder mittels eines Motors, geschaltet werden.
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Besonders
bevorzugt ist es jedoch, wenn die Umsteuerung des Steuerluftstroms
automatisch in Abhängigkeit
von der Position des Schlagkörpers
erfolgt. In diesem Fall dient der Schlagkörper selbst der Steuerung des
Luftstroms. Eine derartige Ausbildung erlaubt besonders hohe Frequenzen
und einen sehr effektiven Betrieb der Vorrichtung, da anders als
bei einer Ausbildung mit fest vorgegebenem Takt insbesondere eine
zu frühe
Umschaltung des Steuerluftstroms vermieden werden kann. Ein solches
vorzeitiges Umschalten kann nämlich
zu einem vorzeitigen Abbremsen des Schlagkörpers führen, wodurch der Impuls des
Schlagkörpers
nicht mehr vollständig
zur Kraftausübung
auf das Werkstück
zur Verfügung steht.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung weist die Schalteinrichtung ein
Schaltelement auf, welches in der Kammer koaxial zum Schlagkörper ausgebildet
ist. Eine derartige Anordnung erlaubt eine äußerst kompakte Bauform der
Vorrichtung, was insbesondere bei schwer zugänglichen Werkstücken vorteilhaft
ist. Hierbei ist es naturgemäß nicht
erforderlich, dass das Schaltelement in jedem Betriebszustand der
Vorrichtung bzw. in jeder Position des Schlagkörpers innerhalb der Kammer
mit diesem koaxial ist.
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Durch
das periodische Bewegen des Schlagkörpers ergeben sich allerdings
noch weitere Vorteile insbesondere hinsichtlich des Herausziehens
von bspw. festsitzenden Werkstücken.
Da das Werkstück – evtl.
zusammen mit dem Bauteil, mit dem es verbunden ist – ein schwingungsfähiges System
darstellt, reagiert es auf verschiedene Anregungsfrequenzen unterschiedlich.
Durch Resonanzeffekte kann ein Losrütteln des Bauteils unterstützt werden. Es
ist daher bevorzugt, dass der Schlagkörper mit einer Frequenz von
wenigstens 10 Hz, bevorzugt wenigstens 30 Hz, weiter bevorzugt wenigstens
50 Hz bewegbar ist, da erfahrungsgemäß die Resonanzfrequenz der
meisten Bauteile in diesem Bereich liegt.
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Es
ist auch zu beachten, dass ein Herauslösen des Werkstücks mit
einer hochfrequent einwirkenden, geringeren Kraft möglicherweise
ebenso effektiv ist wie mit einer niederfrequent einwirkenden, größeren Kraft.
Allerdings kann die niederfrequente Kraft zu einem ruckartigen Lösen des
Werkstücks führen, während bei
der hochfrequenten Kraft der Vorgang eher gleichmäßig abläuft. Dies
verringert die Belastung auf das Werkstück und verbessert die Handhabbarkeit
der Vorrichtung für
den Benutzer.
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Um
den beschriebenen Effekt voll ausnutzen zu können, ist es in einer Weiterbildung
der Erfindung vorgesehen, dass die Vorrichtung Mittel zur Einstellung
der Frequenz der Bewegung des Schlagkörpers aufweist. Dies kann dadurch
realisiert werden, dass bei elektromagnetischem Antrieb die Frequenz
des beschleunigenden Wechselfeldes variierbar ist. Im Fall eines
pneumatischen Antriebs kann z. B. die vorgegebene Frequenz, mit
der eine Ventilanordnung gesteuert wird, verändert werden.
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Bevorzugt
sind die Kammer und der Anschlag derart ausgeführt, dass die freie Weglänge des
Schlagkörpers
in der Kammer veränderlich
ist, was sich – bei
ansonsten konstanten Parametern – auf die Zeit, nach der der
Schlagkörper
auf den Anschlag trifft, auswirkt. Wird die freie Weglänge verkürzt, indem
der Anschlag in Richtung des Zugstücks verstellt wird, verkürzt sich
auch das genannte Zeitintervall. Bei einer periodischen Bewegung
verkürzt sich
auch die Periodendauer und die Frequenz erhöht sich.
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Eine
derartige Anpassbarkeit lässt
sich insbesondere bevorzugt dadurch realisieren, dass der Anschlag
gegenüber
dem Zugstück
axial verstellbar ist. Eine Verstellbarkeit des Anschlags kann rein
mechanisch und somit sehr einfach und robust realisiert werden.
Eine Möglichkeit
hierzu besteht darin, dass der Anschlag ein Außengewinde aufweist, dass in
ein am Druckstück
ausgebildetes Innengewinde greift. Durch ein Drehen des Anschlags
erfolgt ein Verstellen in Richtung der Gewindeachse. Zu diesem Zweck kann
der Anschlag einen Schlitz, Kreuzschlitz, Innensechskant etc., einen
Drehknopf oder eine Kurbel aufwei sen. Bevorzugt ist der Anschlag
arretierbar verstellbar, um ein versehentliches Verstellen der Position
des Anschlags im Betrieb zu vermeiden.
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Während bei
Schlaghämmern
nach dem Stand der Technik der Schlagkörper normalerweise ringförmig ausgebildet
ist, um eine Führung
der durch die Stange zu gewährleisten,
ist es bei der vorliegenden Vorrichtung bevorzugt, dass der Schlagkörper als
Vollkörper
ausgebildet ist. Eine derartige Ausbildung vermeidet ein zentrales
Führungselement ebenso
wie eine hierzu korrespondierende Ausnehmung im Schlagkörper in
vorteilhafter Weise. Eine Führung
des Schlagkörpers
kann in diesem Fall ggf. durch die Wandung der Kammer oder weitere
seitlich angeordnete Führungsschienen
gebildet werden.
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Durch
die Ausbildung als Vollkörper
ergeben sich entscheidende Vorteile. Unter der Vorgabe, dass der
Schlagkörper
bei einer vorgegebenen Masse eine bestimmte Höhe haben soll, können somit
die Kammer, in der der Schlagkörper
angeordnet ist, und das Gehäuse
relativ klein dimensioniert werden, wodurch die Abmessungen der
Vorrichtung weiter reduziert sind. Darüber hinaus ergeben sich Vorteile, wenn
der Schlagkörper
mittels Gasdruck bewegt wird. Bei einem ringförmigen Körper ist zu beachten, dass
Gas sowohl außen
als auch innen am Körper entlang
strömen
kann. Wo dies unerwünscht
ist, muss also sowohl innen wie außen für eine Abdichtung gesorgt werden,
wodurch sich der konstruktive Aufwand erhöht. Demgegenüber ist
bei Verwendung eines Vollkörpers
nur außen
für eine
Abdichtung zu sorgen.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung sind das Zugstück und das
Druckstück
durch wenigstens ein im Gehäuse
angeordnetes Führungselement,
insbesondere bevorzugt wenigstens drei Führungselemente, miteinander
verbunden. Ein Führungselement
kann hierbei typischerweise stangenartig ausgebildet sein, wobei
der Querschnitt z. B. kreisförmig,
oval oder polygonal sein kann. Das Führungselement kann massiv oder
zur Gewichtsersparnis hohl ausgebildet sein. Zur Konstruktion kommen im
Wesentlichen die eingangs für
das Zug- und Druckstück
genannten Materialien in Frage. Das Gehäuse weist in dieser Ausgestaltung
eine Ausnehmung auf, deren Querschnitt an die Abmessungen des Führungselements
angepasst ist.
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Vorteilhaft
ist insbesondere der Einsatz von drei oder mehr Führungselementen.
Zum einen können
diese im Wesentlichen symmetrisch um die Kammer herum angeordnet
sein, womit es möglich ist,
dass auftretende Zug- und Druckkräfte gleichmäßig auf die Führungselemente
verteilt werden. Andererseits können
mehrere beabstandet angeordnete Führungselemente etwaig auftretende
Biegemomente auf den Zugmechanismus gut aufnehmen. Ebenfalls trägt der Einsatz
mehrerer derartiger Elemente zur Stabilität der Vorrichtung insgesamt
bei.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Druckstück zum Ausüben einer
Druckkraft auf ein Werkstück
mit diesem verbindbar. Wenn also z. B. das Zugstück so mit einem Werkstück verbindbar
ist, dass dieses aus einem Substrat herausgezogen werden kann, ist
es auch möglich
mittels des Druckstücks
ein Werkstück
in ein Substrat hineinzudrücken.
In dieser Ausgestaltung kann die Vorrichtung beispielsweise zum
einfachen und sicheren Ausbau eines defekten Bauteils und anschließendem Einbau
des Ersatzteils eingesetzt werden. Alternativ hierzu ist es ebenfalls
denkbar, dass nur das Druckstück
zur Verbindung mit dem Werkstück
ausgebildet ist.
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Details
der Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen
mit Bezug auf die Figuren erläutert.
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Hierbei
zeigt
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1a:
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in einer ersten perspektivischen Ansicht,
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1b:
eine schematische Darstellung der Vorrichtung aus 1a in
einer zweiten perspektivischen Ansicht,
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2:
eine schematische Darstellung eines Zugmechanismus der Vorrichtung
aus 1a in perspektivischer Ansicht,
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3:
eine schematische Darstellung der Vorrichtung aus 1a in
Seitenansicht,
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4:
eine schematische Darstellung einer Schnittzeichung der Vorrichtung
aus 1a,
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5a:
eine vereinfachte schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in einer Schnittzeichnung zu einem ersten Zeitpunkt eines Betriebszyklus,
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5b:
eine 5a entsprechende Darstellung zu einem zweiten
Zeitpunkt des Betriebszyklus,
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5c:
eine 5a entsprechende Darstellung zu einem dritten
Zeitpunkt des Betriebs zyklus,
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5d:
eine 5a entsprechende Darstellung zu einem vierten
Zeitpunkt des Betriebszyklus.
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Die
in 1a dargestellte Vorrichtung 1 zum Ausüben einer
Kraft auf ein Werkstück
weist ein in etwa zylinderförmiges
Gehäuse 10,
sowie ein Zugstück 51 und
ein Druckstück 52 auf,
wobei Zug- und Druckstück 51, 52 einander
gegenüberliegend
am Gehäuse 10 angeordnet
sind. Das Zugstück 51 weist ein
Innengewinde 54 auf, das zur Verbindung mit einem Werkstück (nicht
gezeigt) dient. Das Gewinde 54 kann entweder direkt oder
indirekt, z. B. über
einen Haken, Abzieher oder dergleichen, mit dem Werkstück verbunden
werden. Die Vorrichtung 1 kann eine Kraft entlang einer
Bewegungsachse 100, bspw. in einer Zugrichtung ausüben, wobei
die Bewegungsachse 100 vorliegend der Zylinderachse des Gehäuses 10 entspricht.
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Gehäuse 10,
Zug- und Druckstück 51, 52 sind
aus Stahl gefertigt. Die Vorrichtung 1 ist daher sehr robust,
jedoch aufgrund der Bauform so leicht, dass sie ohne weiteres manuell
führbar
ist. Der Benutzer führt
hierbei die Vorrichtung 1 am Gehäuse 10. Hierzu kann
das Gehäuse 10 optional
eine ergonomisch gestaltete Außenfläche oder
einen Griff aufweisen, bei der dargestellten Vorrichtung 1 ist
die Außenseite
des Gehäuses 10 allerdings
im Wesentlichen zylindermantelförmig
ausgebildet.
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Die
Vorrichtung 1 ist pneumatisch betreibbar, wobei ein externer
Motor bzw. Kompressor (nicht dargestellt) zur Erzeugung der Druckluft
genutzt wird. Zu diesem Zweck weist das Gehäuse 10 einen Anschluss 16 für einen
Druckluftschlauch (nicht dargestellt) auf. Des Weiteren ist am Gehäuse 10 ein
Hebel 60 angeordnet, mittels dessen ein Benutzer die Druckluftzufuhr
steuern kann. Hierbei ist die Vorrichtung 1 so klein und
leicht ausgebildet, dass der Benutzer diese einhändig führen und den Hebel 60 betätigen kann,
was insbesondere bei schwer zugänglichen
Werkstücken
von Vorteil ist.
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Wie
in 2 dargestellt, bilden das Zugstück 51 und
das Druckstück 52 die
Hauptelemente eines Zugmechanismus 50. Sie sind hierbei
durch vier stangenförmige
Führungselemente 55 fest
miteinander verbunden, d. h. sie sind relativ zueinander festgelegt.
Die Führungselemente 55 sind
ebenfalls aus Stahl gefertigt. Im vorliegenden Fall tragen die Führungselemente 55 an
ihren Enden Gewinde (nicht dargestellt) und sind mittels Muttern 56 an dem
Zugstück 51 und
am Druckstück 52 vorgespannt
gesichert. Daneben sind naturgemäß auch andere
Befestigungsmöglichkeiten
denkbar.
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Die
Führungselemente 55 sind
mittels Bohrungen, die axial, nämlich
parallel zur Bewegungsachse 100 verlaufen, im Gehäuse 10 geführt und
innerhalb desselben verschiebbar. Da, wie in 3 gut erkennbar
ist, der axiale Abstand von Zug- und Druckstück 51, 52 größer ist,
als die Länge
des Gehäuses 10,
ist der gesamte Zugmechanismus 50 gegenüber dem Gehäuse 10 entlang der
Bewegungsachse 100 axial verschiebbar. Bei der gezeigten
Vorrichtung 1 beträgt
der Verschiebungsweg 6 mm, wodurch sich bei maximaler Auslenkung
ein Spalt 70 ebendieser Breite zwischen Gehäuse 10 und
Zugstück 51 ergibt.
Aufgrund der geringen Breite ist die Gefahr, dass die Hand des Benutzers
eingeklemmt wird, sehr gering. Zur zusätzlichen Sicherung kann jedoch
bevorzugt eine Art Manschette vorgesehen werden, durch die der Spalt 70 bedeckt
wird.
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Eine
Schnittzeichnung der Vorrichtung 1 ist in 4 dargestellt. 4 zeigt,
dass innerhalb des Gehäuses 10 eine
Kammer 11 ausgebildet ist, innerhalb der ein Schlagkörper 40 entlang
der Bewegungsachse 100 beweglich angeordnet ist. Der Schlagkörper 40 ist
als Vollkörper
ausgebildet und grob zylindrisch geformt. Die Dimensionierung und die
Masse des Schlagkörpers 40 sind
gegenüber Schlaghämmern nach
dem Stand der Technik eher gering. Die Länge des Schlagkörpers 40 beträgt bei der
gezeigten Vorrichtung ca. 45 mm, seine Masse ca. 100 g. Dennoch
ist die gezeigte Vorrichtung 1 hocheffektiv, wie im Weiteren
noch erläutert
wird.
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Da
sich der Schlagkörper 40 im
Inneren des Gehäuses 10 befindet,
besteht für
den Benutzer der Vorrichtung 1 keinerlei Verletzungsrisiko
durch die Bewegung des Schlagkörpers 40.
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Die
Kammer 11 weist einen ersten Bereich 12 auf, der
in etwa die Hälfte
der Gesamtlänge
der Kammer 11 ausmacht und dem Druckstück 52 benachbart angeordnet
ist. Im ersten Bereich 12 entspricht der Innendurchmesser
der Kammer 11 dem Außendurchmesser
des Schlagkörpers 40,
wodurch der Schlagkörper 40 an
den Seitenwänden
der Kammer 11 geführt
ist.
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Im
ersten Bereich 12 ist in der Wand der Kammer 11 eine
erste Öffnung 21 angeordnet,
die mit einer Bypassleitung 18 verbunden ist, die parallel zur
Kammer 11 verläuft.
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An
den ersten Bereich 12 schließt ein zweiter Bereich 13 an,
dessen Innendurchmesser größer als im
ersten Bereich 12 ist. An den zweiten Bereich 12 schließt sich
ein dem Zugstück 51 benachbarter
dritter Bereich 15 der Kammer 11 an, dessen Innendurchmesser
leicht größer ist,
als der des Schlagkörpers 40.
Durch die Anpassung des Innendurchmessers im ersten Bereich 12 ist
gewährleistet,
dass – bis auf
evtl. geringe Verluste – keine
Luft zwischen dem Schlagkörper 40 und
der Wandung der Kammer 11 hindurchtreten kann.
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Innerhalb
des zweiten Bereichs 13 ist ein ringkolbenartig ausgeführtes Schaltelement 41 in
der Kammer 11 axial zum Schlagkörper 40 angeordnet. Das
Schaltelement 41 dient der periodischen Umlenkung des Luftstroms
in der Kammer 11 in Abhängigkeit
der Position des Schlagkörpers 40,
wie mit Bezug auf die 5a–5d erläutert. Der
Außendurchmesser
des Schaltelements 41 entspricht dem Innendurchmesser des
zweiten Bereichs 13, so dass das Schaltelement 41 innerhalb
des zweiten Bereichs 13 axial verschiebbar ist. Das Schaltelement 41 weist
hierbei einen Wulst 42 auf, der den Verschiebeweg des Schaltelements 41 begrenzt.
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Das
Druckstück 52 weist
einen Anschlag 53 auf, der die Kammer 11 an dem
vom Zugstück 51 abgewandten
Ende druckdicht abschließt.
Der Anschlag 53 ist somit als Teil des Zugmechanismus 50 gegenüber dem
Gehäuse 10 axial
beweglich. Wird der Schlagkörper 40 entlang
der Bewegungsachse 100 auf das Druckstück 52 zu bewegt, trifft
er auf den Anschlag 53, wodurch ein Impulsübertrag
auf den Anschlag 53 und somit auf den Zugmechanismus 50 erfolgt.
Hierdurch kann somit eine Zugkraft auf ein mit dem Zugstück 51 verbundenes Werkstück ausgeübt werden.
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Wie
bereits erläutert,
weist das Gehäuse 10 einen
Anschluss 16 für
Druckluft auf. Der Anschluss 16 ist im Inneren des Gehäuses 10 über ein
Ventil 17 mit einer Ringkammer 19 verbunden. Das
Ventil 17 kann hierbei manuell durch den Hebel 60 betätigt werden.
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Die
Funktionsweise der Vorrichtung 1 und insbesondere das Zusammenwirken
der beweglichen Bauteile wird nun anhand eines zweiten Ausführungsbeispiels
mit Bezug auf die 5a–5d erläutert. Die
Vorrichtung 1 gemäß des zweiten
Ausführungsbeispiels
entspricht hierbei im Wesentlichen dem in Bezug auf die 1a–4 erläuterten
ersten Ausführungsbeispiel,
um die Funktionsweise zu verdeutlichen, wurde die Darstellung in
den genannten Figuren jedoch stark vereinfacht.
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Um
die Vorrichtung 1 in Betrieb zu setzen, betätigt der
Benutzer bei angeschlossener Druckluftzufuhr den Hebel 60,
wodurch das Ventil 17 geöffnet wird. Zu einem ersten
Zeitpunkt des Bewegungszyklus der Vorrichtung 1, der in 5a dargestellt
ist, befindet sich der Schlagkörper 40 im
dritten Bereich 15 der Kammer 11; das Schaltelement 41 befindet
sich in Ausgangslage. Mehrere Belüftungsöffnungen 22 verbinden
den ersten Bereich 12 in diesem Betriebszustand mit der
Umgebung, wodurch eine Druckentlastung des ersten Bereichs 12 gegeben
ist.
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Durch
die Betätigung
des Hebels 60 wird die mit dem Ventil 17 verbundene
Ringkammer 19 mit Druck beaufschlagt. Die Ringkammer 19 wiederum ist
durch eine Bohrung im Gehäuse 10 mit
der Kammer 11 im zweiten Bereich 13 verbunden,
wie insbesondere der vergrößerten Darstellung
im rechten Bereich der 5a–5d zu
entnehmen ist.
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Durch
eine übereinstimmende
Bohrung 61 im Schaltelement 41 wird der dritte
Bereich 15 der Kammer 11 mit Druck beaufschlagt.
Wie zuvor erwähnt,
ist der Durchmesser des Schlagkörpers 40 hierzu
etwas geringer, als der der Kammerwandung im dritten Bereich 15 und
des entsprechenden Teils des Schaltelements 41.
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Die
Beaufschlagung des dritten Bereichs 15 mit Druckluft führt zu einer
Beschleunigung des Schlagkörpers 40 in
Richtung des Anschlags 53. Wie eingangs erläutert, ist
der erste Bereich 12 durch die Öffnungen 22 belüftet, so
dass sich hier im Betriebszustand gemäß 5a kein
Druck aufbauen kann. Hierdurch wird verhindert, dass sich vor dem
Schlagkörper 40 ein
wesentlicher Gegendruck aufbaut, der ihn abbremsen würde.
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Sobald
der Schlagkörper 40 den
Wulst 42 passiert, wirkt der Druck auch auf das Schaltelement 41,
da der Hohlraum 62 zwischen Schaltelement 41 und
der Wandung der Kammer 11 über eine Verbindungsöffnung 63 mit
der Bypassleitung 18 und somit mit dem belüfteten ersten
Bereich 12 der Kammer 11 verbunden ist. Aus Gründen der
Veranschaulichung ist diese Verbindung in den 5a–5d jedoch nicht
gezeigt.
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Durch
die hierdurch gegebene Druckdifferenz zwischen dem dritten Bereich 15 und
dem Hohlraum 62 wird das Schaltelement 41 somit
axial in Richtung des Anschlags 53 im zweiten Bereich 13 verschoben.
Der Luftstrom wird dadurch umgeschaltet, wie in 5b gezeigt.
Wie sich aus der vergrößerten Darstellung
in 5b ergibt, ist nun die Verbindungsöffnung 63 mit
der Ringkammer 19 verbunden, wodurch nun Druck über die
Bypassleitung 18 in dem ersten Bereich 12 der
Kammer 11 aufgebaut wird.
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Durch
die starke Beschleunigung des Schlagkörpers 40 erreicht
dieser den Anschlag 53, wie in 5c gezeigt,
bevor über
die Bypassleitung 18 ein nennenswerter Druck im ersten
Bereich 12 aufgebaut ist.
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Durch
den Aufprall des Schlagkörpers 40 wird
der Impuls vom Schlagkörper 40 auf
den Zugmechanismus 50 und so auf ein mit dem Zugstück 51 verbundenes
Werkstück übertragen,
wodurch eine Zugkraft auf das Werkstück ausgeübt wird. Der Zugmechanismus 50 wird
hierbei axial gegenüber
dem Gehäuse 10 verschoben.
Da der Zugmechanismus 50 entlang der Bewegungsachse 100 gegenüber dem
Gehäuse 10 verschiebbar
ist, erfolgt praktisch keine Kraftübertragung auf das Gehäuse 10,
d. h. der Benutzer spürt
das Auftreffen des Schlagkörpers 40 nur
in sehr geringer Weise.
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Durch
den Druckaufbau im ersten Bereich 12 der Kammer 11 wird
der Schlagkörper 11 nun
in Richtung des Zugstücks 51 beschleunigt.
Hierbei ist der zweite 13 und dritte Bereich 15 der
Kammer 11 durch entsprechende Öffnungen 22 wiederum
belüftet.
Diese Bewegung wird durch die mit dem Auftreffen des Schlagkörpers 40 auf
den Anschlag 53 einhergehende (teilweise) Impulsumkehr
unterstützt.
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Wenn
der Schlagkörper 40 in
der Rückbewegung
den zweiten Bereich 13 der Kammer freigibt, wirkt der Druck
wiederum auf das Schaltelement 41, wodurch dieses in die
Ausgangslage verschoben wird. Der Schlagkörper 40 ist hierfür zur Unterstützung am
oberen Ende konisch ausgeführt.
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In
der Endphase der Rückbewegung
bildet sich im dritten Bereich 15 ein Luftpolster, das
durch den Schlagkörper 40 komprimiert
wird und ihn hierbei abbremst. Hierdurch wird verhindert, dass es
beim Auftreffen des Schlagkörpers 40 am
Ende des dritten Bereichs 15 zu einem „Gegenschlag” kommt,
der das Gehäuse 10 entgegen
der Zugrichtung drücken
würde.
Vielmehr kommt es zu einem vergleichsweise weichen Bremsvorgang,
wodurch die Maximalkraft auf das Gehäuse 10 (und somit
auf den Benutzer, der dieses führt)
beschränkt
wird.
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Nachdem
sich der Schlagkörper 40 wiederum
im dritten Bereich 15 am Ende der Kammer 11 befindet,
beginnt der dargestellte Bewegungszyklus von vorne.
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Da
die Frequenz der Bewegung zwischen 10 Hz und 50 Hz liegt, beruht
die Wirkung der Vorrichtung 1 hauptsächlich auf einer Vielzahl von
vergleichsweise schwachen Schlägen.
Es erfolgt eine vom Benutzer als quasi kontinuierlich wahrgenommene
Zugwirkung auf das Werkstück,
d. h. ein ruckartiges Lösen
wird vermieden. Da im Wesentlichen kein Impuls auf das Gehäuse 10 übertragen
wird, lässt
sich die Vorrichtung 1 angenehm handhaben. Die vergleichsweise
geringen Kräfte,
die (z. B. beim Rückführen des
Schlagkörpers 40)
auf das Gehäuse 10 einwirken,
werden auch aufgrund der hohen Frequenz nicht als störend empfunden.
Ein weiterer Vorteil geringerer Kräfte bei hoher Frequenz ist
die geringere mechanische Belastung für Vorrichtung 1 und Werkstück. Beschädigungen
sind weniger wahrscheinlich als bei einzelnen, kräftigeren
Schlägen.
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Die
dargestellte Vorrichtung 1 weist eine Länge von ca. 19 cm und einen
Durchmesser von ca. 7 cm auf und ist somit auch für einen
Einsatz an schwer zugänglichen
Stellen geeignet. Naturgemäß kann die
Vorrichtung 1 allerdings sowohl größer, als auch (z. B. für Präzisionsanwendungen)
kleiner ausgeführt
sein.
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Die
Vorrichtung 1 kann dadurch modifiziert werden, dass der
Anschlag 53 mittels eines Gewindes im Druckstück 52 befestigt
ist, so dass er durch Drehung gegenüber Druckstück 52 und Zugstück 51 verstellt
werden kann. In diesem Fall kann an einer Außenseite des Anschlags 53 ein
Innensechskant zum Eingriff mit einem Inbusschlüssel vorgesehen sein. Wird
der Anschlag 53 entgegen der Zugrichtung, folglich in Richtung
des Zugstücks 51,
verstellt, so verringert sich die freie Weglänge des Schlagkörpers 40 innerhalb
der Kammer 11. Hierdurch verkürzt sich die Periodendauer
des geschilderten Bewegungszyklus, d. h. die Frequenz erhöht sich.
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Zwar
kann es ggf. aufgrund eines kürzeren Beschleunigungsweges
dazu kommen, dass der vom Schlagkörper 40 übertragene
Impuls und somit die Zugkraft auf das Werkstück kleiner wird, allerdings
kann hiermit eine Resonanzanpassung auf das Werkstück erfolgen, was
bspw. beim Lösen
von festsitzenden Werkstücken
aus Bauteilen vorteilhaft sein kann.
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Eine
weitere Modifikation besteht darin, das Druckstück 52 zur Verbindung
mit einem Werkstück nutzbar
zu machen. Hierbei kann z. B. ein weiteres Gewinde vorgesehen sein,
an welches das Werkstück
befestigt wird. Auf diese Weise kann mit der Vorrichtung 1 nicht
nur eine Zugkraft, sondern auch eine Druckkraft, z. B. zum Einbau
eines Bauteils, ausgeübt
werden. Alternativ ist es ebenfalls denkbar, dass nur das Druckstück 52 zur
Verbindung mit einem Werkstück
ausgebildet ist.