DE102009047106A1

DE102009047106A1 - Variation der Eigenfrequenz von Schwingungsmitteln in Elektrowerkzeugen

Info

Publication number: DE102009047106A1
Application number: DE102009047106A
Authority: DE
Inventors: Gerd Schlesak; Carsten Diem; Willy Braun; Hardy Schmid; Holger Ruebsaamen; Michael Weiss; Jan Koalick; Peter Loehnert
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-11-25
Filing date: 2009-11-25
Publication date: 2011-05-26
Also published as: CN102666027A; US20120279741A1; WO2011064028A1; CN102666027B; EP2504130A1; RU2012126307A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Elektrowerkzeug mit einem Schwingungsmittel, das zur Ausübung einer Gegenschwingung vorgesehen ist, die einer Gehäuseschwingung des Elektrowerkzeugs entgegenwirkt, wobei eine schwingungsrelevante Eigenschaft des Schwingungsmittels während des Betriebes des Elektrowerkzeugs so anpassbar ist, dass sich die Amplitude, die Phasenlage und/oder die Frequenz der Gegenschwingung bei Änderung der schwingungsrelevanten Eigenschaft verändert. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein insbesondere erfindungsgemäßes Elektrowerkzeug, dessen Schwingungsmittel eine Eigenfrequenz aufweist, die mittels Änderungsmitteln des Elektrowerkzeugs veränderbar ist. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Kompensation von Gehäuseschwingungen, insbesondere des erfindungsgemäßen Elektrowerkzeugs, mit einem Schwingungsmittel, das zur Ausübung einer gegen eine Gehäuseschwingung des Elektrowerkzeugs wirkenden Gegenschwingung vorgesehen ist, wobei die Amplitude, die Phasenlage und/oder die Frequenz der Gegenschwingung während des Betriebes des Elektrowerkzeugs verändert wird.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Elektrowerkzeug mit einem Schwingungsmittel, das zum Ausgleich von Gehäuseschwingungen in dem Elektrowerkzeug angeordnet ist sowie ein Verfahren zur Kompensation von Gehäuseschwingungen eines Elektrowerkzeugs.
Durch Inkrafttreten der gesetzlichen Forderung, bei Verwendung von Elektrowerkzeugen das täglich zulässige Arbeitspensum an die auf den Bediener einwirkende, körperliche Belastung zu koppeln, findet bei Elektrowerkzeugen, vor allem bei Bohr- und Schlaghammern, das Thema Vibrationen eine immer größer werdende Bedeutung.
Beim Schlagbohren und Meißeln eines Hammers geht eine sehr große körperliche Belastung für den Bediener von der durch das Schlagwerk erzeugten Gehäuseschwingung aus. Gerade bei großen Bohr- und Schlaghammern sind aufgrund der hohen Schlagenergie die Vibrationen sehr ausgeprägt. Für Bediener solcher Maschinen reduziert sich die erlaubte Arbeitszeit deshalb ohne weitere Maßnahmen zum Teil erheblich. In Folge dessen wird bei der Entwicklung zunehmend an Lösungen gearbeitet, bei denen Vibrationen von Elektrowerkzeugen reduziert sind. Dadurch kann sichergestellt werden, dass auch weiterhin uneingeschränkt mit diesen Geräten gearbeitet werden kann.
6 zeigt eine typische Gehäuseschwingung 100, die bei Vibrationen des Gehäuses von Bohr- und Schlaghammern 7 entsteht, welche durch eine Schlagwerksbaugruppe 8 verursacht ist, bei der der Schläger 121 durch einen exzentrischen Kolbentrieb 12 angetrieben wird. Auf der horizontalen Achse 101 ist der Umdrehungswinkel [in °] dargestellt, auf der vertikalen Achse 102 die Auslenkung [in mm] des Gehäuses. Die vibrationsgenerierende Gehäuseschwingung 100 ist aus mehreren Frequenzanteilen zusammengesetzt. Die Hauptfrequenz ist aus der periodischen Beschleunigung des Schlägers 121 abgeleitet. Die 6 zeigt jedoch, dass der Auslenkung, die durch die periodische Beschleunigung, des Schlägers 121 verursacht ist, noch weitere Frequenzanteile aus anderen Vibrationsquellen, z. B. aus den Stoß- und Rückstoßvorgängen der Schlagkette sowie von unausgeglichenen Massenkräften des Antriebes, überlagert sind. Denn die Gehäuseschwingung 100 verläuft nicht im Wesentlichen sinusförmig mit der Hauptfrequenz, sondern dem sinusförmigen Verlauf mit Hauptfrequenz sind weitere Frequenzanteile überlagert.
Da nichtlineare Systeme mit nur bedingt harmonischen Bewegungsabläufen wirken, überlagern sich die einzelnen Vibrationsanteile in komplexer Weise. Durch Spiel zwischen den einzelnen Bauteilen, durch nichtlineare Elastizitätsverläufe, durch die nichtlinearen Stoßvorgänge und durch die nur angenähert harmonischen Reaktionskräfte aus dem Schlagwerk ergeben sich unharmonische Gehäuseschwingungen komplexer Ordnung.
Eine optimale Reduzierung der Gehäuseschwingung wird erreicht, wenn ein Schwingungsreduktionssystem der in 6 dargestellten Gehäuseschwingung möglichst exakt entgegenwirkt.
In der Praxis erfolgt die Erzeugung von Gegenkräften, die den Gehäusevibrationen entgegenwirken, beispielsweise mit Hilfe von Tilgern.
Ein Tilger ist ein Feder-Masse-System mit festgelegter Resonanzfrequenz, durch den eine signifikante Schwingungsreduktion nur in einem kleinen Bereich nahe der Resonanzfrequenz erreicht werden kann. Daher wird die Tilgereigenfrequenz möglichst in der Nähe der größten störenden Vibrationsfrequenz des Gehäuses gewählt, so dass der Tilger in diesem Frequenzbereich möglichst effektiv wirkt.
Jedoch haben im Betrieb eines Elektrowerkzeugs die auftretenden Schwingungen regelmäßig unterschiedliche Quellen. Durch ihre Überlagerung verursachen diese Gehäuseschwingungen unterschiedlicher und veränderlicher Frequenz.
Beispielsweise kann bei einer Änderung der Belastungsparameter und/oder der Betriebsparameter des Elektrowerkzeugs, insbesondere durch Änderung der Drehzahl des Antriebsmotors des Elektrowerkzeugs oder während der Bearbeitung eines Werkstücks aus verschiedenen Materialien, die beim Betrieb des Elektrowerkzeugs regelmäßig stattfindet, der Wirkbereich eines Tilgers überschritten werden und die Tilgung daher uneffektiv sein.
Daher sind zusätzliche Maßnahmen erforderlich, um die Wirkung des Tilgers bei den auftretenden Betriebs- und Belastungszuständen zu verbessern beziehungsweise eine möglichst große Vibrationsreduktion zu erreichen.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Elektrowerkzeug zu schaffen, dass besser an die sich ändernden Erfordernisse im Elektrowerkzeug angepasst ist, so dass die Gehäuseschwingung des Elektrowerkzeugs effektiver verringerbar ist, sowie ein Verfahren zur Reduktion der Gehäuseschwingung des Elektrowerkzeugs.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Elektrowerkzeug mit einem Schwingungsmittel, wobei das Schwingungsmittel zur Ausübung einer Gegenschwingung vorgesehen ist, die einer Gehäuseschwingung des Elektrowerkzeugs entgegenwirkt, wobei eine schwingungsrelevante Eigenschaft des Schwingungsmittels während des Betriebes des Elektrowerkzeugs so anpassbar ist, dass sich die Amplitude, die Phasenlage und/oder die Frequenz der Gegenschwingung bei Änderung der schwingungsrelevanten Eigenschaft verändert.
Da erfindungsgemäß durch Anpassung der schwingungsrelevanten Eigenschaft des Schwingungsmittels während des Betriebes die Amplitude, die Phasenlage und/oder die Frequenz der Gegenschwingung des Schwingungsmittels verändert wird, wird die Gegenschwingung an die Vibrationsverhältnisse im Elektrowerkzeug dynamisch angepasst. Dadurch ist der Frequenzbereich in dem das Schwingungsmittel effektiv zur Kompensation der Gehäuseschwingung einsetzbar ist, vergrößert. Die Kompensation der Gehäuseschwingung des Elektrowerkzeugs ist daher in einem größeren Frequenzbereich effektiv möglich.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Elektrowerkzeug Änderungsmittel auf, mit denen die Amplitude, die Phasenlage und/oder die Frequenz der Gegenschwingung während des Betriebes des Elektrowerkzeugs veränderbar ist. Dadurch ist die Gegenschwingung des Schwingungsmittels während des Betriebes des Elektrowerkzeugs dynamisch an die Gehäuseschwingung anpassbar, so dass die Gegenschwingung in Bezug auf ihre Amplitude, ihre Phasenlage und/oder ihre Frequenz so verändert werden kann, dass sie der Gehäuseschwingung exakter entgegenwirkt, auch im Falle unerwarteter Änderungen der Gehäuseschwingung, beispielsweise durch Materialänderungen im Werkstück. Der Gehäuseschwingung kann daher auch bei sich ändernden Betriebs- und Umgebungsparametern besser entgegen gewirkt werden.
Bevorzugt ist die Gehäuseschwingung sowohl in Abhängigkeit vom augenblicklichen Betriebszustand des Elektrowerkzeugs als auch unabhängig vom Betriebspunkt des Elektrowerkzeugs kompensierbar. Daher ermöglicht das erfindungsgemäße Elektrowerkzeug, dass sowohl die Betriebseinstellungen und Betriebsparameter des Elektrowerkzeugs als auch Änderungen des bearbeiteten Werkstücks oder des Verhaltens des Bedieners berücksichtigt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform, die die Aufgabe ebenfalls löst, weist das Schwingungsmittel eine Eigenfrequenz auf, die mittels der Änderungsmittel veränderbar ist. Die Eigenfrequenz des Schwingungsmittels ist eine schwingungsrelevante Eigenschaft. Dem Fachmann ist bekannt, dass als Eigenfrequenz die Frequenz eines Schwingungsmittels bezeichnet wird, mit der das Schwingungsmittel nach einmaligem Anstoß schwingen würde, wenn die Schwingung nicht durch Reibung gedämpft würde, und wenn keine anregenden Kräfte die Schwingung der Masse erzwingen. Dem Fachmann ist ebenfalls bekannt, dass sich die Eigenfrequenz eines Masse-Feder-Systems nach der Formel berechnet: ω₀ = √k_F/m
Dabei ist k_F die Federkonstante der Feder, m das Gewicht der Masse und ω₀ die Eigenfrequenz des Masse-Feder-Systems.
Wenn die Frequenz einer das Schwingungsmittel anregenden Schwingung nahe der Eigenfrequenz des Schwingungsmittels ist, schwingt das Schwingungsmittel mit einer sehr großen Amplitude. Sofern die Gegenschwingung möglichst exakt der Gehäuseschwingung entgegen wirkt, ist daher mit einer Frequenz des Schwingungsmittels nahe seiner Eigenfrequenz ein im Wesentlichen maximaler Betrag der Gehäuseschwingung kompensierbar. Durch Änderung der Eigenfrequenz des Schwingungsmittels ist vornehmlich die Amplitude und zumindest in geringem Maße auch die Phasenlage der Gegenschwingung veränderbar. Bei einer Änderung der Masse des Schwingungsmittels ändert sich auch die Frequenz der Gegenschwingung.
Um die Eigenfrequenz des Schwingungsmittels zu ändern, weist das Schwingungsmittel bevorzugt eine Masse auf, die veränderbar ist. Die Masse ist zu einer freien, der Gehäuseschwingung beziehungsweise der die Gehäuseschwingung verursachenden Schwingung entgegenwirkenden Gegenschwingung vorgesehen. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Masse zumindest zwei Teilmassen, die mittels der Änderungsmittel reversibel miteinander koppelbar sind. Dadurch ist das Gewicht der schwingenden Masse des Schwingungsmittels veränderbar, wobei die Änderung des Gewichtes der schwingenden Masse zu der Änderung der Eigenfrequenz führt. Und zwar wird bei Vergrößerung des Gewichtes der Masse die Eigenfrequenz des Schwingungsmittels in Richtung zu tieferen Frequenzen hin verschoben. Auch die Masse des Schwingungsmittels ist daher eine schwingungsrelevante Eigenschaft.
Bevorzugt weist das Schwingungsmittel zur Änderung seiner Eigenfrequenz eine Federkonstante auf, die mittels der Änderungsmittel veränderbar ist. Besonders bevorzugt weist das Schwingungsmittel eine Federkennlinie auf, die nichtlinear ist. Die Federkonstante beziehungsweise die Federkennlinie der Feder des Schwingungsmittels sind daher schwingungsrelevante Eigenschaften des Schwingungsmittels.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Masse an zumindest einer Feder angeordnet, insbesondere einer Spiralfeder, einer Schraubendruckfeder oder einer Blattfeder. In dieser Ausführungsform ist das Schwingungsmittel ein Tilger.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Schwingungsmittel mehrere Federn auf, die so miteinander verschaltet sind, dass die Federkennlinie des Schwingungsmittels nichtlinear ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Schwingungsmittel die Feder auf, an der die Masse angeordnet ist, sowie zumindest eine zweite Feder, die in Abhängigkeit von der Amplitude der Gegenschwingung mit der Feder zusammenwirkt. Die zweite Feder ist der Feder bevorzugt so parallel geschaltet, dass die Federkonstante vergrößert ist. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden sowohl Federn mit linearer als auch Federn mit nichtlinearer Federkennlinie miteinander verschaltet.
Der Fachmann versteht, dass die Federkonstante des Schwingungsmittels die Federkonstante der Feder, oder die sich aus der Reihen- und/oder Parallelschaltung der mehreren Federn des Schwingungsmittels resultierende Federkonstante ist. Der Fachmann weiß, dass eine Federkennlinie den Verlauf der Federkonstante wiedergibt, die sich aus dem Quotienten des Betrages der die Feder dehnenden Kraft, die auch Federvorspannung genannt wird, und der durch die dehnende Kraft bewirkten Verlängerung ergibt. Die Federkennlinie des Schwingungsmittels ist daher ebenfalls die Federkennlinie der Feder des Schwingungsmittels, oder die sich aus der Reihen- und/oder Parallelschaltung der Federn des Schwingungsmittels resultierende Federkennlinie. Die Veränderung der Federkonstante bewirkt eine Veränderung der Eigenfrequenz des Schwingungsmittels. Und zwar wird bei Vergrößerung der Federkonstante die Eigenfrequenz des Schwingungsmittels in Richtung zu höheren Frequenzen hin verschoben.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform ist mittels der Änderungsmittel die Federvorspannung des Schwingungsmittels veränderbar. Dabei sind sowohl Federn mit linearer als auch Federn mit nichtlinearer Federkennlinie bevorzugt.
Der Fachmann versteht, dass die Federvorspannung des Schwingungsmittels die Federvorspannung der Feder, oder die sich aus der Reihen- und/oder Parallelschaltung der mehreren Federn des Schwingungsmittels resultierende Federvorspannung ist. Die Veränderung der Federvorspannung bewirkt insbesondere eine Veränderung der Amplitude der Gegenschwingung. Die Federvorspannung ist daher eine schwingungsrelevante Eigenschaft des Schwingungsmittels.
Bevorzugt ist die Feder des Schwingungsmittels an einem Lagerpunkt gelagert, wobei mittels der Änderungsmittel zum Verändern der Federvorspannung der Lagerpunkt der Feder verschiebbar ist. Durch Verschieben des Lagerpunktes der Feder ist die Vorspannung der Feder veränderbar, so dass dadurch insbesondere die Amplitude der Gegenschwingung verändert wird.
Die Änderungsmittel umfassen in einer bevorzugten Ausführungsform ein elektrisches Steuerungsmittel, das mit dem Schwingungsmittel, insbesondere mit der Masse und/oder der Feder, zusammenwirkt. Besonders bevorzugt wirkt das elektrische Steuerungsmittel unmittelbar mit der Masse und/oder der Feder zusammen. Oder es wirkt ebenfalls bevorzugt mittelbar mit der Masse und/oder der Feder zusammen, beispielsweise indem es ein weiteres Änderungsmittel aktiviert oder betätigt, welches mit der Masse und/oder der Feder unmittelbar zusammenwirkt. Dadurch ist die Änderung der Amplitude, Frequenz und/oder Phasenlage der Gegenschwingung elektrisch steuer- oder regelbar. Der Fachmann versteht, dass auch eine andere Form der Steuerung oder Regelung anwendbar ist, beispielsweise eine mechanische Steuerung oder Regelung.
Das elektrische Steuerungsmittel ist bevorzugt ein Aktuator, oder ebenfalls bevorzugt umfasst das Steuerungsmittel einen Aktuator, insbesondere einen Stellmotor, einen Linearmotor oder einen Elektromagneten.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Elektrowerkzeug weiterhin ein Erfassungsmittel zur Erfassung der Gehäuseschwingung des Elektrowerkzeugs, der Drehzahl und/oder der Drehgeschwindigkeit eines Antriebsmotors des Elektrowerkzeugs, der Gegenschwingung der Masse, und/oder weiterer vibrationsrelevanter Größen, so dass die Amplitude, die Phasenlage und/oder die Frequenz der Gegenschwingung der Masse in Abhängigkeit von diesen vibrationsrelevanten Größen veränderbar ist. Als Erfassungsmittel werden beispielsweise Beschleunigungssensoren und/oder Wegmesssensoren verwendet.
Vorzugsweise umfasst das Elektrowerkzeug weiterhin eine Auswerteeinheit, die mit dem Erfassungsmittel verbunden ist, um die vibrationsrelevanten Größen auszuwerten, und um dem Steuerungsmittel, ein von den vibrationsrelevanten Größen abhängiges Ausgangssignal bereitzustellen. Eine solche Auswerteeinheit umfasst bevorzugt eine Logik, mit der die vibrationsrelevanten Größen in das Ausgangssignal wandelbar sind. Vorzugsweise erfolgt die Analyse der vibrationsrelevanten Größen durch Vergleich mit Standard-Größen. Als Logik ist aber ebenfalls bevorzugt eine intelligente Steuerung oder Regelung einsetzbar, insbesondere eine adaptive Regelung. Die Auswerteeinheit ist beispielsweise eine prozessorgesteuerte Einheit. Sie kann aber auch als elektrische Schaltung, insbesondere integrierte Schaltung, beispielsweise als ASIC (Application Specific Integrated Circuit) ausgebildet sein.
Die Steuerung oder Regelung der Gegenschwingung des Schwingungsmittels mittels eines elektrischen Steuerungsmittels und insbesondere in Abhängigkeit von vibrationsrelevanten Größen ermöglicht eine auf das Vibrationsniveau gezielt abgestimmte dynamische Anpassung der Gegenschwingung, und zwar sowohl in Abhängigkeit vom augenblicklichen Betriebszustand des Elektrowerkzeugs als auch von bekanntem dynamischem Verhalten des Elektrowerkzeugs in seinen verschiedenen Betriebsmodi als auch in Abhängigkeit vom Verhalten eines Bedieners oder von der Bearbeitung beziehungsweise den Eigenschaften des Werkstücks.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einem Verfahren zur Kompensation von Gehäuseschwingungen eines insbesondere erfindungsgemäßen Elektrowerkzeugs, mit einem Schwingungsmittel, dass vorgesehen ist, eine der Gehäuseschwingung entgegenwirkende Gegenschwingung auszuüben, wobei die Amplitude, die Phasenlage und/oder die Frequenz der Gegenschwingung während des Betriebes des Elektrowerkzeugs verändert werden.
Die Veränderung der Amplitude, Phasenlage und/oder Frequenz der Gegenschwingung wird bevorzugt durch eine Anpassung einer schwingungsrelevanten Eigenschaft des Schwingungsmittels bewirkt.
Dadurch ist der effektive Frequenzbereich des Schwingungsmittels vergrößert. Außerdem ermöglicht das aktive Verändern der Amplitude, Phasenlage und/oder Frequenz der Gegenschwingung eine Anpassung der Gegenschwingung an die sich während des Betriebes des Elektrowerkzeugs verändernden Gehäuseschwingungen. Die Gegenschwingung ist daher während des Betriebes des Elektrowerkzeugs so optimierbar, dass sie der Gehäuseschwingung genauer entgegen wirkt und diese somit besser kompensiert.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren beschrieben. Die Figuren sind lediglich beispielhaft und schränken den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht ein.
1–5 zeigen schematisch verschiedene Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Elektrowerkzeugs,
6 zeigt eine Gehäuseschwingung eines Elektrowerkzeugs sowie eine Gegenschwingung eines Schwingungsmittels, und
7 zeigt Federkennlinien von verschieden ausgeführten Federn.
1–5 zeigen schematisch verschiedene Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Elektrowerkzeugs 1.
Als Elektrowerkzeug 1 ist hier beispielhaft ein Bohrhammer gezeigt, der eine Schlagwerksbaugruppe 3 umfasst. In der Schlagwerksbaugruppe 3 ist ein Schläger 121 vorgesehen, der über ein Pleuel 12, welches mittels eines Exzenterpins 11 exzentrisch an einer Exzenterscheibe 10 gelagert ist, die sich um eine Exzenterachse 9 dreht, linear angetrieben ist.
Die Exzenterscheibe 10 ist mittels eines ebenfalls um die Exzenterachse 9 drehbaren Zahnrades 23 antreibbar, welches mit einem Antriebsritzel 22 in Eingriff ist, das drehfest an einer Antriebswelle 21 eines Antriebsmotors 20 des Elektrowerkzeugs 1 angeordnet ist. Bei Drehung der Exzenterscheibe 10 in eine Drehrichtung 8 um die Exzenterachse 9 wird der Schläger 121 der Schlagwerksbaugruppe 3 in einer Längsrichtung 4 hin und her bewegt.
Die vorliegende Erfindung ist aber nicht auf Elektrowerkzeuge 1 mit Schlagwerksbaugruppe 3 beschränkt, sondern auch für andere Elektrowerkzeuge 1 verwendbar, beispielsweise auf Bohrmaschinen, Stichsägen oder ähnlich.
Im Folgenden wird der Begriff Bohrhammer synonym für das Elektrowerkzeug 1 verwendet.
Erfindungsgemäß wird eine schwingungsrelevante Eigenschaft ω₀, 51, k_F, 112–115, 106, 52 eines Schwingungsmittels 58 während des Betriebes des Elektrowerkzeugs 1 so angepasst, dass sich die Amplitude 104, die Phasenlage φ und/oder die Frequenz 1/T einer von dem Schwingungsmittel 58 ausgeführten Gegenschwingung 103 verändert. Schwingungsrelevante Eigenschaften ω₀, 51, k_F, 112–115, 106, 52 des Schwingungsmittels 58 sind beispielsweise ihre Eigenfrequenz ω₀, die Federvorspannung 106, Federkonstante k_F oder Federkennlinie 112–115 ihrer Feder 52 und ihre Masse 51. Dabei sind die schwingungsrelevanten Eigenschaften ω₀, 51, k_F, 112–115, 106, 52 des Schwingungsmittels 58 bei mehreren miteinander verschalteten Federn 52, 521–524 und/oder Massen 51, 511, 512 die sich aus der Reihen- und/oder Parallelschaltung der mehreren Federn 52, 521–524 und/oder Massen 51, 511, 512 ergebenden schwingungsrelevanten Eigenschaften ω₀, 51, k_F, 112–115, 106, 52.
In der Ausführungsform der 1 ist ein Schwingungsmittel 58 vorgesehen, das eine Masse 51 umfasst. Das Schwingungsmittel umfasst weiterhin eine erste Feder 521 und eine zweite Feder 522, wobei die Masse 51 zwischen der ersten Feder 521 und der zweiten Feder 522 angeordnet ist. Das Schwingungsmittel 58 ist daher ein Tilger. Als erste und zweite Federn 521, 522 sind hier Spiralfedern vorgesehen. Im Rahmen der Beschreibung der 1 wird daher der Begriff Spiralfeder synonym für den Begriff Feder 521, 522 verwendet.
In dem Elektrowerkzeug 1 sind Änderungsmittel 98, 90, 56 vorgesehen, mit denen die Federvorspannung des Schwingungsmittels 58 veränderbar ist. Und zwar ist als Änderungsmittel ein Verschieber 90 in einer Kulisse 98 vorgesehen, wobei die erste Feder 521 am Verschieber 90 gelagert ist, so dass dieser einen Lagerpunkt der ersten Feder 521 bildet. Die Begriffe Lagerpunkt und Verschieber 90 werden daher im Rahmen der Beschreibung der 1 synonym verwendet.
Als weiteres Änderungsmittel 98, 90, 56 ist eine Fliehkraftgewichtsanordnung 56 vorgesehen, die mit dem Verschieber 90 zusammenwirkt. Die Fliehkraftgewichtsanordnung 56 ist mit der Exzenterachse 9 drehfest verbunden, so dass die Fliehkraftgewichtsanordnung 56 durch Drehen der Exzenterachse 9 antreibbar ist. Dabei wird der Verschieber 90 in einer Erstreckungsrichtung 91 entlang der Kulisse verschoben. Im vorliegenden Fall ist die Erstreckungsrichtung 91 die Erstreckungsrichtung 91 der ersten und zweiten Feder 521, 522, so dass der Verschieber 90 in oder entgegen der Kraft der ersten und zweiten Spiralfeder 521, 522 verschoben wird, und sich somit die Federvorspannung der beiden Federn 521, 522 ändert.
Das Verschieben des Lagerpunktes 90 bewirkt eine Änderung der Federvorspannung 106 des Schwingungsmittels 58, so dass sich insbesondere die Amplitude 104 einer Gegenschwingung 103 des Schwingungsmittels 58 ändert. In dieser Ausführungsform wird die Federvorspannung 106 in Abhängigkeit von der Drehzahl des Antriebsmotors 20 vergrößert, und zwar wird bei Verwendung von Federn 521, 522 mit ansteigender Federkennlinie die Federvorspannung 106 umso größer, je schneller sich der Antriebsmotor 20 dreht. Dadurch wird die Amplitude 104 der Gegenschwingung 103 verringert. Durch die Verwendung einer Feder 521, 522 mit nichtlinearer Federkennlinie (s. 7), bevorzugt mit progressiver Federkennlinie 115, kann weiterhin verhindert werden, dass die Masse 51 an ihre mechanische Endlage anschlägt. Die mechanische Endlage ist erreicht, wenn die Federn 521, 522 nicht mehr komprimierbar sind. Das Anschlagen an die mechanische Endlage würde zu einer Beeinträchtigung der Funktion und der Lebensdauer des Schwingungsmittels 58 führen.
Es ist auch eine Ausführungsform denkbar, bei der ein elektrisches Steuerungsmittel 54 (s. beispielsweise 3, 4) zum Antrieb der Fliehkraftgewichtsanordnung 56 verwendet wird.
In der Ausführungsform der 2 wird das Anschlagen an die mechanische Endlage verhindert, indem die Masse 51 des Schwingungsmittels 58 zwischen einer ersten Spiralfeder 521 und einer zweiten Spiralfeder 522 aufgehängt ist, wobei der ersten Spiralfeder 521 eine dritte Spiralfeder 523 und der zweiten Spiralfeder 522 eine vierte Spiralfeder 524 parallel angeordnet sind, die in Abhängigkeit von der Amplitude 104 der Gegenschwingung 103 mit der ersten und zweiten Spiralfeder 521, 522 zusammenwirken. Bei großer Amplitude 104 der Gegenschwingung 103 sind entweder die erste Spiralfeder 521 und die dritte Spiralfeder 523 parallel geschaltet, so dass sich die Federkonstanten k_F521, k_F522 der Federn 521, 523 addieren und sich die Federkonstante k_F des Schwingungsmittels 58 daher vergrößert. Dadurch verschiebt sich die Eigenfrequenz ω₀ des Schwingungsmittels 58 zu größeren Frequenzen. Oder die zweite Spiralfeder 522 ist parallel der vierten Spiralfeder 524 angeordnet mit derselben Folge. Eine Verschiebung der Eigenfrequenz ω₀ zu größeren Frequenzen bewirkt eine Verringerung der Amplitude 104 der Gegenschwingung 103.
In dieser Ausführungsform sind keine weiteren Änderungsmittel im Elektrowerkzeug 1 vorgesehen.
In der Ausführungsform der 3 ist eine Masse 51 eines Schwingungsmittels 58 an einer Blattfeder 52 des Schwingungsmittels 58 angeordnet. Im Rahmen der Figurenbeschreibung der 3 werden daher die Begriffe Blattfeder und Feder 52 synonym verwendet.
Hier weist der Bohrhammer 1 ein Erfassungsmittel 61 zur Erfassung vibrationsrelevanter Größen E1 auf, mit dem die Gehäuseschwingung 100 des Bohrhammers 1 erfassbar ist. Das Erfassungsmittel 61 ist daher beispielsweise ein Beschleunigungssensor oder ein Wegmesssensor. Alternativ oder zusätzlich ist es jedoch möglich, mittels des Erfassungsmittels 61 oder weiterer Erfassungsmittel E1 andere vibrationsrelevante Größen E1 zu erfassen, beispielsweise die Drehzahl und/oder den Drehwinkel des Antriebsmotors 20 des Bohrhammers 1, wobei dafür beispielsweise herkömmliche Drehzahl und/oder Drehwinkel-Geber verwendbar sind, beispielsweise Kommutierungsgeber, Drehzahlgeber, Resolver, Lagegeber und andere. Weitere vibrationsrelevante Größen E1 sind beispielsweise auch die aktuelle Bewegung der Masse 51 und/oder vom Bediener veränderbare Einstellungen.
Die erfassten vibrationsrelevanten Größen E1 werden einer Auswerteeinheit 7, die mit dem Erfassungsmittel 61 verbunden ist, zur Auswertung übermittelt. Die Auswerteeinheit 7 umfasst eine Logik, mit der die vibrationsrelevanten Größen E1 in ein Ausgangssignal A wandelbar sind, welches einem elektrischen Steuermittel 54 bereitgestellt wird. In dieser Ausführungsform des Elektrowerkzeugs 1 ist daher als ein Änderungsmittel 54 das elektrische Steuerungsmittel 54 vorgesehen, so dass die Gegenschwingung 103 des Schwingungsmittels 58 hier aktiv an die Erfordernisse im Elektrowerkzeug 1 anpassbar ist.
In der Ausführungsform der 3 ist als Steuermittel 54 ein Stellmotor vorgesehen. Dies ist auch in der Ausführungsform der 4 der Fall, so dass in diesen 3, 4 die Begriffe Steuermittel 54 und Stellmotor synonym verwendet werden.
In der 3 ist mittels des Stellmotors 54 ein Lagerpunkt 90 der Blattfeder 52, hier ein Einspannpunkt 90, verschiebbar. In der 3 werden daher die Begriffe Lagerpunkt 90 und Einspannpunkt 90 synonym verwendet. An einem Ende der Blattfeder 52 ist die Masse 51 angeordnet, während die Blattfeder 52 mit ihrem anderen Ende am Gehäuse 33 des Elektrowerkzeugs 1 gelagert ist. Die Masse 51 ist daher so vorgesehen, dass mit ihr eine Gegenschwingung 103, die der Gehäuseschwingung 100 entgegenwirkt und diese zumindest teilweise kompensiert, ausführbar ist.
Der Stellmotor 54 treibt ein Zahnrad 531 an, das mit einem gezahnten Schieber 53 zusammenwirkt. Beim Drehen des Zahnrades 531 wird der Schieber 53 entlang einer Erstreckungsrichtung 91 der Blattfeder 52 verschoben. Am Schieber 53 ist ein Einspannmittel 532 angeordnet, das den Einspannpunkt 90 für die Blattfeder 52 bildet, so dass sich beim Verschieben des Schiebers 53 der Einspannpunkt 90 der Blattfeder 52 verschiebt.
In der Ausführungsform der 3 wirkt daher der Stellmotor 54 nicht unmittelbar mit der Masse 51 und/oder der Blattfeder 52 zusammen, sondern es sind weitere Änderungsmittel 53, 531, 532 vorgesehen, hier ein Zahnrad 531, ein Schieber 53 sowie ein Einspannmittel 532, die mit der Blattfeder 52 zusammenwirken.
Durch Verändern des Einspannpunktes 90 ändert sich die Federkonstante k_F der Blattfeder 52 und somit die Eigenfrequenz ω₀ des Schwingungsmittels 58, so dass sich vor allem die Amplitude 104 der Gegenschwingung 103 ändert. Da sich hier die wirksame Länge der Blattfeder 52 ändert, bewirkt das Verschieben auch eine Änderung der Frequenz 1/T der Gegenschwingung 103.
In der Ausführungsform der 4 ist im Gegensatz zur Ausführungsform der 3 die Masse 51 zwischen einer ersten Spiralfeder 521 und einer zweiten Spiralfeder 522 aufgehängt, wobei die erste Spiralfeder 521 an einem ersten Lagermittel 901 und die zweite Spiralfeder 522 an einem zweiten Lagermittel 902 gelagert ist. Das erste Lagermittel 901 sowie das zweite Lagermittel 902 sind entlang einer Spindel 99 in der Erstreckungsrichtung 91 der ersten und zweiten Spiralfeder 521, 522 hin und her verschieblich.
Mittels des Stellmotors 54 ist die Spindel 99 drehbar, so dass sich das erste sowie das zweite Lagermittel 901, 902 entlang der Erstreckungsrichtung 91 verschiebt. Es sind auch Ausführungsformen möglich, bei denen das erste und das zweite Lagermittel 901, 902 getrennt voneinander verschieblich sind.
Durch das Verschieben der Lagermittel 901, 902 ändert sich die Federvorspannung 106 (s. 7) der Spiralfedern 521, 522, so dass sich insbesondere die Amplitude 104 der Gegenschwingung 103 ändert. In dieser Ausführungsform sind die Lagermittel 901, 902, die Spindel 99 sowie der Stellmotor 54 Änderungsmittel 54, 99, 901, 902.
Durch Verwendung von Federn 521, 522 mit nichtlinearer und insbesondere progressiver Federkennlinie 115 (s. 7) kann auch hier das Anschlagen der Masse 51 an ihre mechanische Endlage verhindert werden.
Außerdem bewirkt die Verwendung von Federn 521, 522 mit nichtlinearer Federkennlinie (s. 7) eine dynamische Veränderung der Federkonstante k_F und somit eine Änderung der Eigenfrequenz ω₀ des Schwingungsmittels 58. Dadurch ist das Schwingungsmittel 58 für ein breiteres Frequenzband effektiv nutzbar.
In der in 5 gezeigten Ausführungsform ist als Steuermittel 55 ein Elektromagnet vorgesehen. Daher werden in dieser 5 die Begriffe Steuermittel 55 und Elektromagnet synonym verwendet.
In dieser Ausführungsform ist eine erste Teilmasse 511 zwischen einer ersten Spiralfeder 521 und einer zweiten Spiralfeder 522 aufgehängt. Weiterhin ist eine zweite Teilmasse 512 vorgesehen, die im Bereich der ersten Teilmasse 511 angeordnet ist. Die zweite Teilmasse 512 erstreckt sich beispielsweise zumindest teilweise entlang der ersten Teilmasse 511 oder ist beispielsweise um diese herum angeordnet. Zwischen der ersten Teilmasse 511 und der zweiten Teilmasse 512 ist, beispielsweise in einem Spalt (hier nicht gezeigt), eine magnetorheologische Flüssigkeit 57 angeordnet.
Im Bereich der Teilmassen 511, 512 ist ein Elektromagnet 55 als Stellmittel 55 so angeordnet, dass beim Einschalten des Elektromagneten 55 die magnetorheologische Flüssigkeit 57 ein Ankoppeln der zweiten Teilmasse 512 an die erste Teilmasse 511 bewirkt, so dass sich das Gewicht der Masse 51 ändert. Nämlich das Gewicht ist bei nicht eingeschaltetem Elektromagneten 55 im Wesentlichen das Gewicht der ersten Teilmasse 511, und bei eingeschaltetem Elektromagneten 55 im Wesentlichen das Gewicht der ersten Teilmasse 511 zuzüglich dem Gewicht der zweiten Teilmasse 512, so dass die Masse 51 im ersten Fall die erste Teilmasse 511 ist, und so dass die Masse 51 im zweiten Fall aus der ersten Teilmasse 511 und der zweiten Teilmasse 512 gebildet ist.
Diese Ausführungsform weist daher den Elektromagneten 55 sowie die magnetorheologische Flüssigkeit 57 als Änderungsmittel 55, 57 auf, so dass auch hier die Gegenschwingung 103 des Schwingungsmittels 58 aktiv steuer- oder regelbar ist.
Das größere Gewicht verursacht eine Verschiebung der Eigenfrequenz ω₀ des Schwingungsmittels 58 zu tieferen Frequenzen, so dass sich sowohl die Amplitude 104 als auch die Phasenlage φ als auch die Frequenz 1/T der Gegenschwingung 103 des Schwingungsmittels 58 ändern.
Für eine Steuerung oder Regelung der Amplitude 104, Phasenlage φ und/oder Frequenz 1/T der Gegenschwingung 103 des Schwingungsmittels 58 sind auch mechanische Steuerungen denkbar. Beispielsweise ist es möglich, die Teilmassen so anzuordnen, dass in Abhängigkeit einer vibrationsrelevanten Größe eine Ankopplung der Teilmassen 511, 512 mittels eines Bolzens, der in Aufnahmeöffnungen der Teilmassen 511, 512 eingreift, erfolgt, so dass sie bei aneinander gekoppelten Teilmassen 511, 512 die Masse 51 des Schwingungsmittels 58 bilden, während bei nicht angekoppelten Teilmassen 511, 512 nur eine der beiden Teilmassen 511, 512 die Masse 51 des Schwingungsmittels 58 bildet.
6 zeigt eine Gehäuseschwingung 100 eines Elektrowerkzeugs 1 sowie eine Gegenschwingung 103 einer Masse 51, die im Elektrowerkzeug 1 zur Kompensation der Gehäuseschwingung 100 vorgesehen ist.
Da eine Gehäuseschwingung 100 durch eine Vielzahl von Vibrationsquellen verursacht ist, z. B. durch den Schlag einer Schlagwerksbaugruppe 3, aus den Stoß- und Rückstoßvorgängen der Schlagkette, durch unausgeglichene Massenkräfte des Antriebes und weitere, verläuft die Gehäuseschwingung 100 nicht im Wesentlichen sinusförmig. Sondern die Gehäuseschwingung 100 setzt sich, wie 6 zeigt, aus einer Vielzahl von sinusförmigen Schwingungen verschiedener Amplituden, Phasenlagen und Frequenzen zusammen.
Durch eine im Wesentlichen sinusförmige Gegenschwingung 103 lässt sich daher die Gehäuseschwingung 100 nur teilweise kompensieren. Jedoch kann der effektiv nutzbare Frequenzbereich eines Schwingungsmittels 58 durch Änderung der Eigenfrequenz ω₀ des Schwingungsmittels 58 beziehungsweise die Genauigkeit, mit der die Gegenschwingung 103 der Gehäuseschwingung 100 entgegenwirkt durch Anpassung von Phasenlage φ, Amplitude 104 und/oder Frequenz 1/T der Gegenschwingung 103 optimiert werden, so dass eine effektivere und bessere Kompensation der Gehäuseschwingung 100 möglich ist.
Die 6 zeigt beispielhaft eine sinusförmige Gegenschwingung 103, die beispielsweise von einer an einer Feder 52 aufgehängten Masse 51 (s. 3) ausgeführt wird. Außerdem sind hier die Amplitude 104 der Gegenschwingung 103, ihre Frequenz 1/T durch ihre Periodendauer T sowie ihre Phasenlage φ relativ zur Gehäuseschwingung 100 dargestellt.
Die 7 zeigt Federkennlinien 111–115 von verschieden ausgeführten Federn 52, 521–524, die in dem Schwingungsmittel 58 des erfindungsgemäßen Elektrowerkzeugs 1 wahlweise verwendbar sind.
Auf der vertikalen Achse 106 ist der Betrag der Kraft [in N], mit der die Feder 52, 521–524 gedehnt ist, und auf der horizontalen Achse 105 die durch die Dehnung bewirkte Verlängerung [in mm] aufgetragen.
Die Federkennlinie 111 zeigt einen linearen Verlauf, die Federkennlinie 112 zeigt einen konstanten Verlauf, die Federkennlinie 113 zeigt einen unstetigen Anstieg, die Federkennlinie 114 zeigt einen degressiven und die Federkennlinie 115 zeigt einen progressiven Verlauf.
Ein unstetiger Anstieg 113 ist beispielsweise durch die in 2 gezeigte Parallelschaltung zweier Federn 521–524 erzielbar, oder durch entsprechende Blattfedern. Ein degressiver oder progressiver Verlauf 114, 115 ist beispielsweise durch eine entsprechende Wicklung der Federn 52, 521–524 erreichbar.
Bei dem Schwingungsmittel 58 sind die Amplitude 104, die Phasenlage φ und/oder die Frequenz 1/T der mit dem Schwingungsmittel 58 ausgeführten Gegenschwingung 103 veränderlich, so dass der effektive Frequenzbereich des Schwingungsmittels 58 vergrößert ist. Indem bei dem erfindungsgemäßen Elektrowerkzeug 1 eine Veränderung beziehungsweise Anpassung der zur Kompensation der Gehäuseschwingung 100 vorgesehenen Gegenschwingung des Schwingungsmittels 58 während des Betriebes des Elektrowerkzeugs 1 vorgesehen, und zwar indem sich die Amplitude 104, die Phasenlage φ und/oder die Frequenz 1/T der Gegenschwingung 103 des Schwingungsmittels 58 ändern, ist die Kompensation der Gehäuseschwingung 100 des Elektrowerkzeugs 1 sehr effektiv möglich.
Ferner ist die Gegenschwingung 103 des Schwingungsmittels 58 des erfindungsgemäßen Elektrowerkzeugs 1 auch aktiv dynamisch anpassbar, so dass sie sowohl in Abhängigkeit von dem augenblicklichen Betriebszustand des Elektrowerkzeugs 1, als auch unabhängig vom Betriebspunkt des Elektrowerkzeugs 1 veränderbar ist.

Claims

Elektrowerkzeug (1) mit einem Schwingungsmittel (58), das zur Ausübung einer Gegenschwingung (103) vorgesehen ist, die einer Gehäuseschwingung (100) des Elektrowerkzeugs (1) entgegen wirkt, dadurch gekennzeichnet, dass eine schwingungsrelevante Eigenschaft (ω₀, 51, k_F, 112–115, 106, 52) des Schwingungsmittels (58) während des Betriebes des Elektrowerkzeugs (1) so anpassbar ist, dass sich die Amplitude (104), die Phasenlage (φ) und/oder die Frequenz (1/T) der Gegenschwingung (103) bei Änderung der schwingungsrelevanten Eigenschaft (ω₀, 51, k_F, 112–115, 106, 52) verändert.
Elektrowerkzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrowerkzeug (1) Änderungsmittel (53, 531, 532, 54, 55, 56, 57, 90, 901, 902, 98, 99) aufweist, mit denen die Amplitude (104), die Phasenlage (φ) und/oder die Frequenz (1/T) der Gegenschwingung (103) während des Betriebes des Elektrowerkzeugs (1) veränderbar ist.
Elektrowerkzeug (1), insbesondere nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseschwingung (100) sowohl in Abhängigkeit von einem augenblicklichen Betriebszustand des Elektrowerkzeugs (1) als auch unabhängig von einem Betriebspunkt des Elektrowerkzeugs (1) kompensierbar ist.
Elektrowerkzeug (1), insbesondere nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungsmittel (58) eine Eigenfrequenz (ω₀) aufweist, die mittels Änderungsmitteln (53, 531, 532, 54, 55, 56, 57, 90, 901, 902, 98, 99) des Elektrowerkzeugs (1) veränderbar ist.
Elektrowerkzeug (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungsmittel (58) eine Masse (51, 511, 512) aufweist, die veränderbar ist.
Elektrowerkzeug (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse (51) zumindest zwei Teilmassen (511, 512) umfasst, die mittels der Änderungsmittel (53, 531, 532, 54, 55, 56, 57, 90, 901, 902, 98, 99) reversibel miteinander koppelbar sind.
Elektrowerkzeug (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungsmittel (58) eine Federkonstante (k_F) aufweist, die mittels der Änderungsmittel (53, 531, 532, 54, 55, 56, 57, 90, 901, 902, 98, 99) veränderbar ist.
Elektrowerkzeug (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungsmittel (58) eine Federkennlinie (112–115) aufweist, die nichtlinear ist.
Elektrowerkzeug (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse (51, 511, 512) an zumindest einer Feder (52, 521, 522) angeordnet ist.
Elektrowerkzeug (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungsmittel (58) mehrere Federn (52, 521–524) aufweist, die so miteinander verschaltet sind, dass die Federkennlinie (112–115) des Schwingungsmittels (58) nichtlinear ist.
Elektrowerkzeug (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungsmittel (58) die Feder (52, 521, 522) aufweist, an der die Masse (51) angeordnet ist, sowie zumindest eine zweite Feder (523, 524), die in Abhängigkeit von der Amplitude (104) der Gegenschwingung (103) mit der Feder (52, 521, 522) zusammenwirkt.
Elektrowerkzeug (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Änderungsmittel (53, 531, 532, 54, 55, 56, 57, 90, 901, 902, 98, 99) die Federvorspannung (106) des Schwingungsmittels (58) veränderbar ist.
Elektrowerkzeug (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (52, 521, 522) des Schwingungsmittels (58) an einem Lagerpunkt (90, 901, 902) gelagert ist, wobei mittels der Änderungsmittel (53, 531, 532, 54, 55, 56, 57, 90, 901, 902, 98, 99) der Lagerpunkt (90, 901, 902) der Feder (52, 521, 522) verschiebbar ist.
Elektrowerkzeug (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderungsmittel (53, 531, 532, 54, 55, 56, 57, 90, 901, 902, 98, 99) ein elektrisches Steuerungsmittel (54, 55) umfassen, das mit dem Schwingungsmittel (58), insbesondere mit der Masse (51, 511, 512) und/oder der Feder (52, 521, 522), zusammenwirkt.
Elektrowerkzeug (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Erfassungsmittel (61) zur Erfassung der Gehäuseschwingung (100) des Elektrowerkzeugs (1) und/oder weiterer vibrationsrelevanter Größen (E1) umfasst.
Verfahren zur Kompensation von Gehäuseschwingungen (100), insbesondere des Elektrowerkzeugs (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, mit einem Schwingungsmittel (58), das zur Ausübung einer gegen eine Gehäuseschwingung (100) des Elektrowerkzeugs (1) wirkenden Gegenschwingung (103) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude (104), die Phasenlage (φ) und/oder die Frequenz (1/T) der Gegenschwingung (103) während des Betriebes des Elektrowerkzeugs (1) verändert wird.