-
Die Erfindung betrifft ein kraftgetriebenes Handwerkzeug, insbesondere Elektrowerkzeug, mit einem Antrieb zum Antrieb eines Werkzeugs, insbesondere zum oszillierenden Antrieb eines Werkzeugs, mit mindestens einem Sensor zur Erfassung von Vibrationsbewegungen in mindestens einer Richtung und mit einer Einrichtung zur Vibrationsdämpfung, die einen Aktor umfasst.
-
Ein derartiges Handwerkzeug ist aus der
EP 1 736 284 A1 bekannt. Hierbei ist eine Dämpfungseinrichtung zur aktiven Beeinflussung des Vibrationsverhaltens vorgesehen, die mindestens ein Dämpfungselement mit einem Sensor aufweist, der bei einer Verformung ein elektrisches Sensorsignal abgibt, das einer elektrischen Schaltung zugeführt ist, die ein davon abgeleitetes Steuersignal erzeugt, das einem Aktor mit einer bestimmten Phasenverschiebung zum Sensorsignal zugeführt ist.
-
Hierdurch sollen Vibrationen reduziert werden.
-
Allerdings hat sich gezeigt, dass die Wirksamkeit der Einrichtung zur Vibrationsdämpfung ziemlich begrenzt ist.
-
Aus der
EP 1 270 151 A1 ist ein Elektrohandwerkzeuggerät zur Erzeugung einer zumindest teilweise längs einer Schlagachse schlagenden Beanspruchung für ein Werkzeug mit einer aktiven Vibrationsdämpfung an einem Handgriff bekommt, wobei zwischen dem Handgriff und einer vibrierenden Schlagwerksbaugruppe zumindest eine elastische Feder zur Überbrückung zumindest eines elektromechanischen Aktors angeordnet ist. Ein aus Sensoren, Mikroprozessor und Aktoren bestehender Regelkreis ist bevorzugt für eine aktive Regelung über einen Bereich von 10 bis 100 Hz bzw. von 2 bis 400 Hz, bei Samplingzeiten kleiner 1 ms ausgebildet.
-
Zur Vibrationsreduzierung wird als Regelungsprinzip Feed-Forward, Feed-Back oder ein Mischprinzip verwendet.
-
Für die groben, bei einer Schlagbohrmaschine in einer Richtung auftretenden Stöße mit geringer Wiederholrate mag die verwendete Vibrationsdämpfung geeignet sein. Jedoch ist die verwendete Einrichtung zur Vibrationsdämpfung nicht besonders geeignet, um auch bei höheren Frequenzen, die mehrachsig auftreten können, eine wirkungsvolle Dämpfung zu erreichen.
-
Aus der
DE 10 2006 053 232 A1 ist ein aktiver Tilger bekannt, der mindestens zwei in unterschiedliche Bewegungsrichtungen wirkende Aktoren und eine Befestigungsvorrichtung aufweist, wobei die Aktoren einen ersten und einen zweiten Befestigungsabschnitt besitzen. Die Aktoren am ersten Befestigungsabschnitt sind über bewegliche Verbindungen mit der Befestigungsvorrichtung verbunden und am zweiten Befestigungsabschnitt miteinander gekoppelt. Der aktive Tilger ist auf die zu dämpfende Frequenz abgestimmt und sehr steif aufgebaut.
-
Der bekannte Tilger erfordert eine ziemlich große Tilgermasse und muss ziemlich genau auf die zu dämpfende Frequenz abgestimmt sein, was nachteilig für einen universellen Einsatz ist.
-
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein kraftgetriebenes Handwerkzeug anzugeben, das mit einer wirkungsvollen Einrichtung zur Vibrationsdämpfung versehen ist, wobei die Dämpfungswirkung über einen größeren Frequenzbereich, insbesondere auch für höherfrequente Vibrationen wirkungsvoll sein soll, wie sie insbesondere bei Oszillationswerkzeugen auftreten.
-
Diese Aufgabe wird bei einem kraftgetriebenen Handwerkzeug gemäß der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Einrichtung zur Vibrationsdämpfung als Inertialmassenerreger ausgebildet ist, der eine beweglich gelagerte Inertialmasse umfasst, die vom Aktor derart angetrieben ist, dass eine erste Eigenfrequenz des Inertialmassenerregers unterhalb einer zu dämpfenden Vibrationsfrequenz des Handwerkzeugs liegt.
-
Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise gelöst.
-
Da der Inertialmassenerreger oberhalb seiner ersten eigenen Frequenz genutzt wird, kann die Inertialmasse der Anregung nicht mehr folgen. Der Aktor stützt sich sozusagen an der Inertialmasse ab. Die vom Aktor aufgebrachten Kräfte können so in das Zielsystem zur Vibrationsdämpfung eingeleitet werden. Mit dem erfindungsgemäßen Prinzip kann eine sehr wirkungsvolle Vibrationsreduzierung erreicht werden, die über einen großen Frequenzbereich wirksam ist und auch zur Reduktion von höherfrequenten Vibrationen geeignet ist, etwa für Frequenzen oberhalb von 100 Hz, insbesondere im Bereich von etwa 180 bis 300 Hz. Vibrationsfrequenzen in diesem Bereich treten insbesondere bei Oszillationswerkzeugen auf.
-
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Inertialmassenerreger so ausgelegt, dass die erste Eigenfrequenz des Inertialmassenerregers im Bereich von etwa 5 bis 80 Prozent, vorzugsweise im Bereich von 10 bis 30 Prozent der zu dämpfenden Vibrationsfrequenz liegt.
-
Bei einer derartigen Abstimmung ergibt sich ein weitgehend linearer Zusammenhang zwischen der Rückstellkraft des Dämpfungssystems und der Frequenz. Dies ist besonders günstig für eine aktive Regelung des Aktors zur Minimierung von Vibrationen.
-
Der Aktor des Inertialmassenerregers wird bevorzugt so angesteuert, dass die an einem vorgegebenen Punkt des Elektrowerkzeugs auftretenden Vibrationen minimiert werden.
-
Hierzu kann der Sensor etwa in dem Bereich des Elektrowerkzeugs angeordnet sein, für den die Vibrationen minimiert werden sollen. Alternativ kann der Sensor jedoch auch an einer anderen Stelle des Handwerkzeugs angeordnet sein, bspw. auf einer Schaltungsplatine. Die notwendige Korrektur bei der Regelung kann durch geeignete Korrekturwerte erfolgen, die im Zuge einer Programmroutine abgearbeitet werden.
-
Zur Minimierung der Vibrationen des Handwerkzeugs an einem vorgegebenen Punkt können verschiedene Regelungsverfahren verwendet werden.
-
So kann etwa zur Regelung des Aktors eine Feed-Forward-Regelung verwendet werden. Hierbei werden bevorzugt die Regelparameter adaptiv dem Betriebszustand des Handwerkzeugs angepasst. Dies kann etwa durch einen FxLMS-Algorithmus (Filtered-X-Least-Mean-Squares) erreicht werden.
-
Des Weiteren kann zur Regelung des Aktors eine adaptive Feed-Back-Regelung, insbesondere eine adaptive Feed-Back-Regelung mit einem FbLMS-Algorithmus (Feedback-Least-Mean-Squares) verwendet werden.
-
Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung einer Feed-Back-Regelung. Hierbei wird das mittels des Sensors erhaltene Beschleunigungssignal am zu beruhigenden Maschinenpunkt zeitlich verschoben und verstärkt zur Ansteuerung des Inertialmassenerregers verwendet. Hierbei ist es günstig, die zeitliche Verzögerung adaptiv durch Detektion der Maschinendrehzahl anzupassen.
-
Mit jedem dieser Regelungsverfahren lässt sich eine wirkungsvolle Vibrationsdämpfung erzielen.
-
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Sensor zur Erfassung von Vibrationsbewegungen in mehr als einer Raumrichtung ausgebildet und der Aktor zum Antrieb der Inertialmasse in mehr als einer Raumrichtung ausgebildet. Hierbei sind bevorzugt verschiedenen Raumrichtungen verschiedene Sensoren und/oder Aktoren zugeordnet.
-
Auf diese Weise kann eine besonders wirkungsvolle Vibrationsdämpfung erreicht werden, insbesondere wenn Vibrationen in verschiedenen Raumrichtungen auftreten.
-
Als Aktoren und als Sensoren kommen alle elektromechanischen Wandler in Betracht, z. B. Piezoelemente, magneto- oder elektrorestriktive Elemente, antiferritische Elemente, Formänderungs-Memory-Elemente, Nanotube-Elemente oder elektromagnetische Elemente, wie etwa Tauchspulen.
-
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Aktor mit einer Wegübersetzungseinrichtung gekoppelt. Da viele Aktoren, insbesondere Piezo-Aktoren sehr steif sind und daher die erste Eigenfrequenz des Systems zu hoch für den gewünschten Frequenzbereich liegen kann, kann die Eigenfrequenz des Systems über eine geeignete Wegübersetzungseinrichtung gesenkt werden. Die Steifigkeit nimmt dabei quadratisch mit dem Faktor der Wegübersetzung ab und die Eigenfrequenz sinkt linear.
-
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Inertialmasse mittels Lagern, vorzugsweise linear beweglich, aufgenommen.
-
Durch eine solchermaßen gute Beweglichkeit der Inertialmasse lässt sich eine sehr feinfühlige Regelung und ein gutes Ansprechen der Inertialmasse auf unterschiedliche Frequenzen erreichen, die sich auch im Betrieb verändern können.
-
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Inertialmasse mittels einer Linearführung gelagert, vorzugsweise über stiftartige Elemente, die über Gleitlager mit der Inertialmasse gekoppelt sind.
-
Dies ermöglicht eine besonders einfache Anbindung der Inertialmasse, wenn eine Dämpfung nur in einer Raumrichtung erforderlich ist.
-
Gemäß einer alternativen Ausführung ist die Inertialmasse mittels mindestens eines Festkörpergelenks aufgenommen ist.
-
Auch auf diese Weise kann eine gute Beweglichkeit der Inertialmasse gewährleistet werden.
-
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Inertialmasse U-förmig ausgebildet.
-
Eine solchermaßen ausgebildete Inertialmasse ist besonders geeignet zur Dämpfung eines Oszillationswerkzeuges in einer Raumrichtung.
-
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Inertialmassenerreger zumindest ein Federelement, das an der Inertialmasse angreift.
-
Hierzu kann ein als separates Bauteil ausgebildetes Federelement vorgesehen sein. Alternativ kann auch der Aktor als Federelement genutzt werden, da jeder Aktor eine gewisse Rückstellkraft besitzt und somit als Federelement wirkt.
-
Wie vorstehend bereits erläutert, ist der erfindungsgemäße Inertialmassenerreger besonders zur Reduzierung von Vibrationsfrequenzen auch oberhalb von 100 Hz, vorzugsweise im Bereich von mehr als 100 Hz bis 1000 Hz, geeignet.
-
Der Sensor ist vorzugsweise als Beschleunigungssensor ausgebildet.
-
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine Drehzahlerfassung für den Antrieb vorgesehen, die bei der Regelung des Aktors berücksichtigt wird.
-
Dies kann insbesondere vorteilhaft bei der Verwendung einer Feed-Back-Regelung genutzt werden.
-
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung der Erfindung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
-
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
-
1 zeigt ein erfindungsgemäßes kraftgetriebenes Handwerkzeug in Form eines Oszillationswerkzeuges mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Vibrationsdämpfung in perspektivischer Ansicht;
-
2 das Oszillationswerkzeug gemäß 1 in vergrößerter Darstellung im Bereich des Getriebekopfes und eines daran aufgenommenen Inertialmassenerregers nach Abnahme des Gehäusedeckels;
-
3 einen Schnitt durch den Getriebekopf und den Inertialmassenerreger, wobei die Schnittebene durch die Antriebswelle verläuft;
-
4 einen Schnitt durch den Inertialmassenerreger in einer um 90° zum Schnitt gemäß 3 gedrehten Schnittebene, die mittig durch den Aktor verläuft;
-
5 die Abhängigkeit der Auslenkkraft des Inertialmassenerregers von der Frequenz in normierten Einheiten;
-
6 eine schematische Darstellung einer Inertialmasse, die mit drei Aktoren in verschiedenen Raumrichtungen gekoppelt ist, zwecks einer mehrachsigen Vibrationsdämpfung;
-
7 eine schematische Darstellung von drei Sensoren für die Raumrichtungen x, y, z, die mit einer Steuerung 20 gekoppelt sind, über die drei Aktoren für die Raumrichtungen x, y und z angesteuert werden, wobei zusätzlich ein Drehzahlsensor zur Erfassung der Drehzahl des Antriebs vorgesehen sein kann und
-
8 ein schematische Darstellung der Lagerung der Inertialmasse mit Hilfe zweier Festkörpergelenke.
-
In 1 ist ein erfindungsgemäßes handgetriebenes Handwerkzeug in Form eines Oszillationsantriebes perspektivisch dargestellt. Es handelt sich um einen grundsätzlich bekannten Oszillationsantrieb, dessen Antriebswelle 26 mit einer Frequenz von etwa 180 Hz bis 300 Hz, was 10.800 bis 18.000 Oszillationen pro Minute entspricht. An der Antriebswelle 26 ist ein Werkzeug 28 aufgenommen, das im vorliegenden Fall als Sägewerkzeug ausgebildet ist.
-
Das Handwerkzeug 10 ist nun erfindungsgemäß zusätzlich mit einem Inertialmassenerreger 30 versehen, der im Bereich eines Getriebekopfes 22 aufgenommen ist.
-
Das Handwerkzeug 10 weist ein längliches Gehäuse 12 auf, das mit einer Hand umgriffen werden kann und in dem ein Antrieb 14 in Form eines Universalmotors aufgenommen ist, der die Antriebswelle 26 über ein Oszillationsgetriebe antreibt, das im Getriebekopf 22 aufgenommen ist. Das Handwerkzeug 10 kann mittels eines Schalters 16 ein- und ausgeschaltet werden und weist an dem Getriebekopf 22 abgewandten Ende des Gehäuses 12 ein Stellrad 18 zur Einstellung der Oszillationsfrequenz auf.
-
In 1 ist ferner mit der Ziffer 20 schematisch eine Steuerung in Form einer Mikroprozessorsteuerung angedeutet. Ferner ist durch den Buchstaben S schematisch ein Sensor angedeutet. Auch ist eine Lüfteröffnung erkennbar, durch die die äußeren Enden von einigen Lüfterschaufeln eines Lüfterrades 15 sichtbar sind, das Teil des Antriebsmotors ist.
-
Der nähere Aufbau des Inertialmassenerregers 30 ist aus den 2 bis 4 zu ersehen.
-
In 2 zeigt das Handwerkzeug 10 im Bereich seines vorderen Endes mit dem Inertialmassenerreger 30, nach Abnahme eines Gehäusedeckels. Unmittelbar erkennbar ist eine Inertialmasse 32, die U-förmig ausgebildet ist. Die Inertialmasse 32 umgibt den Getriebekopf 22 und ist mittels stiftartiger Elemente 56 über Gleitlager 46 in y-Richtung beweglich aufgenommen, wie nachfolgend noch anhand von 3 und 4 näher erläutert wird.
-
3 zeigt einen Querschnitt durch den Getriebekopf 22 und den Inertialmassenerreger 30, wobei die Schnittebene durch die Antriebswelle 26 verläuft. Die Antriebswelle 26 ist am Gehäuse 12 am Getriebekopf 22 mittels eines Lagers 46 gelagert und wird vom Antrieb 14 über ein Oszillationsgetriebe 50 um ihre Längsachse oszillierend angetrieben. In 3 ist lediglich eine Schwinggabel 48 erkennbar, die drehfest mit der Antriebswelle 26 verbunden ist und die an ihrem außerhalb der Schnittebene befindlichen Ende über einen Exzenter hin- und heroszillierend angetrieben wird, wie grundsätzlich im Stand der Technik bekannt. Am äußeren Ende der Antriebswelle 26 ist ein Befestigungselement 44 zur Befestigung eines Werkzeugs dargestellt.
-
Die U-förmig ausgebildete Inertialmasse 32 umgibt das obere Ende des Getriebekopfes 22, d. h., dass dem Werkzeug 28 abgewandte Ende. Am Gehäuse 12 des Getriebekopfes 22 ist ein Gehäuseblock 36 für den Inertialmassenerreger 30 mit Hilfe von Schrauben 38 befestigt. Ein Aktor Ay zum Antrieb der Inertialmasse 32 ist zwischen dem mittleren Schenkel der U-förmigen Inertialmasse 32 und dem Gehäuseblock 36 mittels Schrauben 52, 53 aufgenommen. Wie aus 4 im Einzelnen ersichtlich, ist der länglich ausgebildete Aktor Ay mittels der Schrauben 52, 53 an einem Vorsprung 40 der Inertialmasse 32 und an dem Gehäuseblock 36 befestigt. Der Aktor Ay ist als Piezokeramik-Aktor ausgebildet und an seinen beiden Seiten über eine Wegübersetzung 54 mit den Schrauben 52 bzw. 53 verbunden. Da ein Piezokeramik-Aktor eine sehr hohe Steifheit aufweist, wird durch die Wegübersetzung 54 die Eigenfrequenz reduziert, so dass sich für das Gesamtsystem des Inertialmassenerregers 30 eine Eigenfrequenz von z. B. 40 Hz ergibt. Am Gehäuseblock 36 sind vier stiftartige Elemente 56 befestigt, die in Gleitlagern 58 der Inertialmasse 32 geführt sind. Die Inertialmasse 32 kann somit in y-Richtung mit geringem Widerstand bewegt werden. Der Aktor Ay wird gleichzeitig zum Antrieb der Inertialmasse 32 als auch als Federelement genutzt, dass die Rückstellkraft bei einer Auslenkung des Aktors Ay bewirkt.
-
In 2 sind die äußeren Enden der stiftartigen Elemente 56 erkennbar, die in den Gleitlagern 56 an der Inertialmasse 32 geführt sind.
-
5 zeigt die Auslenkkraft des Aktors Ay in Abhängigkeit von der Frequenz in normierten Einheiten für das Beispiel des beschriebenen Oszillationswerkzeuges. Mit der Ziffer 1 ist die Eigenfrequenz des Inertialmassenerregers 30 bezeichnet, im vorliegenden Fall 40 Hz. Mit der Ziffer 2 ist der bevorzugte Arbeitsbereich des Inertialmassenerregers 30 bezeichnet, d. h. der Bereich der zu dämpfenden Frequenzen. Dieser liegt zwischen den Skalenwerten 0,3 und 0,7, wobei 0,7 etwa 350 Hz entspricht, womit sich für den Wert bei 0,3 etwa 150 Hz ergeben.
-
Es versteht sich, dass die Auslegung des Systems durch eine geänderte Sensorcharakteristik und insbesondere eine geänderte Wegübersetzung in weiten Grenzen so angepasst werden kann, dass ein interessierender Frequenzbereich bedampft werden kann. In jedem Falle ist die erste Eigenfrequenz 1 des Inertialmassenerregers 30 kleiner als die zu dämpfende Vibrationsfrequenz und liegt bspw. in einem Bereich von 10 bis 30 Prozent der zu dämpfenden Vibrationsfrequenz.
-
Der Sensor S ist als Beschleunigungssensor ausgebildet und kann bspw. ein Piezosensor sein.
-
In Abhängigkeit von den vom Sensor S erfassten Beschleunigungswerten wird der Aktor Ay derart angesteuert, dass die an einem vorgegebenen Punkt des Handwerkzeugs 10 auftretenden Vibrationen minimiert werden. Der Sensor S muss sich hierzu nicht an dem Punkt befinden, an dem die Vibrationen minimiert werden sollen. Er kann sich z. B. innerhalb der Gehäusewandung 12 im Bereich der in 1 angegebenen Stelle befinden oder etwa auf einer Platine, auf der die Steuerung 20 aufgebaut ist. Entsprechende Korrekturen können bei bekannter Übertragungsfunktion im Algorithmus vorgesehen sein, über den die Regelung des Aktors Ay gesteuert wird.
-
Die Regelung des Aktors kann etwa mit Hilfe einer Feed-Forward-Regelung, mit einer adaptiven Feed-Back-Regelung oder mit einer Feed-Back-Regelung mit zeitlicher Verzögerung erfolgen. Wird bspw. eine Feed-Back-Regelung verwendet, so wird das vom Sensor S gemessene Beschleunigungssignal am zu beruhigenden Maschinenpunkt zeitlich verschoben und verstärkt zur Ansteuerung des Aktors Ay verwendet. Vorzugsweise wird hierbei auch die Maschinendrehzahl detektiert, wozu ein gesonderter Sensor 60 (vgl. 7) vorgesehen sein kann oder aus der Steuerung 20 die ohnehin bekannte Drehzahl genutzt werden kann. Auf diese Weise kann die zeitliche Verzögerung adaptiv mittels der detektierten Maschinendrehzahl angepasst werden. Die verwendeten Algorithmen sind grundsätzlich bekannt, und bedürften hier keiner näheren Erläuterung.
-
Während bei dem Handwerkzeug 10 gemäß 1 lediglich eine Vibrationsdämpfung in einer Richtung (y-Richtung) erfolgt, kann eine Vibrationsdämpfung selbstverständlich in mehreren Raumrichtungen durchgeführt werden. Grundsätzlich kann hierzu dieselbe Inertialmasse verwendet werden, wie in 6 mit 32 angedeutet. Die Inertialmasse 32 wird für jede Raumrichtung über einen Aktor Ax, Ay und Az angetrieben.
-
In 7 ist schematisch dargestellt, dass die Steuerung, über die die Aktoren Ax, Ay, Az gesteuert werden, vorzugsweise über separate Sensoren Sx, Sy, Sz für jede Raumrichtung angesteuert wird.
-
8 zeigt schematisch, dass die Inertialmasse 32 alternativ auch mit Hilfe von Festkörpergelenken 62, 64 anstatt mittels Lagern beweglich aufgenommen sein kann. Bei den Festkörpergelenken 62, 64 könnte es sich beispielsweise um Blattfedern handeln.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- EP 1736284 A1 [0002]
- EP 1270151 A1 [0005]
- DE 102006053232 A1 [0008]
