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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Elektrowerkzeug gemäß Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Elektrowerkzeugs gemäß Patentanspruch 10.
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Es ist bekannt, Elektrowerkzeuge, beispielsweise elektrische Schraubwerkzeuge, mit Getrieben mit mehreren Gängen auszustatten. Dies ermöglicht es einem Benutzer des Elektrowerkzeugs, den verwendeten Gang des Getriebes lastabhängig zu wählen.
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Es ist ferner bekannt, Elektrowerkzeuge mit automatischen Getrieben auszustatten, die selbstständig einen Gangwechsel vornehmen, sobald eine Kenngröße einen konstruktionsseitig festgelegten Schwellenwert überschreitet. Dies kann beispielsweise bei einer Überschreitung einer festgelegten Federkraft, einer Überschreitung eines festgelegten Stroms durch den Motor des Elektrowerkzeuges, einer Unterschreitung einer festgelegten Spannung am Motor des Elektrowerkzeuges oder einer Unterschreitung einer festgelegten Drehzahl der Fall sein. Ein derartiges Elektrowerkzeug ist beispielsweise aus der
US 2009/0242226 A1 bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Elektrowerkzeug bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch ein Elektrowerkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines Elektrowerkzeugs anzugeben. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein erfindungsgemäßes Elektrowerkzeug weist ein Getriebe mit einem ersten Gang und einem zweiten Gang auf. Dabei ist das Elektrowerkzeug ausgebildet, automatisch zwischen dem zweiten Gang und dem ersten Gang umzuschalten, wenn eine Kenngröße einen Schwellenwert erreicht. Der Schwellenwert ist dabei durch einen Benutzer des Elektrowerkzeugs festlegbar. Vorteilhafterweise kann der Benutzer bei diesem Elektrowerkzeug den Schaltpunkt des Getriebes durch Wahl eines geeigneten Schwellenwertes an seinen persönlichen und konkreten Anwendungsfall anpassen. Hierdurch verhält sich das Elektrowerkzeug den Erwartungen und Anforderungen des Benutzers entsprechend, wodurch ein Bedienkomfort für den Benutzer des Elektrowerkzeugs erhöht wird und ein Arbeitsfortschritt oder eine Effizienz gesteigert werden kann.
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In einer Ausführungsform des Elektrowerkzeugs ist der Schwellenwert durch den Benutzer aus einem festgelegten Wertebereich wählbar. Vorteilhafterweise ist dann sichergestellt, dass lediglich technisch sinnvolle und zulässige Schwellenwerte wählbar sind. Hierdurch wird sichergestellt, dass das Elektrowerkzeug lediglich in zulässigen Betriebsbereichen betreibbar ist.
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In einer Ausführungsform des Elektrowerkzeugs weist dieses einen Sensor zur Messung eines Werts der Kenngröße auf. Vorteilhafterweise kann das Elektrowerkzeug dann feststellen, wenn der Wert der Kenngröße den Schwellenwert erreicht.
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In einer Weiterbildung des Elektrowerkzeugs ist die Kenngröße durch den Benutzer festlegbar. Vorteilhafterweise wird hierdurch die Anpassbarkeit des Verhaltens des Elektrowerkzeugs durch den Benutzer weiter erhöht. Dadurch eignet sich das Elektrowerkzeug für eine Verwendung in zahlreichen unterschiedlichen Anwendungsfällen.
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In einer Ausführungsform des Elektrowerkzeugs ist die Kenngröße eine Federkraft, ein Motorstrom, eine Motorspannung, eine Motordrehzahl, eine Getriebestufenausgangsdrehzahl, eine Abtriebsspindeldrehzahl, ein Drehmoment, eine mechanische Abgabeleistung, eine elektrische Aufnahmeleistung oder eine Effizienz. Vorteilhafterweise eignen sich diese Kenngrößen zur Definition eines Schaltpunkts des Getriebes des Elektrowerkzeugs.
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In einer Ausführungsform des Elektrowerkzeugs ist das Getriebe ein Planetengetriebe oder ein Stirnradgetriebe. Vorteilhafterweise eignen sich diese Getriebe für eine automatische Umschaltung eines Gangs.
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In einer Ausführungsform des Elektrowerkzeugs weist der erste Gang eine größere Untersetzung oder eine kleinere Übersetzung auf als der zweite Gang. Vorteilhafterweise eignet sich der erste Gang dann für Arbeiten unter höherer Last, während der zweite Gang sich für schnelleres Arbeiten bei geringerer Last eignet.
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In einer Ausführungsform des Elektrowerkzeugs ist dieses ein Akkuschrauber. Vorteilhafterweise bewirkt eine automatische Gangumschaltung eines Getriebes in Abhängigkeit von einem durch einen Benutzer vorgebbaren Schwellenwert bei einem Akkuschrauber eine deutliche Erhöhung eines Benutzerkomforts und/oder eines Arbeitsfortschritts oder einer Effizienz.
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In einer Weiterbildung des Elektrowerkzeugs ist der Schwellenwert durch eine durch den Benutzer festlegbare Schraubengröße festlegbar. Vorteilhafterweise ist der Schwellenwert dann besonders einfach und intuitiv durch den Benutzer des Elektrowerkzeugs festlegbar.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Elektrowerkzeugs mit einem Getriebe mit einem ersten Gang und einem zweiten Gang wird automatisch zwischen dem zweiten Gang und dem ersten Gang umgeschaltet, wenn eine Kenngröße einen Schwellenwert erreicht. Dabei wird der Schwellenwert durch einen Benutzer des Elektrowerkzeugs festgelegt. Vorteilhafterweise gestattet dieses Verfahren dem Benutzer eine Anpassung des Verhaltens des Elektrowerkzeugs an seinen persönlichen und konkreten Anwendungsfall, wodurch ein Benutzungskomfort für den Benutzer des Elektrowerkzeugs und/oder ein Arbeitsfortschritt oder eine Effizienz erhöht wird.
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Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Elektrowerkzeugs;
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2 ein Diagramm charakteristischer Kennlinien eines Elektrowerkzeugs in einem ersten Gang;
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3 ein Diagramm charakteristischer Kennlinien eines Elektrowerkzeugs in einem zweiten Gang; und
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4 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Elektrowerkzeugs.
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1 zeigt ein stark schematisiertes Blockschaltbild eines Elektrowerkzeugs 300. Das Elektrowerkzeug 300 kann beispielsweise ein Schraubwerkzeug, etwa ein netzbetriebenes Schraubwerkzeug oder ein Akkuschrauber, sein.
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Das Elektrowerkzeug 300 weist einen Motor 320, ein Getriebe 330 und eine Arbeitsspindel 340 auf. Der Motor 320 ist bevorzugt ein Elektromotor, kann jedoch auch als Brennkraftmaschine ausgebildet sein. Eine Motorwelle des Motors 320 steht in Verbindung mit dem Getriebe 330. Das Getriebe 330 ist bevorzugt als Planetengetriebe oder als Stirnradgetriebe ausgebildet und kann mehrere Getriebestufen aufweisen. Das Getriebe 330 dient dazu, eine Drehung der Motorwelle des Motors 320 in eine Drehung der Arbeitsspindel 340 zu übertragen und dabei Drehzahl und Drehmoment im Sinne einer Übersetzung oder Untersetzung zu konvertieren. Hierzu weist das Getriebe 330 mindestens zwei unterschiedliche Gänge mit sich unterscheidenden Übersetzungs- oder Untersetzungsverhältnissen auf. Die Arbeitsspindel 340 kann auch als Abtriebsspindel bezeichnet werden und bildet den nach außen wirkenden Werkzeugteil des Elektrowerkzeugs 300. Falls es sich bei dem Elektrowerkzeug 300 um ein Schraubwerkzeug handelt, so wird die Arbeitsspindel 340 beispielsweise durch das Bohrfutter gebildet.
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Das Elektrowerkzeug 300 weist ferner eine Steuerschaltung 310 auf, die zur Steuerung des Motors 320 und des Getriebes 330 des Elektrowerkzeugs 300 vorgesehen ist. Die Steuerschaltung 310 ist hierzu mit dem Motor 320 und dem Getriebe 330 verbunden und beispielsweise dazu ausgebildet, den Motor 320 ein- und auszuschalten und einen Gang des Getriebes 330 zu wechseln. Die Steuerschaltung 310 kann beispielsweise einen Mikrocontroller umfassen.
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Das Elektrowerkzeug 300 weist eine Reihe von Sensoren auf, die dazu vorgesehen sind, Werte unterschiedlicher Kenngrößen des Elektrowerkzeugs 300 zu erfassen. Als Sensoren sind innerhalb dieser Patentschrift auch Messglieder für physikalische Größen zu verstehen. Ein Sensor 360 dient zur Bestimmung eines durch die Arbeitsspindel 340 geleisteten Drehmoments. Ein Sensor 361 dient zur Bestimmung einer Abtriebsspindeldrehzahl der Arbeitsspindel 340. Ein Sensor 362 dient zur Bestimmung einer durch den Motor 320 aufgenommenen Motorstromstärke. Ein Sensor 363 dient zur Bestimmung einer am Motor 320 anliegenden Motorspannung. Ein Sensor 364 dient zur Bestimmung einer Motordrehzahl der Motorwelle des Motors 320. Ein Sensor 365 dient zur Bestimmung einer Getriebestufenausgangsdrehzahl einer Getriebestufe des Getriebes 300. Es können auch mehrere Sensoren zur Bestimmung mehrerer Getriebestufenausgangsdrehzahlen unterschiedlicher Stufen des Getriebes 330 vorhanden sein. Einer oder mehrere der Sensoren 360, 361, 362, 363, 364, 365 können in vereinfachten Ausführungsformen des Elektrowerkzeugs 300 auch entfallen. Die vorhandenen Sensoren 360, 361, 362, 363, 364, 365 sind mit der Steuerschaltung 310 verbunden. Hierdurch ist die Steuerschaltung 310 in die Lage versetzt, durch die Sensoren 360, 361, 362, 363, 364, 365 ermittelte Werte der genannten Größen auszulesen und weiterzuverarbeiten.
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Das Elektrowerkzeug 300 weist ferner eine Benutzerschnittstelle 350 auf. Die Benutzerschnittstelle 350 kann beispielsweise einen Bildschirm oder eine andere Anzeigevorrichtung zur Ausgabe von Informationen an einen Benutzer des Elektrowerkzeugs 300 umfassen. Die Benutzerschnittstelle 350 kann außerdem ein oder mehrere Eingabeelemente umfassen, die es einem Benutzer des Elektrowerkzeugs ermöglichen, Einstellungen am Elektrowerkzeug 300 vorzunehmen oder zu verändern. Die Benutzerschnittstelle 350 kann beispielsweise als berührungsempfindlicher Bildschirm ausgebildet sein.
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Das Elektrowerkzeug 300 weist je nach dem aktivierten Gang des Getriebes 330 unterschiedliche Kennlinien auf. Die unterschiedlichen Gänge des Getriebes 330 des Elektrowerkzeugs 300 eignen sich für unterschiedliche Einsatzsituationen des Elektrowerkzeugs 300. Ist das Elektrowerkzeug 300 beispielsweise ein Akkuschrauber, so kann ein zweiter Gang des Getriebes 330, der eine kleinere Untersetzung oder eine größere Übersetzung als ein erster Gang des Getriebes 330 aufweist, zum Einschrauben leichtgängiger Schrauben mit hoher Geschwindigkeit dienen. Der erste Gang des Getriebes 330 kann dann zum Einschrauben schwergängiger Schrauben mit niedrigerer Geschwindigkeit dienen.
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Das Elektrowerkzeug 300 durchläuft bei jeder Anwendung typischerweise einen breiten Bereich eines von der Arbeitsspindel 340 geleisteten Drehmoments. Beispielsweise nimmt das zum Einschrauben einer Schraube notwendige Drehmoment während des Einschraubens der Schraube typischerweise zu. Um diese Variation des von der Arbeitsspindel 340 zu leistenden Drehmoments zu berücksichtigen, ist die Steuerschaltung 310 des Elektrowerkzeugs 300 ausgebildet, das Getriebe 330 automatisch umzuschalten, sobald eine festgelegte Kenngröße einen festgelegten Schwellenwert erreicht hat. Der Schwellenwert kann dabei durch einen Benutzer des Elektrowerkzeugs 300 über die Benutzerschnittstelle 350 festgelegt werden. In einer Ausführungsform des Elektrowerkzeugs 300 kann der Benutzer des Elektrowerkzeugs 300 auch die Kenngröße festlegen.
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2 zeigt in schematischer Darstellung anhand eines Graphen charakteristische Kennlinien des Elektrowerkzeugs 300 in einem ersten Gang 100 des Getriebes 330. Auf einer horizontalen Achse ist ein von der Arbeitsspindel 340 geleistetes Drehmoment 10 in Nm aufgetragen.
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Eine erste vertikale Achse gibt eine Abtriebsspindeldrehzahl 11 der Arbeitsspindel 340 in 1000 U/min an. Ein erster Verlauf 110 der Abtriebsspindeldrehzahl 11 gibt den vom Drehmoment 10 abhängigen Verlauf der Abtriebsspindeldrehzahl 11 bei Verwendung des ersten Gangs 100 an.
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Eine zweite vertikale Achse gibt einen in den Motor 320 hineinfließenden Motorstrom 12 in A an. Ein erster Verlauf 120 des Motorstroms 12 stellt dessen Abhängigkeit vom Drehmoment 10 dar.
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Auf einer dritten vertikalen Achse ist eine am Motor 320 anliegende Motorspannung 13 in V aufgetragen. Ein erster Verlauf 130 der Motorspannung 13 gibt deren Abhängigkeit vom Drehmoment 10 im ersten Gang 100 wieder.
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Auf einer vierten vertikalen Achse ist eine elektrische Aufnahmeleistung 14 des Motors 320 in W aufgetragen. Ein erster Verlauf 140 der elektrischen Aufnahmeleistung 14 gibt deren Abhängigkeit vom Drehmoment 10 an.
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Auf einer fünften vertikalen Achse ist eine mechanische Abgabeleistung 15 der Arbeitsspindel 340 in W aufgetragen. Die mechanische Abgabeleistung 15 kann aus der Abtriebsspindeldrehzahl 11 der Arbeitsspindel 340 und dem durch die Arbeitsspindel 340 geleisteten Drehmoment 10 berechnet werden. Ein erster Verlauf 150 der mechanischen Abgabeleistung 15 gibt deren Abhängigkeit vom Drehmoment 10 an.
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Auf einer sechsten vertikalen Achse ist eine Effizienz 16 in Prozent aufgetragen. Die Effizienz 16 kann als Quotient der mechanischen Abgabeleistung 15 und der elektrischen Aufnahmeleistung 14 berechnet werden. Ein erster Verlauf 160 der Effizienz 16 gibt deren Abhängigkeit vom Drehmoment 10 an.
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3 zeigt anhand eines Diagramms einen Verlauf charakteristischer Kennlinien des Elektrowerkzeugs 300 bei Wahl eines zweiten Gangs 200 des Getriebes 330. Die horizontale Achse und die vertikalen Achsen entsprechen denen der 2. Dargestellt sind ein zweiter Verlauf 210 der Abtriebsspindeldrehzahl 11 der Arbeitsspindel 340, ein zweiter Verlauf 220 des vom Motor 320 aufgenommenen Motorstroms 12, ein zweiter Verlauf 230 der am Motor 320 anliegenden Motorspannung 13, ein zweiter Verlauf 240 der vom Motor 320 aufgenommenen elektrischen Leistung 14, ein zweiter Verlauf 250 der durch die Arbeitsspindel 340 geleisteten mechanischen Abgabeleistung 15 und ein zweiter Verlauf 260 der Effizienz 16.
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Ein Vergleich des ersten Verlaufs 110 der Abtriebsspindeldrehzahl 11 im ersten Gang 100 und des zweiten Verlaufs 210 der Abtriebsspindeldrehzahl 11 im zweiten Gang 200 zeigt, dass im ersten Gang 100 ein wesentlich höheres Drehmoment 10 aufgebracht werden kann, bevor die Abtriebsspindeldrehzahl 11 der Arbeitsspindel 340 einbricht und eine Blockiersituation erreicht wird. Andererseits lassen sich im zweiten Gang 200 bei kleinem Drehmoment 10 wesentlich höhere Abtriebsspindeldrehzahlen 11 der Arbeitsspindel 340 erreichen. Entsprechende Abhängigkeiten bestehen auch bei den Werten des Motorstroms 12, der Motorspannung 13, der elektrischen Aufnahmeleistung 14, der mechanischen Abgabeleistung 15 und der Effizienz 16.
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Falls die Kenngröße, anhand der die Steuerschaltung 310 des Elektrowerkzeugs 300 einen Umschaltzeitpunkt für den Gang des Getriebes 330 wählt, beispielsweise ein von der Arbeitsspindel 340 des Elektrowerkzeugs 300 geleistetes Drehmoment 10 ist, so kann ein Benutzer des Elektrowerkzeugs 300 über die Benutzerschnittstelle 350 einstellen, dass die Umschaltung des Gangs des Getriebes 300 bei einem Drehmoment 10 von beispielsweise 6 Nm erfolgen soll.
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Wird das Elektrowerkzeug 300 zunächst im zweiten Gang 200 betrieben, so beträgt die Abtriebsspindeldrehzahl 11 bei Erreichen des Drehmoments 10 von 6 Nm ca. 230 U/min. Bei weiter steigender Last, also weiter steigendem Drehmoment 10, würde ohne Gangwechsel die Abtriebsspindeldrehzahl 11 der Arbeitsspindel 340 stark abfallen und bei einem Drehmoment 10 von 7,2 Nm bereits ein Blockieren der Arbeitsspindel 340 des Elektrowerkzeugs 300 auftreten. Schaltet die Steuerschaltung 310 des Elektrowerkzeugs 300 das Getriebe 330 am festgelegten Schaltpunkt jedoch vom zweiten Gang 200 in den ersten Gang 100 um, so ändert sich die Abtriebsspindeldrehzahl 11 der Arbeitsspindel 340 auf einen Wert von etwa 250 U/min, bleibt also annähernd unverändert. Das von der Arbeitsspindel 340 geleistete Drehmoment 10 kann jedoch im ersten Gang 100 weiter steigen, bis erst bei einem Wert von 27,5 Nm eine Blockiersituation auftritt. Die Steuerschaltung 310 erkennt das Erreichen des festgelegten Schwellenwerts von 6 Nm des von der Arbeitsspindel 340 abgegebenen Drehmoments 10 mittels des Sensors 360 zur Bestimmung des Drehmoments.
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Anstelle des Drehmoments 10 kann auch eine andere Kenngröße zur Festlegung des Umschaltzeitpunkts des Getriebes 330 gewählt werden. Beispielsweise können die Abtriebsspindeldrehzahl 11, der Motorstrom 12, die Motorspannung 13, die elektrische Aufnahmeleistung 14, die mechanische Abgabeleistung 15 oder die Effizienz 16 als Kenngröße dienen. Auch eine Motordrehzahl einer Motorwelle des Motors 320, eine Getriebestufenausgangsdrehzahl einer Getriebestufe des Getriebes 330 oder eine Federkraft können als Kenngröße dienen. In diesem Fall prüft die Steuerschaltung 310 mithilfe der Sensoren 360, 361, 362, 363, 364, 365, ob ein Wert dieser Kenngröße einen vom Benutzer des Elektrowerkzeugs 300 festgelegten Schwellenwert erreicht hat. Ist dies der Fall, so schaltet das Elektrowerkzeug 300 zwischen dem zweiten Gang 200 und dem ersten Gang 100 des Getriebes 330 um.
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Es ist auch möglich, dass der Benutzer des Elektrowerkzeugs 300 zusätzlich zum Schwellenwert auch die verwendete Kenngröße festlegt. Beispielsweise kann der Benutzer des Elektrowerkzeugs 300 die gewünschte Kenngröße mittels der Benutzerschnittstelle 350 aus einer Liste auswählen.
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Der Benutzer des Elektrowerkzeugs 300 kann den Schwellenwert der Kenngröße entweder vollkommen frei vorgeben oder aus einem festgelegten Wertebereich auswählen. Die Vorgabe eines festgelegten Wertebereichs, aus dem der Benutzer des Elektrowerkzeugs 300 den Schwellenwert auswählt, hat den Vorteil, dass verhindert wird, dass der Benutzer einen unzulässigen Schwellenwert angibt.
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Es ist möglich, den Benutzer des Elektrowerkzeugs 300 die Kenngröße und den Schwellenwert nicht direkt, sondern indirekt angeben zu lassen. Handelt es sich bei dem Elektrowerkzeug 300 beispielsweise um einen Akkuschrauber, so kann der Benutzer des Elektrowerkzeugs 300 über die Benutzerschnittstelle 350 eine Größe einer mit dem Akkuschrauber zu schraubenden Schraube angeben. Abhängig von der angegebenen Schraubengröße wählt die Steuerschaltung 310 dann einen geeigneten Schwellwert einer geeigneten Kenngröße, beispielsweise des Drehmoments 10.
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4 zeigt zusammenfassend in einem schematischen Ablaufdiagramm ein Verfahren 400 zum Betreiben des Elektrowerkzeugs 300. In einem optionalen ersten Verfahrensschritt 410 wählt ein Benutzer des Elektrowerkzeugs 300 eine Kenngröße aus. Alternativ ist die Kenngröße nicht durch den Benutzer des Elektrowerkzeugs 300 festlegbar, sondern konstruktionsseitig vorgegeben. In einem zweiten Verfahrensschritt 420 legt der Benutzer des Elektrowerkzeugs 300 einen Schwellenwert fest. In einem dritten Verfahrensschritt 430 prüft die Steuerschaltung 310 des Elektrowerkzeugs 300, ob ein Wert der Kenngröße den festgelegten Schwellenwert erreicht hat. Ist dies der Fall, so veranlasst die Steuerschaltung 310 des Elektrowerkzeugs 300 das Getriebe 330 des Elektrowerkzeugs 300 zu einem Gangwechsel.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2009/0242226 A1 [0003]
