DE10204861B4

DE10204861B4 - Luftfederschlagwerk mit elektrodynamisch bewegtem Antriebskolben

Info

Publication number: DE10204861B4
Application number: DE10204861A
Authority: DE
Original assignee: Wacker Construction Equipment AG
Current assignee: Wacker Construction Equipment AG
Priority date: 2002-02-06
Filing date: 2002-02-06
Publication date: 2004-01-29
Anticipated expiration: 2022-02-07
Also published as: JP2005516783A; CN1301827C; CN1625458A; DE10204861A1; US20050076517A1; DE50300909D1; EP1472050B1; EP1472050A1; US7025183B2; WO2003066286A1; ES2243888T3

Abstract

Luftfederschlagwerk, mit
– einem Schlagwerksgehäuse,
– einem in dem Schlagwerksgehäuse hin- und herbewegbaren Antriebskolben (2; 20),
– einem Schlagkolben (3), und mit
– einer in einem Hohlraum (4) zwischen dem Antriebskolben (2, 20) und dem Schlagkolben (3) ausgebildeten Luftfeder (5; 21), über die die Bewegung des Antriebskolbens (2; 20) auf den Schlagkolben (3) übertragbar ist, wobei
der Antriebskolben (2; 20) durch einen elektrodynamischen Linearantrieb antreibbar und mit einem Läufer (9) des Linearantriebs verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Luftfederschlagwerk gemäß dem Patentanspruch 1.
Luftfederschlagwerke sind insbesondere zum Einsatz in Bohr- und/oder Schlaghämmern seit langem bekannt. Den verschiedenen Typen von Luftfederschlagwerken ist es gemeinsam, dass ein Antriebskolben z. B. über einen motorisch angetriebenen Kurbeltrieb axial hin- und herbewegt wird. Vor dem Antriebskolben ist koaxial ein Schlagkolben derart angeordnet, dass zwischen dem Antriebskolben und dem Schlagkolben zumindest zeitweise ein mit Hilfe des Schlagwerksgehäuses von der Umgebung abgeschlossener Hohlraum gebildet ist. Der innerhalb des Hohlraums eingeschlossene Luftvorrat dient bei Bewegung des Antriebskolbens als Luftfeder und überträgt die Bewegung des Antriebskolbens auf den Schlagkolben, so dass dieser zeitverzögert ebenfalls der Bewegung des Antriebskolbens folgt und gegen einen Werkzeugschaft oder einen zwischengeschalteten Döpper schlägt.

Luftfederschlagwerke werden üblicherweise in drei Gruppen eingeteilt. So sind sogenannte Rohrschlagwerke bekannt, bei denen Antriebskolben und Schlagkolben mit gleichem Durchmesser in ein Schlagwerksrohr bewegbar sind, wie z. B. in der DE 198 43 644 A1 beschrieben. Weiterhin gibt es sogenannte Hohlkolben-Schlagwerke, bei denen der Antriebskolben an seiner Stirnseite eine hohle Ausnehmung aufweist, in der der Schlagkolben bewegbar ist (siehe DE 198 28 426 A1 ). Die dritte Gruppe betrifft Hohlschläger-Schlagwerke, bei denen der Schlagkolben an seiner dem Antriebskolben zugewandten Stirnseite eine hohle Ausnehmung aufweist, in der der Antriebskolben bewegbar ist.

Die DE 198 28 426 A1 zeigt ein Beispiel für einen üblichen Antrieb des Antriebskolbens, bei dem ein Elektromotor eine Kurbelwelle drehend antreibt, deren Bewegung über ein Pleuel auf den Antriebskolben übertragen und in eine axiale Hin- und Herbewegung gewandelt wird.

Es war schon immer wünschenswert, den mechanisch relativ aufwendigen Antrieb des Antriebskolbens zu vereinfachen. Zu diesem Zweck wurde z. B. in der DE-PS 848 780 vorgeschlagen, den Schlagkolben mit Hilfe von elektromagnetischen Spulen anzutreiben und ihn gegen einen Werkzeugschaft zu beschleunigen. Ein derartiges Schlagwerk ist aber in der Praxis erheblichen thermischen Belastungen ausgesetzt, da der Schlagkolben nicht nur durch die beim Schlag frei werdende Schlagenergie erwärmt wird, sondern zusätzlich von Wirbelströmen durchflutet wird, was in vielen Fällen sogar zu einer dauerhaften Schädigung des Schlagkolbens geführt hat.

Aus der als nächstliegender Stand der Technik zu betrachtenden DE 100 25 371 A1 ist ein Handwerkzeuggerät mit elektromagnetischem Schlagwerk bekannt. Das Schlagwerk weist einen schwingenden Linearmotor mit mehreren Spulen auf, die auf ein beweglich gelagertes Joch einwirken, welches als Anker dient und – angetrieben durch die Spulen – auf ein Werkzeugende aufschlägt.

Aus der FR 540 425 ist ein Schlaghammer bekannt, bei dem ein Schlagkolben durch wechselseitig schaltbare Spulen hin und her bewegbar ist, so dass er jeweils gegen ein Werkzeugende aufschlagen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Luftfederschlagwerk anzugeben, bei dem der mechanische Antrieb des Antriebskolbens vereinfacht werden kann, ohne die Nachteile von elektromagnetischen Schlagwerken nach dem Stand der Technik in Kauf zu nehmen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Luftfederschlagwerk nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Ein erfindungsgemäßes Luftfederschlagwerk zeichnet sich dadurch aus, dass der Antriebskolben durch einen elektrodynamischen Linearantrieb bzw. elektrischen Linearmotor antreibbar und mit einem Läufer des Linearmotors vorzugsweise einstückig verbunden ist. Das bedeutet, dass nicht – wie beim Stand der Technik – der Schlagkolben selbst, sondern der den Schlagkolben über die Luftfeder antreibende Antriebskolben elektromagnetisch bewegt wird.

Dieser elektrodynamische Linearantrieb ermöglicht es zum einen, den üblichen Antriebsmotor sowie das Getriebe (Kurbeltrieb, Pleuel) weglassen zu können, was erhebliche Einsparungen von Gewicht, Bauraum und Kosten zur Folge hat.

Zum anderen ist das Bereitstellen eines Leerlaufwegs, wie bei bekannten Luftfederschlagwerken üblich, nicht erforderlich. Bei Luftfederschlagwerken nach dem Stand der Technik nämlich muss es möglich sein, dass der Schlagkolben sich beim Abheben des Werkzeugs vom zu bearbeitenden Gestein um einen gewissen Betrag vom Antriebskolben entfernen muss, um weitere Schläge zu vermeiden. Durch die Erfindung ist es hingegen möglich, die Bewegung des Antriebskolbens elektrisch derart zu steuern, dass bei Abheben des vom Luftfederschlagwerk beaufschlagten Werkzeugs vom zu bearbeitenden Gestein die Bewegung des Antriebskolbens sofort gestoppt wird.

Weiterhin ist es möglich, den Antriebskolben und den Schlagkolben funktions- und beanspruchungsgerecht zu bauen: Während der Schlagkolben ausschließlich unter stoßtheoretischen Gesichtspunkten, ohne Rücksicht auf elektromagnetische Einwirkungen gestaltet werden kann, kann bei dem Antriebskolben, der keinen Schlägen ausgesetzt ist, eine Optimierung hinsichtlich des i magnetischen Rückschlusses erreicht werden.

Im Einzelnen bedeutet das hinsichtlich des nicht-elektromagnetisch angetriebenen Schlagkolbens, dass eine Auslegung für eine hohe Anstoßgeschwindigkeit nach festigkeitsmäßigen Überlegungen bzw. der Härte erfolgen kann, während keine Rücksicht auf einen magnetischen Rückschluss, eine Wirbelstromfreiheit o. Ä. genommen werden muss. Weiterhin kann der Schlagkolben mit großer Länge ausgeführt werden, was für einen großen Energieinhalt des Stoßes bei größtmöglicher mechanischer Spannung sorgt. Da auf den magnetischen Rückschluss nicht zu achten ist, kann der Schlagkolben dünnschaftig ausgeführt werden, um eine optimale Energieübertragung auf das Werkzeug erreichen zu können. Schließlich ist es möglich, das Zusammenwirken zwischen dem Antriebskolben und dem Schlagkolben mit Hilfe einer sogenannten doppelten Luftfeder zu realisieren, wie sie z. B. in der DE 197 28 729 A1 beschrieben ist. Damit lässt sich besonders vorteilhaft ein konstanter Schlag und eine gleichmäßige Rückholung des Schlagkolbens unter sämtlichen Rückstoßbedingungen und in verschiedenen Höhenlagen realisieren.

Bei der Gestaltung des Antriebskolbens wiederum kann schon durch Wahl des Materials eine Auslegung unter Berücksichtigung eines optimalen magnetischen Rückschlusses bei minimaler thermischer Verlustleistung erreicht werden.

Erfindungsgemäß ist der Antriebskolben mit dem Läufer des Linearantriebs einstückig verbunden. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird der Antriebskolben im Wesentlichen vollständig durch den Läufer gebildet, so dass der Läufer gleichzeitig die Funktion des Antriebskolbens übernimmt.

Zur Reduzierung von Wirbelströmen und damit Optimierung der thermischen Verlustleistung ist es besonders vorteilhaft wenn der Läufer – und somit gegebenenfalls der Antriebskolben selbst – geblecht ist, d. h. aus übereinandergeschichteten Elektroblechen besteht. Die thermische Auslegung ist – wie bereits oben in Zusammenhang mit dem Stand der Technik erläutert – von erheblicher Bedeutung.

Vorteilhafterweise ist der Linearmotor ein geschalteter Reluktanzmotor und weist im Schlagwerksgehäuse im Bewegungsbereich des Läufers mehrere Antriebsspulen auf, die entsprechend der gewünschten Bewegung des Antriebskolbens geschaltet werden.

Es sei aber darauf hingewiesen, dass als Linearmotor in Zusammenhang mit der Erfindung auch ein elektrodynamischer Antrieb, z. B. in Form einer einzelnen elektromagnetischen Spule angesehen wird, die als Antriebsspule für den Antriebskolben dient. Die Rückbewegung des Antriebskolbens kann dann z. B. über eine Schraubenfeder o. Ä. erfolgen. Maßgeblich ist es, dass der Antriebskolben mit dem Läufer eng verbunden ist.

Vorteilhafterweise ist neben den Antriebsspulen eine Haltespule zum Halten des Läufers in einer Referenzposition bzw. in einer Leerlaufstellung vorgesehen. Die Haltespule dient nicht zum Antreiben des Antriebskolbens und kann somit eine geringere Leistung erbringen.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist eine Steuerung vorgesehen, die die Antriebsspulen und/oder die Haltespule entsprechend der gewünschten Schlagzahl, Schlagdauer und Schlagstärke sowie zur Umsetzung von gewünschten Bewegungsmustern (Hub des Antriebskolbens, Weg-Zeit-Verläufe etc.) erregt.

Um eine zuverlässige Ansteuerung der Antriebsspulen bzw. der Haltespule zu ermöglichen, ist es besonders zweckmäßig, wenn der Steuerung Informationen über die aktuelle Position des Antriebskolbens und ggf. des Schlagkolbens zugeführt werden. Für diesen Zweck kann eine Sensoreinrichtung vorgesehen werden, die die aktuelle Position des Antriebskolbens bzw. des Läufers, aber auch des Schlagkolbens im Schlagwerksgehäuse bestimmt.

Alternativ dazu ist es auch möglich, dass die Steuerung die Position des Antriebskolbens bzw. des mit ihm verbundenen Läufers aufgrund eines Stromverhaltens der Antriebsspulen und/oder der Haltespule bestimmt. In dem Moment nämlich, wenn ein von einer Spule beschleunigter Läufer die Spule passiert hat, wirkt er generatorisch und erzeugt in der Spule einen Strom, der in das die Spule erregende Stromnetz zurückwirkt. Diese Rückwirkung kann von der Steuerung erfasst und ausgewertet werden.

Das erfindungsgemäße Prinzip eines Linearmotors lässt sich auf alle Arten von Luftfederschlagwerken anwenden, somit also für Rohrschlagwerke, Hohlkolbenschlagwerke oder Schlagwerke mit hohlem Schlagkolben. Die Rückbewegung des Schlagkolbens kann zusätzlich durch eine sogenannte Rückholfeder unterstützt Eine Kombination der Rückholfeder mit dem erfindungsgemäßen Prinzip des mit dem Läufer gekoppelten Antriebskolbens wird ausdrücklich als Bestandteil der Erfindung angesehen.

Aufgrund des Wegfalls von konventionellen Antriebsprinzipien mit Motor und Kurbeltrieb ist es möglich, einen Bohr- und/oder Schlaghammer mit dem erfindungsgmäßen Luftfederschlagwerk zu bauen, dessen Außengehäuse im Wesentlichen zylindrisch ist. Damit lassen sich z. B. auch Erdbohr- bzw. Verdrängungsarbeiten einfach durchführen, da der Hammer vollständig in die Erde eindringen und einen längeren Kanal erzeugen kann ("Erdrakete").

Diese und weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nachfolgend anhand eines Beispiels unter Zuhilfenahme der begleitenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 in schematischer Darstellung ein erfindungsgemäßes Luftfederschlagwerk, als Rohrschlagwerk ausgeführt; und
2 in schematischer Darstellung ein anderes erfindungsgemäßes Luftfederschlagwerk, als doppelt wirkendes Hohlkolbenschlagwerk ausgeführt.
1 zeigt ein elektrodynamisches Rohrschlagwerk, mit einem zu einem Schlagwerksgehäuse gehörenden Schlagwerksrohr 1, einem in dem Schlagwerksrohr 1 axial hin- und herbeweglichen Antriebskolben 2 und einem ebenfalls im Schlagwerksrohr 1 axial hin- und herbeweglichen Schlagkolben 3. Der Antriebskolben 2 und der Schlagkolben 3 weisen im Wesentlichen den gleichen Durchmesser auf. Zwischen dem Antriebskolben 2 und dem Schlagkolben 3 ist ein Hohlraum 4 ausgebildet, der eine Luftfeder 5 aufnimmt. Die Führung des langgestreckten Schlagkolbens 3 wird zusätzlich durch eine in dem Schlagwerksgehäuse vorgesehene Führung 6 unterstützt.
Um das Schlagwerksrohr 1 herum sind drei Antriebsspulen 7 angeordnet, die durch eine nicht dargestellte Steuerung in der Weise nacheinander geschaltet werden, dass sie den Antriebskolben 2 beschleunigen und hin- und herbewegen.
Aufgrund der Luftfeder 5 wird die Bewegung des Antriebskolbens 2 auf den Schlagkolben 3 übertragen, der – in 1 nach links – gegen einen Döpper 8 getrieben wird und stoßartig seine Bewegungsenergie auf den Döpper 8 und einen danach angeordneten, nicht dargestellten Werkzeugschaft überträgt. Alternativ kann der Schlagkolben 3 auch direkt gegen den Werkzeugschaft schlagen.
Um einen optimalen magnetischen Fluss und damit eine hohe magnetische Wirksamkeit der Antriebsspulen 7 auf den Antriebskolben 2 zu erhalten, trägt der Antriebskolben 2 einen Läufer 9, der Bestandteil eines aus dem Läufer 9 und den Antriebsspulen 7 gebildeten Linearmotors ist. Der Läufer 9 ist – wie schematisch in 1 gezeigt – vorzugsweise geblecht ausgeführt, d. h. er besteht aus mehreren Schichten eines geeigneten Elektroblechs.
Der in 1 gezeigte Läufer 9 bildet somit fast vollständig auch den Antriebskolben 2.
In Schlagrichtung gesehen hinter den Antriebsspulen 7 ist eine Haltespule 10 angeordnet, die zum Halten des Läufers 9 und damit des Antriebskolbens 2 in einer Referenzposition dient. Diese Referenzposition kann gleichzeitig auch die Leerlaufstellung sein, in der der Antriebskolben 2 bei Unterbrechung der Arbeit gehalten wird. Da die Haltespule 10 lediglich Haltearbeit, nicht jedoch Beschleunigungsarbeit leisten muss, kann sie mit kleineren Dimensionen ausgeführt werden.
Zur Optimierung der Ansteuerung der Antriebsspulen 7 ist es darüber hinaus zweckmäßig, am oder im Schlagwerksrohr 1 einen oder mehrere Sensoren vorzusehen, die die exakte Position des Antriebskolbens 2 bzw. des Läufers 9 ermitteln. Sobald nämlich der Läufer 9 mit seiner Mitte über die Mitte einer entsprechenden Antriebsspule 7 hinausbewegt wird, wirkt er generatorisch, so dass Ströme in das die jeweilige Antriebsspule 7 speisende Netz zurückströmen. Ein gegebenenfalls unerwünschtes Abbremsen des Antriebskolbens 2 wäre die Folge, was durch Abschalten der betreffenden Antriebsspule 7 durch die Steuerung verhindert werden kann.
Alternativ dazu ist es auch möglich, das Stromverhalten der Antriebsspulen 7 auszuwerten, um die jeweilige Stellung des Antriebskolbens 2 und die daraus resultierenden Steuerungsmaßnahmen für die Antriebsspulen 7 zu ermitteln.
2 zeigt als zweite Ausführungsform der Erfindung ein doppelt wirkendes Hohlkolbenschlagwerk. Soweit gleiche oder ähnliche Bauteile wie in 1 verwendet werden, werden die gleichen Bezugszeichen eingesetzt.
Der Schlagkolben 3 ist – im Unterschied zu 1 – nicht, im Schlagwerksrohr 1 bewegbar, sondern in einer hohlen Ausnehmung eines als Hohlkolben ausgeführten Antriebskolbens 20. Der Antriebskolben 20 umschließt den Schlagkolben 3 derart, dass – in Schlagrichtung gesehen – hinter einem Kolbenkopf 3a des Schlagkolbens 3 ein Hohlraum mit einer ersten Luftfeder 21 und vor dem Kolbenkopf 3a eine zweite Luftfeder 22 ausgebildet ist. Ein Schaft 3b des Schlagkolbens 3 durchdringt die Stirnseite des Antriebskolbens 20 und erstreckt sich über eine größere Länge. Der Schaft 3b ist dazu ausgebildet, auf den Döpper 8 aufzuschlagen.
Die beiden Luftfedern 21 und 22 ermöglichen einen besonders zuverlässigen und konstanten Schlag sowie nach erfolgtem Schlag eine gleichmäßige Rückholung des Schlagkolbens 3 unter allen Rückstoßbedingungen und in verschiedenen Höhenlagen.
Der Antriebskolben 20 ist mit einem Läufer 23 einstückig verbunden, wobei der Läufer 23 in der bereits in Zusammenhang mit 1 beschriebenen Weise durch die Antriebsspulen 7 bewegt bzw. die Haltespule 10 gehalten wird.

Claims

Luftfederschlagwerk, mit – einem Schlagwerksgehäuse, – einem in dem Schlagwerksgehäuse hin- und herbewegbaren Antriebskolben (2; 20), – einem Schlagkolben (3), und mit – einer in einem Hohlraum (4) zwischen dem Antriebskolben (2, 20) und dem Schlagkolben (3) ausgebildeten Luftfeder (5; 21), über die die Bewegung des Antriebskolbens (2; 20) auf den Schlagkolben (3) übertragbar ist, wobei der Antriebskolben (2; 20) durch einen elektrodynamischen Linearantrieb antreibbar und mit einem Läufer (9) des Linearantriebs verbunden ist.
Luftfederschlagwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebskolben (2; 20) den Läufer (9) trägt oder im Wesentlichen vollständig durch den Läufer (9) gebildet wird.
Luftfederschlagwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (9) geblecht ist.
Luftfederschlagwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearantrieb ein geschalteter Reluktanzmotor ist.
Luftfederschlagwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schlagwerksgehäuse im Bewegungsbereich des Läufers (9) eine oder mehrere Antriebsspulen (7) des Linearantriebs angeordnet ist/sind.
Luftfederschlagwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass neben den Antriebsspulen (7) eine Haltespule (10) zum Halten des Läufers (9) in einer Referenzposition vorgesehen ist.
Luftfederschlagwerk nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsspulen (7) und/oder die Haltespule (10) durch eine Steuerung wenigstens hinsichtlich der Dauer und der Stärke ihrer elektrischen Erregung sowie zur Einstellung eines Leerlaufbetriebs ansteuerbar sind.
Luftfederschlagwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensoreinrichtung zum Bestimmen einer Position des Läufers (9), des Antriebskolbens (2; 20) und/oder des Schlagkolbens (3) vargesehen ist.
Luftfederschlagwerk nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Steuerung aufgrund eines Stromverhaltens der Antriebsspulen (7) und/oder der Haltespule (10) eine Position des Läufers (9) bestimmbar ist.
Luftfederschlagwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlagkolben (3) und der Antriebskolben (2) im Wesentlichen den gleichen Durchmesser aufweisen und in einem zu dem Schlagwerksgehäuse gehörenden Schlagwerksrohr (1) bewegbar sind.
Luftfederschlagwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebskolben (20) eine hohle Ausnehmung aufweist, in der der Schlagkolben (3) bewegbar ist.
Luftfederschlagwerk nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebskolben (20) den Schlagkolben (3), in Schlagrichtung gesehen, vor und hinter dem Schlagkolben (3) derart umschließt, dass die Luftfeder (21) hinter dem Schlagkolben (3) angeordnet ist, und dass vor dem Schlagkolben (3) eine zweite Luftfeder (22) zwischen Antriebskolben (20) und Schlagkolben (3) ausbildbar ist.
Luftfederschlagwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlagkolben an einer Stirnseite eine hohle Ausnehmung aufweist, in der der Antriebskolben bewegbar ist, wobei der mit dem Antriebskolben verbundene Läufer außerhalb des Schlagkolbens, im Schlagwerksgehäuse bewegbar ist.