-
Die Erfindung geht aus von einem
Luftpolsterschlagwerk nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Bei herkömmlichen elektro-pneumatischen Bohr-
oder Meißelhämmern wird
die Schlagenergie durch ein so genanntes Luftpolsterschlagwerk erzeugt.
Das Luftpolsterschlagwerk besteht im Wesentlichen aus einem zylindrischen
Rohr, einem in dem Rohr axial beweglichen Antriebskolben sowie einem ebenfalls
in dem Rohr axial beweglichen Schlagkörper ("Schläger"), wobei in dem Rohr
zwischen dem Antriebskolben und dem Schlagkörper ein Luftpolster eingeschlossen
ist, das die Schlagenergie von dem Antriebskolben auf den Schlagkörper überträgt und den
Schlagkörper
mechanisch von dem Antriebskolben entkoppelt.
-
Der Antriebskolben wird hierbei über eine Pleuelstange
von einer Kurbelwelle angetrieben, die von einem Elektromotor gedreht
wird, so dass der Antriebskolben in dem Rohr eine axial oszillierende Bewegung
ausführt.
-
Die Abdichtung des Luftpolsters zwischen dem
Schlagkörper
und dem Antriebskolben ist hierbei nicht absolut leckagefrei möglich, so
dass zum Ausgleich der Leckageverluste und zur Aufrechterhaltung
der Schlagwerksfunktion eine Be- und Entlüftung des Luftpolsters erforderlich
ist. Hierzu sind in der Wandung des Rohrs im Bereich des Luftpolsters Ausgleichsbohrungen
angeordnet, die in Abhängigkeit
von der axialen Stellung des Schlagkörpers und des Antriebskolbens
freigegeben oder verschlossen werden und dadurch eine Be- und Entlüftung des Luftpolsters
ermöglichen.
Bei den bekannten Luftpolsterschlagwerken wird die Be- und Entlüftung des Luftpolsters
also durch den Schlagkörper
und u.U. auch durch den Antriebskolben gesteuert.
-
Die Erfindung sieht demgegenüber ein
Luftpolsterschlagwerk vor, bei dem zur Be- oder Entlüftung des
Luftpolsters ein Steuerventil vorgesehen ist, wobei die Ventilstellung
des Steuerventils von der axialen Stellung des Schlagkörpers unabhängig ist. Stattdessen
ist die Ventilstellung vorzugsweise von der axialen Stellung des
Antriebskolbens abhängig.
-
Die in dem Luftpolster enthaltene
Luftmenge kann deshalb auch bei veränderten Betriebsbedingungen
durch unterschiedliche Werkzeuge, verschiedene Werkstücke oder
veränderte
Schlagfrequenzen bedarfsgerecht gesteuert werden.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist der Antriebskolben mindestens eine axial durchgehende
Lüftungsbohrung
zur Belüftung und/oder
Entlüftung
des Luftpolsters auf, wobei das Steuerventil einen in dem Antriebskolben
angeordneten Drehschieber aufweist, der die Lüftungsbohrung in Abhängigkeit
von seiner Drehstellung freigibt oder verschließt. Hierbei erfolgt die Be-
oder Entlüftung des
zwischen dem Antriebskolben und dem Schlagkörper eingeschlossenen Luftpolsters
also in axialer Richtung durch den Antriebskolben hindurch, wozu die
axial durchgehende Lüftungsbohrung
dient. Das Steuerventil für
die Be- oder Entlüftung
besteht hierbei im Wesentlichen aus einem Drehschieber, der in dem
Antriebskolben angeordnet ist und die Lüftungsbohrung in Abhängigkeit
von seiner Drehstellung freigibt oder verschließt.
-
Vorzugsweise ist der Antriebskolben über eine
Pleuelstange mit einer drehbaren Kurbelwelle verbunden, wobei der
Drehschieber des Steuerventils um eine zur Kurbelwelle parallele
Drehachse drehbar und verdrehsicher mit der Pleuelstange verbunden
ist. Die verdrehsichere Verbindung der Pleuelstange mit dem Drehschieber
des Steuerventils bewirkt hierbei, dass der Drehschieber durch die
Pleuelstange gedreht wird, so dass die Ventilstellung des Steuerventils
von der Kurbelwellenstellung abhängig ist.
Vorzugsweise wird die verdrehsichere Verbindung der Pleuelstange
mit dem Drehschieber durch eine formschlüssige Verbindung erreicht.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Pleuelstange über einen Kolbenbolzen in einem
Kolbenauge des Antriebskolbens gelagert, wobei der Kolbenbolzen
den Drehschieber des Steuerventils bildet. Der Kolbenbolzen hat
hierbei also zwei technische Funktionen, nämlich zum einen die mechanische
Lagerung der Pleuelstange in dem Kolbenauge des Antriebskolbens
und zum anderen die Steuerung der Be- und Entlüftung des Luftpolsters, indem
der Kolbenbolzen den Drehschieber des Steuerventils bildet. Im Betrieb
des erfindungsgemäßen Luftpolsterschlagwerks
wird also der Kolbenbolzen von der Pleuelstange gedreht, wobei der
Kolbenbolzen als Drehschieber wirkt und die Lüftungsbohrung in dem Antriebskolben
in Abhängigkeit
von seiner Drehstellung freigibt oder verschließt.
-
Zur Erfüllung seiner Funktion als Drehschieber
ist in dem Kolbenbolzen vorzugsweise eine radial durchgehende Ventilbohrung
angeordnet, die in bestimmten Drehstellungen des Kolbenbolzens einen Bestandteil
der Lüftungsbohrung
in dem Antriebskolben bildet und dadurch eine Be- oder Entlüftung des Luftpolsters
ermöglicht.
-
Vorzugsweise ist zur Abdichtung des
Kolbenbolzens mindestens eine Dichtung vorgesehen, wobei die Dichtung
den Kolbenbolzen vorteilhaft ringförmig umgibt. Vorzugsweise sind
jedoch zwei Dichtungen zur Abdichtung des Kolbenbolzens vorgesehen,
die jeweils seitlich neben der radial verlaufenden Ventilbohrung
in dem Kolbenbolzen angeordnet sind.
-
Ferner weist der Drehschieber bzw.
der Antriebskolben vorzugsweise Langlöcher auf, die sich parallel
zur Drehachse des Drehschiebers über
eine vorgegebene Länge
erstrecken, wobei die Länge
der Langlöcher
größer als
die Erstreckung in Umfangsrichtung ist. Auf diese Weise wird auch
bei kleinen Drehbewegungen des Drehschiebers ein ausreichender Lüftungsquerschnitt
erreicht.
-
In einer vorteilhaften Variante der
Erfindung sind in dem Antriebskolben zwei axial durchgehende Lüftungsbohrungen
angeordnet sind, wobei der Drehschieber die beiden Lüftungsbohrungen
in Abhängigkeit
von seiner Drehstellung freigibt oder verschließt.
-
Hierbei können die beiden Lüftungsbohrungen
in Abhängigkeit
von der Drehstellung des Drehschiebers in gleichem Maße freigegeben
oder verschlossen werden, so dass durch die zusätzliche Lüftungsbohrung lediglich der
effektive Lüftungsquerschnitt
vergrößert wird.
Hierbei ist die Abhängigkeit des
von dem Steuerventil freigegebenen Lüftungsquerschnitts von der
Stellung des Antriebskolbens bzw. dem Kurbelwellenwinkel also bei
den beiden Lüftungsbohrungen
phasengleich, so dass beide Lüftungsbohrungen
gleichzeitig geöffnet
bzw. geschlossen werden.
-
Es ist jedoch alternativ auch möglich, dass die
beiden Lüftungsbohrungen
in Abhängigkeit
von der Drehstellung des Drehschiebers in unterschiedlichem Maße freigegeben
oder verschlossen werden, so dass durch die zusätzliche Lüftungsbohrung eine Änderung
des Belüftungsverhaltens
erfolgt. Hierbei ist die Abhängigkeit
des von dem Steuerventil freigegebenen Lüftungsquerschnitts von der
Stellung des Antriebskolbens bzw. dem Kurbelwellenwinkel also bei
den beiden Lüftungsbohrungen
phasenverschoben, so dass beide Lüftungsbohrungen zeitversetzt geöffnet bzw.
geschlossen werden. Diese zeitversetzte Steuerung führt zu einem
weicheren Ansprechverhalten beim Öffnen und Schließen der
Be- bzw. Entlüftung.
-
So wird beim Öffnen des Steuerventils zunächst nur
eine der beiden Lüftungsbohrungen
geöffnet,
während
die andere Lüftungsbohrung
zunächst noch
geschlossen ist. Nach einer vorgegebenen Verzögerungszeit und einer entsprechend
veränderten Stellung
des Antriebskolbens bzw. der Kurbelwelle wird dann auch die zweite
Lüftungsbohrung
geöffnet, so
dass der effektive Lüftungsquerschnitt
seinen Maximalwert annimmt.
-
Beim Schließen des Steuerventils wird
entsprechend zunächst
nur eine der beiden Lüftungsbohrungen
geschlossen, während
die andere Lüftungsbohrung
zunächst
geöffnet
bleibt. Nach einer vorgegebenen Verzögerungszeit und einer entsprechend
veränderten
Stellung des Antriebskolbens bzw. der Kurbelwelle wird dann auch
die zweite Lüftungsbohrung
geschlossen, so dass der effektive Lüftungsquerschnitt Null ist.
-
Durch dieses stufenweise Öffnen bzw. Schließen des
Steuerventils und das damit verbundene weichere Ansprechverhalten
werden Druckstöße und Resonanzeffekte
in dem Luftpolster weitgehend verhindert.
-
Das Steuerventil ist vorzugsweise
in einer Kompressionsphase des Antriebskolbens mindestens zeitweise
geschlossen und in einer Dekompressionsphase des Antriebskolbens
mindestens zeitweise geöffnet.
-
Beispielsweise ist das Steuerventil
während der
Dekompressionsphase des Antriebskolbens ab einem Kurbelwellenwinkel
geöffnet,
der zwischen 0° und
30° nach
dem oberen Totpunkt des Antriebskolbens liegt, wobei sich ein Wert
von 10° als
besonders vorteilhaft erwiesen hat.
-
Das Steuerventil ist dagegen während der Dekompressionsphase
des Antriebskolbens vorzugsweise ab einem Kurbelwellenwinkel geschlossen,
der zwischen 30° und
0° vor dem
unteren Totpunkt des Antriebskolbens liegt, wobei sich ein Wert von
10° als
besonders vorteilhaft erwiesen hat.
-
Während
der Kompressionsphase des Antriebskolbens ist das Steuerventil dagegen
vorzugsweise permanent geschlossen, damit der Antriebskolben seine
Schlagenergie über
das Luftpolster auf den Schlagkörper übertragen
kann.
-
Vorzugsweise sind sowohl der Antriebskolben
als auch der Schlagkörper
axial verschiebbar in einem stationären Rohr angeordnet, so dass
das Luftpolster in dem Rohr zwischen dem Schlagkörper und dem Antriebskolben
eingeschlossen ist.
-
Es ist jedoch alternativ auch möglich, dass der
Antriebskolben als so genannter Topfkolben ausgebildet ist, in dem
der Schlagkörper
axial verschiebbar ist. Ein derartiger Topfkolben besteht aus einem einseitig
geschlossenen Rohr, in dem der Schlagkörper axial verschiebbar angeordnet
ist. Bei einer axialen Relativbewegung zwischen dem Topfkolben und dern
Schlagkörper
wird also das Luftpolster in dem Topfkolben komprimiert bzw. dekomprimiert.
-
Darüber hinaus umfasst die Erfindung
auch eine Werkzeugmaschine, insbesondere einen Bohrhammer oder einen
Meißelhammer,
mit einem erfindungsgemäßen Luftpolsterschlagwerk.
-
Schließlich umfasst die Erfindung
auch einen erfindungsgemäß ausgestalteten
Antriebskolben für ein
Luftpolsterschlagwerk der vorstehend beschriebenen Art.
-
Weitere Vorteile ergeben sich aus
der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind zwei
Ausführungsbeispiele
der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die
Ansprüche enthalten
zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale
zweckmäßigerweise auch
einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
-
Es zeigen:
-
1a eine
Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Antriebskolbens für ein Luftpolsterschlagwerk,
-
1b eine
Schnittansicht einer Kurbelwelle zum Antrieb des Antriebskolbens,
-
1c eine
Seitenschnittansicht des Antriebskolbens entlang der Linie A-A in 1a,
-
1d eine
andere Seitenschnittansicht entlang der Linie C-C in 1a,
-
2a die
Schnittansicht aus den 1a und 1b bei einer anderen Kolbenstellung,
-
2b eine
Schnittansicht entlang der Linie A-A in 2a,
-
2c die
Schnittansicht entlang der Linie C-C in 2a,
-
3a die
Schnittansicht aus 1a bei
einem anderen Ausführungsbeispiel
eines Antriebskolbens,
-
3b eine
Schnittansicht einer Kurbelwelle zum Antrieb des Antriebskolbens
aus 3a,
-
3c eine
Seitenschnittansicht entlang der Linie A-A in 3a sowie
-
3d eine
andere Seitenschnittansicht entlang der Linie C-C in 3a.
-
Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
-
Die Schnittansichten in den 1a, 1c und 1d sowie 2b–2c zeigen einen Antriebskolben 10,
der in einem Luftpolsterschlagwerk eines Bohrhammers verwendet wird
und dort in einem Rohr axial verschiebbar ist, um einen Schlagkörper anzutreiben, der
ebenfalls axial verschiebbar in dem Rohr angeordnet ist.
-
Der Antriebskolben 10 wird über eine
Pleuelstange 12 und eine Exzenterscheibe 14 von
einer Kurbelwelle 16 angetrieben, die von einem Elektromotor
gedreht wird, wobei der Elektromotor zur Vereinfachung nicht dargestellt
ist. Das kolbenseitige Ende der Pleuelstange 12 ist hierbei
durch einen Kolbenbolzen 18 in einem Kolbenauge des Antriebskolbens 10 gelagert.
Bei einer Drehung der Kurbelwelle 16 führt der Antriebskolben 10 also
eine axial oszillierende Bewegung in dem Rohr des Bohrhammers aus.
-
Hierbei wirkt der Antriebskolben 10 auf
ein Luftpolster, das in dem Rohr zwischen dem Antriebskolben 10 und
dem Schlagkör per
eingeschlossen ist. Das Luftpolster wird deshalb abwechselnd komprimiert
und dekomprimiert, wodurch die Bewegungsenergie des Antriebskolbens 10 mechanisch
entkoppelt auf den Schlagkörper übertragen
wird, der somit ebenfalls eine axial oszillierende Bewegung in dem Rohr
ausführt
und dabei Schläge
auf den Werkzeugschaft abgibt.
-
Die Abdichtung des Luftpolsters zwischen dem
Schlagkörper
und dem Antriebskolben 10 ist jedoch nicht absolut leckagefrei
möglich,
so dass zum Ausgleich der Leckageverluste und zur Aufrechterhaltung
der Schlagwerksfunktion eine Be- und Entlüftung des Luftpolsters erforderlich
ist.
-
Hierzu ist in dem Antriebskolben 10 eine
axial durchgehende Lüftungsbohrung 20 angeordnet, durch
die Luft aus dem Luftpolster entweichen oder in das Luftpolster
eindringen kann. Die Lüftungsbohrung 20 geht
von den beiden Stirnseiten des Antriebskolbens 10 aus und
mündet
innen in das Kolbenauge, in dem der Kolbenbolzen 18 drehbar
gelagert ist.
-
Die Be- und Entlüftung des Luftpolsters wird hierbei
durch ein Steuerventil gesteuert, das im Wesentlichen durch den
Kolbenbolzen 18 gebildet wird und die Lüftungsbohrung 20 in
Abhängigkeit
von seiner Drehstellung freigibt oder versperrt. So weist der Kolbenbolzen 18 eine
bezüglich
seiner Drehachse radial durchgehende Ventilbohrung 22 auf,
wobei die Ventilbohrung 22 in der in 1c gezeigten Drehstellung des Kolbenbolzens 18 beidseitig
in die Lüftungsbohrung 20 mündet und
diese dadurch freigibt. In der in 2b gezeigten
Drehstellung des Kolbenbolzens 18 wird die Lüftungsbohrung 20 dagegen
durch die Mantelfläche
des Kolbenbolzens 18 ver schlossen, so dass keine Be- oder
Entlüftung
des Luftpolsters möglich
ist.
-
Zur Abdichtung der Kontaktstelle
zwischen der Mantelfläche
des Kolbenbolzens 18 mit den darin befindlichen Mündungsöffnungen
der Ventilbohrung 22 und der Innenfläche des Kolbenauges mit den
darin befindlichen Mündungsöffnungen
der Lüftungsbohrung 20 sind
zwei Dichtringe 24.1, 24.2 vorgesehen, die den
Kolbenbolzen 18 ringförmig
umgeben und beiderseits der Ventilbohrung 22 angeordnet sind.
-
Die Drehung des Kolbenbolzens 18 in
die gewünschte
Stellung erfolgt hierbei durch die Pleuelstange 12 und
damit in Abhängigkeit
von der Winkelstellung der Kurbelwelle 16. Hierzu ist das
kolbenseitige Ende der Pleuelstange 12 drehfest mit dem
Kolbenbolzen 18 verbunden, so dass sich der Kolbenbolzen 18 mit
der Pleuelstange 12 dreht. Die verdrehsichere Verbindung
zwischen der Pleuelstange 12 und dem Kolbenbolzen 18 wird
dadurch erreicht, dass das kolbenseitige Ende der Pleuelstange 12 eine
sechseckige Aufnahme aufweist, wie aus 1d ersichtlich ist. Der Kolbenbolzen 18 weist
im Bereich der sechseckigen Aufnahme eine entsprechend angepasste
sechseckige Außenform
auf, so dass der Kolbenbolzen 18 formschlüssig mit
der Pleuelstange 12 verbunden ist.
-
Die 1a bis 1d zeigen den Antriebskolben 10 während der
Dekompressionsphase bei einem Kurbelwellenwinkel α1 =
90°, wobei
sich die Kurbelwelle 16 mit der Exzenterscheibe 14 entgegen
dem Uhrzeigersinn dreht. Aus 1c ist
ersichtlich, dass die Ventilbohrung 22 die Lüftungsbohrung 20 während der
Dekompressionsphase ab einem Kurbelwellenwinkel αAUF =
10° öff net und
ab einem Kurbelwellenwinkel von αZU = 170° wieder
schließt.
-
Die 2a bis 2c zeigen den Antriebskolben 10 dagegen
während
der Kompressionsphase bei einem Kurbelwellenwinkel α2 =
270°, wobei
sich die Kurbelwelle 16 mit der Exzenterscheibe 14 ebenfalls entgegen
dem Uhrzeigersinn dreht. Aus 2b ist ersichtlich,
dass der Kolbenbolzen 18 die Lüftungsbohrung 20 während der
gesamten Kompressionsphase schließt, so dass während der
Kompressionsphase keine Be- oder
Entlüftung
des Luftpolsters möglich
ist. Dies ist sinnvoll, damit der Antriebskolben 10 seine
Bewegungsenergie über
das Luftpolster auf den Schlagkörper übertragen
kann.
-
Das in den 3a bis 3d dargestellte
Ausführungsbeispiel
stimmt weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel überein, so
dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung
verwiesen wird und im Folgenden für funktionsgleiche Bauteile
dieselben Bezugszeichen verwendet werden, die zur Unterscheidung
lediglich durch ein Apostroph gekennzeichnet sind.
-
Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels
besteht darin, dass in dem Antriebskolben 10' zwei Lüftungsbohrungen 20.1, 20.2 angeordnet
sind, um den effektiven Lüftungsquerschnitt
zu vergrößern.
-
Die beiden Lüftungsbohrungen 20.1, 20.2 gehen
jeweils von den beiden gegenüberliegenden Stirnseiten
des Antriebskolbens 10' aus
und münden innen
in das Kolbenauge, in dem der Kolbenbolzen 18' drehbar gelagert
ist.
-
In dem Kolbenbolzen 18' sind entsprechend zwei
Ventilbohrungen 22.1, 22.2 angeordnet, wobei die
Ventilbohrung 22.1 die Lüftungsbohrung 20.1 in Abhängigkeit
von der Drehstellung des Kolbenbolzens 18' freigibt oder verschließt, während die
Ventilbohrung 22.2 die Lüftungsbohrung 20.2 in
Abhängigkeit
von der Drehstellung des Kolbenbolzens 18' freigibt oder verschließt.
-
Die beiden Ventilbohrungen 22.1, 22.2 sind hierbei
in dem Kolbenbolzen 18' bezüglich der
Drehachse des Kolbenbolzens 18' radial durchgehend in demselben
Winkel angeordnet. Dies bedeutet, dass die beiden Ventilbohrungen 22.1, 22.2 die
zugehörigen
Lüftungsbohrungen 20.1, 20.2 in
Abhängigkeit von
der Drehstellung des Kolbenbolzens 18' gleichzeitig freigeben und versperren.
Die Abhängigkeit des
effektiven Öffnungsquerschnitts
der Be- oder Entlüftung
von dem Kurbelwellenwinkel α ist
also bei den beiden Lüftungsbohrungen 20.1, 20.2 phasengleich.
-
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend
beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele
beschränkt.
Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die
ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in
den Schutzbereich fallen.
-
- 10,
10'
- Antriebskolben
- 12,
12'
- Pleuelstange
- 14,
14'
- Exzenterscheibe
- 16,
16'
- Kurbelwelle
- 18,18'
- Kolbenbolzen
- 20,
20.1, 20.2
- Lüftungsbohrung
- 22,
22.1, 22.2
- Ventilbohrung
- 24.1,
24.2, 24.1',
- Dichtring
- 24.2', 24.3', 24.4'
-
- α
- Kurbelwellenwinkel