DE10332109A1 - Arbeitsgerät mit Handgriffabfederung - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft ein handgehaltenes Arbeitsgerät gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
- Handgehaltene Arbeitsgeräte, insbesondere Bohr- und/oder Schlaghämmer (nachfolgend als Hammer bezeichnet) weisen häufig eine Schwingungserregungseinrichtung zum Erzeugen einer zum Erzielen der gewünschten Arbeitswirkung erforderlichen Schwingung auf. Bei Bohr- und/oder Schlaghämmern ist dies üblicherweise ein Schlagwerk, mit dem eine Schlagwirkung gegen ein Werkzeug erzielt wird. Die starke Schwingung sollte allerdings so wenig wie möglich auf den das Arbeitsgerät mit den Händen haltenden Bediener einwirken.
- Es sind Hämmer bekannt, die Anti-Vibrations-Systeme mit passiven Federelementen, insbesondere Gummipuffern, aufweisen. Um eine gute Schwingungsisolation unter verschiedenen Einsatzbedingungen zu erreichen, sind prinzipiell niedrige Federsteifigkeiten und große Federwege anzustreben, welche jedoch für Bauraum und Handhabung des Arbeitsgeräts von Nachteil sind.
- Dabei ist insbesondere zu berücksichtigen, dass z. B. bei Hämmern mit stark wechselnden Andrückkräften zu rechnen ist. Diese resultieren zum einen aus unterschiedlichen Reaktionskräften bzw. Rückstoßkräften aufgrund verschiedener Werkzeugtypen oder inhomogenen, zu bearbeitenden Materialien. Zum anderen wechseln die Andrückkräfte aufgrund unterschiedlich wirkender Gewichtskräfte. die durch die Bearbeitungsrichtung (nach unten, horizontal, nach oben) sowie unterschiedliche Werkzeuggewichte bedingt sind.
- Es ist oftmals problematisch, geeignete Federelemente zu entwickeln, die sämtlichen denkbaren Betriebszuständen, insbesondere der gesamten möglichen Bandbreite von Andrückkräften Rechnung tragen.
- In der
DE 196 46 622 A1 wird ein an einem Handgriff führbares Arbeitsgerät beschrieben. Der Handgriff ist durch ein aktiv gesteuertes oder geregeltes Kompensationsglied aktiv schwingungsgedämpft, wobei das Kompensationsglied in Abhängigkeit von der zu ihm übertragbaren, im Arbeitsgerät entstehenden Vibration, eine kompensierende Kraft bzw. Bewegung erzeugt. Durch diese Kompensationswirkung ist es möglich, die im Arbeitsgerät entstehende Schwingung weit gehend auszugleichen, so dass der dem Kompensationsglied nachgeschaltete Handgriff im Wesentlichen schwingungsfrei ist. Allerdings ist der bauliche und regelungstechnische Aufwand für ein derartiges Gerät nicht unerheblich. - In der
DE 101 00 378 A1 wird eine Handwerkzeugmaschine beschrieben, die einen Schwingungserreger sowie eine zwischen dem Schwingungserreger und einem Handgriff angeordnete Schwingungsisoliereinrichtung aufweist. Die Schwingungsisoliereinrichtung weist einen Aktor auf, über den die Betriebskraft mit einer Stellkraft zumindest teilweise kompensierbar ist. Dabei ist die Stellkraft weitgehend unabhängig von der tatsächlich existierenden, zu isolierenden Schwingung. Die Schwingung selbst wird durch ein parallel zu dem Aktor angeordnetes Federelement mit relativ weicher Kennlinie kompensiert. Bei dem beschriebenen Arbeitsgerät übernimmt der Aktor selbst somit keine Schwingungsdämpfungsfunktion. Vielmehr gewährleistet er, dass die Arbeitsstellung des Federelements, d. h. dessen Vorspannung, stets in einem vorgegebenen Bereich liegt, so dass das Federelement die anliegende Schwingung kompensieren kann. Die Stellkraft des Aktors wird automatisch in Abhängigkeit von der von außen wirkenden Betriebskraft, insbesondere der Andrückkraft vom Bediener automatisch eingestellt. Insofern kann von einer "semi-aktiven" Schwingungsisolierung gesprochen werden. Der Aktor kann elektrisch, elektromagnetisch oder hydraulisch ausgeführt sein, was einen erheblichen baulichen Aufwand erfordert. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein handgehaltenes Arbeitsgerät mit semi-aktiver Schwingungsisolierung derart auszugestalten, dass der Bauaufwand minimiert wird.
- Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein handgehaltenes Arbeitsgerät gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
- Ein handgehaltenes Arbeitsgerät weist eine Schwingungsisoliereinrichtung zwischen einer einen Schwingungserreger umfassenden ersten Einheit und einer relativ zu der ersten Einheit wenigstens in einer Arbeitsrichtung beweglichen zweiten Einheit auf. Bestandteil der Schwingungsisoliereinrichtung ist ein Aktor zum Erzeugen einer Stellkraft, mit der eine in der Arbeitsrichtung zwischen der ersten und der zweiten Einheit wirkende Betriebskraft, z. B. eine Andrückkraft, wenigstens teilweise kompensierbar ist. Der Aktor wird pneumatisch betrieben.
- Es hat sich herausgestellt, dass ein pneumatisch betriebener Aktor gegenüber den in der
DE 101 00 378 A1 beschriebenen Antriebsprinzipien für Aktoren erhebliche Vorteile hat. Zum einen ist kein zusätzliches Medium (z. B. Hydrauliköl) erforderlich. Luft ist als Medium jederzeit in ausreichender Menge verfügbar und kann ohne besonderen Dichtungsaufwand verarbeitet werden. Eventuelle Leckverluste sind unkritisch. Zum anderen ist der Regelungsaufwand im Verhältnis zu z. B. elektrischen oder elektromagnetischen Aktoren erheblich geringer, Darüber hinaus ist der Energieaufwand für elektrische Aktoren vergleichsweise hoch, da die Aktoren schnell reagieren müssen, was nur durch eine entsprechende zur Verfügung stehende Leistung möglich ist. - Wie bereits in Zusammenhang mit dem Stand der Technik erläutert und später noch detaillierter ausgeführt, kommt dem Aktor die primäre Aufgabe zu, die zwischen der ersten und der zweiten Einheit wirkende Betriebskraft zu kompensieren, so dass die eigentliche Schwingungsisolierung durch ein parallel zu dem Aktor angeordnetes Federelement übernommen werden kann. Da jedoch der Aktor erfindungsgemäß pneumatisch betrieben wird, weist er aufgrund der Kompressibilität der Luft bereits selbst gute Federeigenschaften auf und dient somit ebenfalls zur Schwingungsisolierung. Ein hydraulisch betriebener Aktor könnte eine derartige Schwingungsisolierung aufgrund der Inkompressibilität von Hydraulikfluid nicht leisten. Auch elektrisch betriebene Aktoren würden stets versuchen, einer schwingungsbedingten Auslenkung gegenzuwirken und so eine Federwirkung zu verhindern.
- Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Arbeitsgerät um einen Bohr-/ und oder Schlaghammer (nachfolgend als Hammer bezeichnet). Die zweite Einheit trägt einen Handgriff, an dem der Bediener das Arbeitsgerät führen und halten kann. In der ersten Einheit ist ein an sich bekanntes Luftfederschlagwerk vorgesehen, das einen von einem Motor angetriebenen Antriebskolben zum Antreiben eines Schlagkolbens aufweist. Zwischen dem Antriebskolben und dem Schlagkolben bildet sich eine Luftfeder aus, die die Bewegung des Antriebskolbens auf den Schlagkolben überträgt, der wiederum gegen ein Werkzeug schlägt. Erfindungsgemäß ist dabei der Antriebskolben zum Erzeugen von Druckluft zum Speisen des Aktors ausgebildet.
- Bei dieser Ausführungsform wird ein weiterer Vorteil eines pneumatisch betriebenen Aktors deutlich. Der Antriebskolben des Schlagwerks ist nämlich bereits zum Erzeugen von Druckluft ausgebildet, wenn auch bei bekannten Schlagwerken lediglich zum Antreiben des Schlagkolbens. Erfindungsgemäß kommt dem Antriebskolben jetzt eine zweite Funktion zu, nämlich das Erzeugen von Druckluft für den Aktor. Weil jedoch der Antriebskolben hierzu in einfacher Weise genutzt werden kann, sind keine zusätzlichen Bauelemente zum Erzeugen eines Druckmediums, wie z. B. eine Hydraulikpumpe o. Ä., erforderlich. Die vom Antriebskolben z. B. bei seiner Rückbewegung, nach Vorwärtstreiben des Schlagkolbens, verdrängte Luft kann als Druckluft dem Aktor zugeführt werden.
- Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Aktor einen von dem Antriebskolben mit Druckluft befüllbaren Druckluftspeicher aufweist. Der Druckluftspeicher dient nicht nur als Druckluftvorrat für den Aktor, aus dem bei Bedarf Druckluft entnommen und dem Aktor zugeführt werden kann. Außerdem vergleichmäßigt der Druckluftspeicher auch die von dem Antriebskolben aufgrund seiner Hin- und Herbewegung schubweise zugeführte Druckluft.
- Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung weist der Aktor den Druckluftspeicher, eine Ventileinrichtung, eine Handgriff-Luftfeder und einen Handgriffkolben auf. Dabei ist der Druckluftspeicher über die Ventileinrichtung mit der Handgriff-Luftfeder verbindbar, während die Handgriff-Luftfeder auf den Handgriffkolben wirkt, der mit dem Handgriff verbunden ist. Der Kern des Aktors wird somit durch die Handgriff-Luftfeder gebildet. Je nach dem, mit welchem Druck aus dem Druckluftspeicher die Handgriff-Luftfeder gefüllt ist, verlagert sie den von ihr beaufschlagten Handgriffkolben, der wiederum mit dem Handgriff formschlüssig verbunden ist und diesen damit mitbewegt. Die Ventileinrichtung stellt dabei sicher, dass nur soviel Druckluft aus dem Druckluftspeicher in die Handgriff-Luftfeder gelangt, wie erforderlich.
- Vorteilhafterweise ist die Ventileinrichtung derart ausgebildet, dass, wenn der Handgriffkolben ein die Handgriff-Luftfeder umschreibendes Volumen über ein vorgegebenes Maß verkleinert, Druckluft aus dem Druckluftspeicher in die Handgriff-Luftfeder nachführbar ist, um das vorgegebene Maß für das Volumen der Handgriff-Luftfeder wieder zu erreichen. Wenn somit der Bediener mit erhöhter Betriebskraft gegen den Handgriff drückt, verlagert er den Handgriff und somit den Handgriffkolben gegen die Wirkung der Handgriff-Luftfeder. Aufgrund der Kompressibilität der Luft wird das Volumen der Handgriff-Luftfeder verkleinert, bis schließlich ein vorgegebener minimaler Grenzwert erreicht wird.
- Daraufhin öffnet die Ventileinrichtung die Verbindung zwischen dem Druckluftspeicher und der Handgriff-Luftfeder, so dass der Luftdruck in der Handgriff-Luftfeder erhöht wird. Als Folge davon vergrößert sich die auf den Handgrifikolben wirkende Kraft und drückt den Kolben wieder entgegen der Wirkung der Betriebskraft. Bei entsprechender Einstellung des Systems lässt es sich somit sicherstellen, dass der Handgriff seine Relativstellung gegenüber der das Luftfederschlagwerk aufweisenden ersten Einheit kaum verändert.
- Ergänzend dazu ist es zweckmäßig, wenn die Ventileinrichtung auch ein Auslassventil aufweist, um Druckluft aus der Handgriff-Luftfeder auszulasen, wenn das Volumen der Handgriff-Luftfeder aufgrund einer Verlagerung des Handgriffkolbens einen vorgegebenen Maximalwert übersteigt.
- Dieser Fall kann z. B. auftreten, wenn der Bediener zunächst mit hoher Betriebskraft gegen den Handgriff gedrückt hat und dann schließlich die Betriebskraft zurücknimmt, weil er das Gerät abheben möchte. Als Folge davon würde der hohe Luftdruck in der Handgriff-Luftfeder den Handgriffkolben und damit den Handgriff weiter nach außen drücken, was insbesondere bei einem Neuansetzen des Geräts mit geringerer Betriebskraft dazu führen würde, dass die Schwingungsisolierung nicht im optimalen Betriebsbereich arbeitet.
- Um das zu verhindern, ist das Auslassventil vorgesehen, das eine Verbindung von der Handgriff-Luftfeder nach außen öffnet, wenn aufgrund einer Absenkung der Betriebskraft die Handgriff-Luftfeder den Handgriffkolben verlagert und sich dadurch über einen vorgegebenen Maximalwert vergrößert.
- Die zuletzt beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung lassen sich sowohl rein mechanisch als auch mechanisch-elektronisch (mechatronisch) realisieren.
- Bei der mechanischen Lösung ist die Ventileinrichtung vorzugsweise mit dem Handgriffkolben gekoppelt. Der Handgriffkolben ist – je nach Druckbeaufschlagung durch die Handgriff-Luftfeder – zwischen zwei Extremstellungen bewegbar. Vor diesen beiden Extremstellungen lassen sich Kolbenstellungen definieren, die einem Minimalwert und einem Maximalwert für das Volumen der Handgriff-Luftfeder entsprechen. Innerhalb dieser Werte soll keine Zuführung oder Abführung von Druckluft zu oder aus der Handgriff-Luftfeder erfolgen. Sobald jedoch aufgrund einer geänderten Betriebskraft die Stellung des Handgriffkolbens eine der beiden Grenzwerte (Maximalwert oder Minimalwert) überschreitet, öffnet die Ventileinrichtung ein jeweils zugeordnetes Ventil, d. h. entweder ein Einlassventil, das eine Verbindung zwischen dem Druckluftspeicher und der Handgriff-Luftfeder herstellt, oder das Auslassventil zum Auslassen von Druckluft nach außen. Um dies zu realisieren weist die Ventileinrichtung entsprechende Einlasskanäle für das Einlassventil und Auslasskanäle für das Auslassventil auf, die in Abhängigkeit von der Stellung des Handgriffkolbens geöffnet oder geschlossen werden. Die Kanäle und deren Schließ- bzw. Öffnungsmechanismen lassen sich in einfacher Weise mit dem Handgriffkolben kombinieren.
- Bei der mechatronischen Lösung ist es besonders vorteilhaft, wenn ein Sensor vorgesehen ist, mit dem sich die Relativstellung der ersten und der zweiten Einheit, also insbesondere des das Schlagwerk und den Antrieb aufnehmenden Hauptgehäuses und des dazu relativ beweglichen Handgriffs bestimmen lässt. Der Sensor sollte derart angeordnet sein, dass er wenigstens den Punkt der optimalen Relativstellung zwischen den beiden Einheiten erfassen kann.
- Vorzugsweise sind der Sensor und die Ventileinrichtung mit einer Steuerung verbunden, wobei die Ventileinrichtung durch die Steuerung derart ansteuerbar ist, dass in der Handgriff-Luftfeder ein derartiger Druckluftzustand herrscht, dass die von dem Sensor erfassten Relativstellungen der ersten und der zweiten Einheit in einem vorgegebenen Schwankungsbereich gehalten werden. Der Schwankungsbereich wird z. B. durch den oben beschriebenen Maximalwert und Minimalwert für das Volumen der Handgriff-Luftfeder definiert. Die Steuerung überwacht mit Hilfe des Sensors die Relativstellung zwischen der ersten und der zweiten Einheit und kann bei Überschreiten des vorgegebenen Schwankungsbereichs mit Hilfe der Ventileinrichtung entsprechende Gegenmaßnahmen ansteuern. Zum einen ist es somit möglich, Druckluft aus dem Druckluftspeicher über das Einlassventil in die Handgriff-Luftfeder einströmen zu lassen. Zum anderen kann die Steuerung auch dafür sorgen, dass die Handgriff-Luftfeder über das Auslassventil entlastet wird.
- Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist parallel zu dem Aktor zwischen der ersten und der zweiten Einheit eine Federeinrichtung angeordnet. Die Federeinrichtung kann eine weichere Federkennlinie als der Aktor aufweisen.
- Alternativ dazu ist es möglich, dass die Federeinrichtung eine Federsteifigkeit aufweist, die wenigstens so groß ist, dass durch die Federeinrichtung die Bewegung einer Amplitude der Schwingung aufnehmbar ist, ohne dass ein Blocksetzen der Federeinrichtung auftritt.
- Die zwischen der ersten Einheit und der zweiten Einheit wirkende Kraft setzt sich im Wesentlichen aus zwei Bestandteilen zusammen: Zum einen wirkt die Betriebskraft, die im Wesentlichen durch den Bediener durch Drücken des Handgriffs von außen aufgebracht wird. Der Betriebskraft wird eine Kraft überlagert, die durch die in der ersten Einheit erregte Schwingung erzeugt wird. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist es möglich, dass die Betriebskraft weitgehend vollständig durch den Aktor aufgenommen und kompensiert wird, wobei der Aktor Idealerweise die Federsteifigkeit "Null" bzw. eine sehr geringe Federsteifigkeit aufweisen sollte. Eine geringe Erhöhung der auf den Aktor wirkenden Kraft im niederfrequenten Bereich würde eine Verlagerung des Aktor-Stößels bewirken, ohne dass der Aktor zunächst eine erhöhte Gegenkraft entgegensetzt. Erst bei Überschreiten der Grenzstellungen würde die Aktorkraft vergrößert.
- Überlagert dazu wird die Wirkung der Federeinrichtung, die die durch die Schwingungsamplitude hervorgerufenen Kraft- bzw. Wegänderungen aufnimmt. Die Schwingungsamplitude wiederum wird nicht bzw. kaum durch die Betriebskraft beeinflusst. Die Federeinrichtung muss daher eine Federsteifigkeit haben, um die Schwingungsamplitude vollständig aufnehmen zu können, ohne dass ein Blocksetzen auftritt, d. h. ohne dass die Federeinrichtung so weit zusammengedrückt wird, dass entsprechende Anschläge in Berührung kommen und ein weiteres Komprimieren der Feder verhindern. Da die im Betrieb auftretenden Schwingungsamplituden im Wesentlichen vorher bekannt sind, lässt sich die Federeinrichtung entsprechend auslegen.
- Im Übrigen sollte aber die Federsteifigkeit der Federeinrichtung so niedrig wie möglich sein, um eine besonders weiche Federung zu ermöglichen.
- Damit ist es möglich, dass der Aktor in der oben beschriebenen Weise die von außen auf das Arbeitsgerät einwirkende Betriebskraft zwischen der ersten und der zweiten Einheit kompensiert, wodurch die Betriebskraft keine nennenswerte Verformung der weichen Federeinrichtung bewirkt. Die Federeinrichtung hinge gen ist geeignet, die höherfrequenten Schwingungen, die durch den Schwingungserreger in der ersten Einheit entstehen, zu kompensieren, wodurch die zweite Einheit im Wesentlichen von Schwingungen isoliert ist.
- Die Federeinrichtung muss somit nicht über den gesamten Wertebereich von denkbaren Betriebskräften verformbar sein, was aufgrund der weichen Federkennlinie zu einer großen Baulänge der Feder führen würde. Vielmehr ist es aufgrund der Kompensation der Betriebskraft durch den Aktor möglich, dass die Federeinrichtung nur einen relativ kleinen Betriebsbereich für die Relativbewegung zwischen der ersten und der zweiten Einheit bereitstellen muss, so dass die Federeinrichtung trotz der weichen Federkennlinie kurz baut.
- Bei einer vorteilhaften Weiterentwicklung ist die von dem Aktor erzeugte Stellkraft zyklisch veränderbar, wobei die Änderung mit der gleichen Frequenz erfolgt, mit der sich der Antriebskolben bewegt. Die durch den Antriebskolben im Luftfederschlagwerk erzeugte Schwingung weist zwangsläufig exakt die gleiche Frequenz auf, mit der sich auch der Antriebskolben bewegt. Dementsprechend ist die Frequenz der zu isolierenden Schwingung bereits durch die Bewegungsfrequenz des Antriebskolbens vorgegeben. Wenn nun der Aktor mit der gleichen Frequenz arbeitet, lässt sich durch die in gewisser Weise pulsierende Wirkung des Aktors die vom Antriebskolben bewirkte Schwingung kompensieren.
- Eventuell erforderliche Phasenverschiebungen bezüglich der Bewegung des Antriebskolbens und der Stellarbeit des Aktors lassen sich durch geeignete Kopplung von Ventilen der Ventileinrichtung und Zwischenschalten des Druckluftspeichers lösen. So ist es z. B. möglich, dass der Antriebskolben nach Beaufschlagung des Schlagkolbens und Durchführung des Schlags durch den Schlagkolben bei seiner Rückbewegung Luft in den Druckluftspeicher pumpt. Bei der im nächsten Zyklus erfolgenden Schlagwirkung und damit hervorgerufenen Schwingung öffnet das Ventil zwischen Druckluftspeicher und Handgriff-Luftfeder, um den Druck in der Handgriff-Luftfeder zu erhöhen und dadurch die Kraftwirkung zu erhöhen. Bei erneuter Rückbewegung des Arbeitskolbens wird die Handgriff-Luftfeder entleert, während der Druckluftspeicher erneut gefüllt wird. Diese Ausführungsform der Erfindung ermöglicht eine besonders geschickte und zuverlässige Kompensation der am Handgriff unerwünschten Schwingungswirkung.
- Alternativ zu der vorbeschriebenen Ausführungsform kann bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung die maximale Stellfrequenz des Aktors kleiner sein als die Frequenz der in der ersten Einheit erzeugten Schwingung, also insbesondere als die Bewegungsfrequenz des Antriebskolbens. Dadurch ist sichergestellt, dass der Aktor lediglich die von außen wirkende Betriebskraft kompensiert, nicht jedoch aktiv der Schwingung entgegenwirkt. Die Schwingung wird stattdessen in der oben beschriebenen Weise durch die weichere Federeinrichtung kompensiert oder – aufgrund der Kompressibilität der Luft – passiv auch durch den Aktor.
- Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist eine von dem Antrieb des Arbeitsgeräts angetriebene Drucklufterzeugungseinrichtung vorgesehen, die unabhängig von den eigentlichen Arbeitsfunktionen des Geräts Druckluft für den Aktor erzeugt. Dafür eignet sich z. B. ein kleiner Schraubenkompressor.
- Die Stellkraft des Aktors sollte derart einstellbar sein, dass ein Schwankungsbereich für die durch unterschiedliche Betriebskräfte verursachten Relativstellungen zwischen der ersten und der zweiten Einheit sichergestellt ist, der kleiner als ein Schwankungsbereich ist, den die Relativstellungen zwischen der ersten und der zweiten Einheit bei ebenso unterschiedlichen Betriebskräften, jedoch ohne die Kompensationswirkung der Stellkraft des Aktors erreichen würden. Das bedeutet, dass sich die erste und die zweite Einheit ohne die Wirkung des Aktors in einem erheblich größeren Bereich relativ zueinander bewegen lassen würden. Der Aktor hingegen stellt sicher, dass dieser Schwankungsbereich möglichst klein ist, um dort, z. B. mit Hilfe der parallel geschalteten Federeinrichtung, eine bestmögliche Schwingungsisolierung zu erreichen.
- Erfindungsgemäß wird somit ein Kraft erzeugender pneumatischer Aktor beschrieben, der die über einen bestimmten Zeitraum gemittelte Andrückkraft wie bei einer Niveauregulierung ausgleicht. Die eigentliche Schwingungsisolation wird entweder nur durch die Federeigenschaft des Luftpolsters in der Handgriff-Luftfeder selbst oder zusätzlich durch die Parallelschaltung der passiven Federeinrichtung mit hinreichend niedriger Federsteifigkeit erreicht. Dies bedeutet, dass die flache Federkennlinie während des Schwingungsvorgangs bei wechselnder Anpresskraft derart verschoben wird, dass die Schwingung im Idealfall um einen festgelegten Punkt oszilliert. Auch wenn vorstehend im Wesentlichen eine semi-aktive Schwingungsisolierung beschrieben worden ist, ist es insbesondere mit der mechatronischen Variante denkbar, bei prinzipiell gleicher Bauweise auch eine voll aktive Kompensation zu erreichen, wobei dann die Anforderungen an Sensoren, Steuerung und Ventile aufgrund der zunehmenden Schaltfrequenzen höher sind. Umgekehrt sind bei der semi-aktiven Schwingungsisolation die Anforderungen an die Bauelemente deutlich geringer, weil die eigentliche Schwingungsisolation lediglich passiv erfolgt.
- Die Krafteigenschaften des Aktors, der im Übrigen auch aus mehreren kleineren Aktoren bestehen kann, sowie die passive Federeinrichtung, die ihrerseits ebenfalls mehrere Federelemente aufweisen kann, sind derart aufeinander abzustimmen, dass wenigstens die maximal denkbare Betriebskraft kompensiert werden kann. So ist es einerseits möglich, einen starken Aktor mit einer Federeinrichtung mit sehr weicher Kennlinie zu kombinieren, während andererseits eine steifere Federeinrichtung eine schwächere Gestaltung des Aktors ermöglicht.
- Es ist anzustreben, die Handgriff-Luftfeder möglichst groß auszuführen, weil dann die relative Volumenänderung durch die Handgriffbewegung gering und somit die wirksame Kraft nahezu konstant bleibt.
- Wenn die Kolbenfläche des Handgriffkolbens genügend groß ausgeführt ist, kann der Betriebsdruck in der Handgriff-Luftfeder niedrig gehalten werden. Damit lässt sich auch die Änderung der Federsteifigkeit der Luftfeder gegenüber der Änderung der Betriebskraft gering halten.
- Diese und weitere Merkmale der Erfindung werden nachfolgend anhand von Beispielen unter Zuhilfenahme der begleitenden Figuren näher erläutert.
- Es zeigen:
-
1 schematisch eine geschnittene Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Arbeitsgeräts; -
2 das Arbeitsgerät aus1 , mit teilweise aufgeschnittenem Schlagwerk und erfindungsgemäßem Aktor; -
3 eine Ausschnittsvergrößerung aus2 ; -
4 eine Ausschnittsvergrößerung einer weiteren Ausführungsform. -
1 zeigt am Beispiel eines Bohr- und/oder Schlaghammers den prinzipiellen Aufbau des erfindungsgemäßen Arbeitsgeräts. Eine erste Einheit1 und eine zweite Einheit2 sind über eine Schwingungsisoliereinrichtung3 miteinander verbunden. - Die Schwingungsisoliereinrichtung
3 weist einen Aktor4 sowie eine Federeinrichtung5 auf. - Weiterhin sind zwischen der ersten Einheit
1 und der zweiten Einheit2 Führungselemente6 angeordnet, die ein Verkanten der beiden Einheiten1 ,2 vermeiden sollen. Die Führungselemente6 können aus Gummi bzw. Kunststoff bestehen und insofern ebenfalls zur Schwingungsisolierung beitragen. - In der ersten Einheit
1 ist in bekannter Weise – daher im Einzelnen nicht dargestellt – ein Antriebsmotor angeordnet, der über eine Kurbelwelle einen in2 erkennbaren Antriebskolben7 hin- und herbewegt. Vor dem Antriebskolben7 , d. h. in einer Arbeitsrichtung A, ist ein nicht dargestellter Schlagkolben angeordnet. Durch die Bewegung des Antriebskolbens7 bildet sich zwischen dem Antriebskolben7 und dem Schlagkolben eine Luftfeder8 aus, die wiederum den Schlagkolben antreibt, so dass er gegen ein nicht dargestelltes Werkzeugende bzw. einen zwischengeschalteten Döpper aufschlägt. Die Funktionsweise derartiger Luftfederschlagwerke ist bekannt, so dass sich an dieser Stelle eine weitergehende Darlegung erübrigt. - An der zweiten Einheit
2 ist am hinteren Ende ein Handgriff9 ausgebildet. - Da die
2 und3 im Wesentlichen die gleiche Darstellung betreffen, werden sie nachfolgend gemeinsam beschrieben. - Der Aktor
4 weist einen Druckluftspeicher10 , eine Handgriff-Luftfeder11 sowie einen Handgriffkolben12 auf. Bestandteil des Aktors ist weiterhin eine Ventileinrichtung, die ein Einlassventil13 und ein Auslassventil14 umfasst. Das Einlassventil13 und das Auslassventil14 bestehen im Wesentlichen aus einer in einen Zylinder eingefrästen Nut, der eine geschlossene Zylinderfläche gegenübersteht. Die Funktion wird später noch detaillierter erläutert. - Der Druckluftspeicher
10 ist darüber hinaus mit einem Einlassrückschlagventil15 und einem Auslassrückschlagventil16 ausgestattet. - Der Handgriffkolben
12 ist mit dem Handgriff9 in Axialrichtung formschlüssig verbunden. Zum Ausgleich von eventuellen Fluchtungsfehlern, Seitbewegungen oder Winkelfehlern ist ein ringförmiges Gummi- bzw. Schaumelement17 vorgesehen. In jedem Fall ist sichergestellt, dass die Axialbewegung des Handgriffkolbens12 exakt auf den Handgriff9 übertragen wird, und umgekehrt. - Nachfolgend wird die Funktionsweise erläutert:
Im Betrieb saugt der Antriebskolben7 bei einer Vorwärtsbewegung in Arbeitsrichtung A Luft aus der Umgebung über ein Rückschlagventil18 in einen Rückraum19 an. Bei der nachfolgenden Rückbewegung des Antriebskolbens7 entgegen der Arbeitsrichtung A wird die Luft aus dem Rückraum19 über das Einlassrückschlagventil15 in den Druckluftspeicher10 gepresst. Bei der wiederum nachfolgenden Vorwärtsbewegung des Antriebskolbens7 wird dann erneut Luft über das Rückschlagventil18 angesaugt. Sofern in dem Druckluftspeicher10 ein Überdruck entsteht, kann dieser über das Auslassrückschlagventil16 abgebaut werden. - Wenn jetzt der Bediener den Hammer am Handgriff
9 gegen ein zu bearbeitendes Gestein andrückt, bewegt sich der Handgriff9 relativ zu der ersten Einheit1 nach vorne in Arbeitsrichtung A. Dadurch dringt auch der Handgriffkolben12 mit einem Stößel20 tiefer in den Druckluftspeicher10 , bis über eine Nut13a des Einlassventils13 eine kommunizierende Verbindung zwischen dem Druckluftspeicher10 und der Handgriff-Luftfeder11 hergestellt wird. Darüber kann Druckluft aus dem Druckluftspeicher10 in die Handgriff-Luftfeder11 einströmen, die unter anderem gegen eine Kolbenfläche21 wirkt und schließlich den Handgriffkolben12 zusammen mit dem Handgriff9 und der zweiten Einheit2 wieder zurück, entgegen der Arbeitsrichtung A, bewegt. Dadurch lässt sich in sehr kurzer Zeit die störende Relativbewegung zwischen erster Einheit1 und zweiter Einheit2 kompensieren. - Wenn der Bediener mit noch höherer Betriebskraft gegen den Handgriff
9 drückt, wird das oben beschriebene Verfahren wiederholt. - Entlastet der Bediener hingegen den Handgriff
9 oder hebt er gar das Arbeitsgerät am Handgriff9 ab, bewegt sich der Handgriff9 mit der zweiten Einheit2 relativ zu der ersten Einheit1 nach hinten, entgegen der Arbeitsrichtung A. Folglich gleitet auch der Handgriffkolben12 zurück und gibt schließlich die Nut14a am Auslassventil14 frei, so dass Druckluft aus der Handgriff-Luftfeder11 in die Umgebung ausströmen kann, bis die Druckluft in der Handgriff-Luftfeder11 vollständig abgebaut ist. - Die zweite Einheit
2 ist an der ersten Einheit darüber hinaus durch nicht dargestellte Anschläge, z. B. auch über die Führungselemente6 , gesichert, um ein vollständiges Lösen der zweiten Einheit2 zu vermeiden. Die Anschläge gewährleisten, dass das Auslassventil14 geöffnet wird, ohne dass der Handgriffkolben12 vollständig aus seiner Führung herausgleitet. - Aufgrund der kompressiblen Eigenschaften der Druckluft in der Handgriff-Luftfeder
11 ist der Aktor4 bereits in der Lage, Schwingungen in erheblichem Maße zu isolieren. Zusätzlich ist bei der in den1 bis3 dargestellten Ausführungsform die Federeinrichtung5 in Form einer Schraubenfeder mit weicher Federkennlinie angeordnet. Ohne den Aktor4 würde die Federeinrichtung5 bereits bei geringer Betriebskraft am Handgriff9 vollständig zusammengedrückt, so dass sie keine schwingungsisolierende Wirkung mehr hätte. Mit Hilfe des Aktors4 ist es aber möglich, die in den Figuren gezeigte Relativstellung zwischen der ersten Einheit1 und der zweiten Einheit2 aufrechtzuerhalten, so dass die Federeinrichtung5 immer noch einen ausreichenden Federweg bereitstellen kann. Dieser Federweg ist geeignet, die in der ersten Einheit1 erzeugte Schwingung wirksam von dem Handgriff9 zu isolieren. -
4 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Während in den2 und3 eine rein mechanische Lösung dargestellt wurde, betrifft4 eine mechatronische Realisierung der Erfindung. Sofern im Wesentlichen gleiche Bauelemente wie bei den2 und3 eingesetzt werden, werden auch die gleichen Bezugszeichen verwendet. Auf eine erneute Beschreibung dieser Bauelemente kann verzichtet werden. - Ein wesentlicher Unterschied ist in der Ventileinrichtung zu finden: Der Luftstrom zu und von der Handgriff-Luftfeder
11 wird mit Hilfe von durch eine nicht darstellte Steuerung ansteuerbaren Ventilen, nämlich einem Einlassventil22 und einem Auslassventil23 sichergestellt. - Die Steuerung erhält eine wesentliche Information von einem Sensor
24 , mit dem die Relativstellung zwischen der ersten Einheit1 und der zweiten Einheit2 erfasst wird. Bei dem Sensor24 kann es sich um einen beliebigen Näherungssensor, z. B. um einen Hall-Sensor, handeln. Der Sensor24 sollte so ausgebildet sein, dass er die Relativstellung der beiden Einheiten1 ,2 wenigstens in dem angestrebten optimalen Bereich erfasst. - Sofern die Steuerung mit Hilfe des Sensors
24 eine Verlagerung der zweiten Einheit2 aufgrund einer am Handgriff9 wirkenden Betriebskraft feststellt, bewirkt sie durch entsprechendes Ansteuern des Einlassventils22 oder des Auslassventils23 eine Änderung der Steifigkeit der Handgriff-Luftfeder11 . Dementsprechend verlagern sich der Handgriffkolben12 und der Handgriff9 in der gewünschten Weise. - Die Steuerung ist in der Lage, einen gewissen Schwankungsbereich zuzulassen, der im Wesentlichen von dem zur Verfügung stehenden Federweg der Federeinrichtung
5 abhängt. - Die von der Steuerung bestimmte Stellfrequenz des Aktors kann kleiner sein als die Frequenz der in der ersten Einheit erzeugten Schwingung. Dadurch sind die Anforderungen an die Steuerung und die Bauelemente des Aktors vergleichsweise gering. Es ist aber auch möglich, die Stellfrequenz des Aktors höher zu wählen als die Schwingungsfrequenz. Dann wäre der Aktor in der Lage, der Schwingung aktiv entgegenzuwirken. Dies setzt jedoch eine entsprechend schnelle Steuerung und schnelle Ventile
23 ,24 voraus.
Claims (15)
- Handgehaltenes Arbeitsgerät, mit – einer im Betrieb durch eine Schwingung angeregten ersten Einheit (
1 ); – einer gegenüber der ersten Einheit (1 ) wenigstens in einer Arbeitsrichtung (A) relativ beweglichen zweiten Einheit (2 ); und mit – einer wirkungsmäßig zwischen der ersten (1 ) und der zweiten Einheit (2 ) angeordneten Schwingungsisoliereinrichtung (3 ); wobei die Schwingungsisoliereinrichtung (3 ) wenigstens einen Aktor (4 ) zum Erzeugen einer Stellkraft aufweist, mit der eine in der Arbeitsrichtung (A) zwischen der ersten (1 ) und der zweiten (2 ) Einheit wirkende Betriebskraft wenigstens teilweise kompensierbar ist; dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (4 ) pneumatisch betrieben wird. - Arbeitsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – das Arbeitsgerät ein Bohr- und/oder Schlaghammer ist; – die zweite Einheit (
2 ) einen Handgriff (9 ) aufweist; – in der ersten Einheit (1 ) ein Luftfederschlagwerk vorgesehen ist, mit einem von einem Motor angetriebenen Antriebskolben (7 ) zum Antreiben eines Schlagkolbens mittels einer zwischen dem Antriebskolben (7 ) und dem Schlagkolben erzeugbaren Luftfeder (8 ); und dass – der Antriebskolben (7 ) zum Erzeugen von Druckluft zum Speisen des Aktors (4 ) ausgebildet ist. - Arbeitsgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (
4 ) einen von dem Antriebskolben (7 ) mit Druckluft befüllbaren Druckluftspeicher (10 ) aufweist. - Arbeitsgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass – der Aktor (
4 ) den Druckluftspeicher (10 ), eine Ventileinrichtung (13 ,14 ;22 ,23 ), eine Handgriff-Luftfeder (11 ) und einen Handgriffkolben (12 ) aufweist; – der Druckluftspeicher (10 ) über die Ventileinrichtung (13 ,14 ;22 ,23 ) mit der Handgriff-Luftfeder (11 ) verbindbar ist; und dass – die Handgriff-Luftfeder (11 ) auf den Handgriffkolben (12 ) wirkt, der mit dem Handgriff (9 ) verbunden ist. - Arbeitsgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung (
13 ,14 ;22 ,23 ) derart ausgebildet ist, dass, wenn der Handgriffkolben (12 ) ein die Handgriff-Luftfeder (11 ) umschreibendes Volumen über ein vorgegebenes Maß verkleinert, Druckluft aus dem Druckluftspeicher (10 ) in die Handgriff-Luftfeder (11 ) nachführbar ist, um das vorgegebene Maß für das Volumen der Handgriff-Luftfeder (11 ) wieder zu erreichen. - Arbeitsgerät nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung ein Auslassventil (
14 ) aufweist zum Auslassen von Druckluft aus der Handgriff-Luftfeder (11 ), wenn das Volumen der Handgriff-Luftfeder (11 ) aufgrund einer Verlagerung des Handgriffkolbens (12 ) einen vorgegebenen Maximalwert übersteigt. - Arbeitsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor (
24 ) vorgesehen ist, zum Bestimmen der Relativstellung der ersten (1 ) und der zweiten Einheit (2 ). - Arbeitsgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass – der Sensor (
24 ) und die Ventileinrichtung (22 ,23 ) mit einer Steuerung verbunden sind; und dass – die Ventileinrichtung (22 ,23 ) durch die Steuerung derart ansteuerbar ist, dass in der Handgriff-Luftfeder (11 ) ein derartiger Druckluftzustand herrscht, dass die von dem Sensor (24 ) erfassten Relativstellungen (1 ) der ersten und der zweiten Einheit (2 ) in einem vorgegebenen Schwankungsbereich gehalten werden. - Arbeitsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu dem Aktor (
4 ) zwischen der ersten (1 ) und der zweiten Einheit (2 ) eine Federeinrichtung (5 ) angeordnet ist. - Arbeitsgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinrichtung (
5 ) eine weichere Federkennlinie als der Aktor (4 ) aufweist. - Arbeitsgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinrichtung (
5 ) eine Federsteifigkeit aufweist, die wenigstens so groß ist, dass durch die Federeinrichtung (5 ) die Bewegung einer Amplitude der Schwingung aufnehmbar ist, ohne dass ein Blocksetzen der Federeinrichtung auftritt. - Arbeitsgerät nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Aktor (
4 ) erzeugte Stellkraft zyklisch veränderbar ist, wobei die Änderung mit der gleichen Frequenz erfolgt, mit der sich der Antriebskolben (7 ) bewegt. - Arbeitsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine maximale Stellfrequenz des Aktors (
4 ) kleiner ist als eine Frequenz der in der ersten Einheit (1 ) erzeugten Schwingung. - Arbeitsgerät nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 4 bis 13, jedoch nicht rückbezogen auf die Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine von einem Motor des Arbeitsgeräts angetriebene Drucklufterzeugungseinrichtung vorgesehen ist, zum Erzeugen von Druckluft für den Aktor (
4 ). - Arbeitsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellkraft des Aktors (
4 ) derart einstellbar ist, dass ein Schwankungsbereich für die durch unterschiedliche Betriebskräfte verursachten Relativstellungen zwischen der ersten (1 ) und der zweiten Einheit (2 ) sichergestellt ist, der kleiner als ein Schwankungsbereich ist, den die Relativstellungen zwischen der ersten (1 ) und der zweiten Einheit (2 ) bei ebenso unterschiedlichen Betriebskräften, jedoch ohne die Kompensationswirkung der Stellkraft des Aktors (4 ) erreichen würden.
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