DE19829913A1 - Schlagwerk für ein schlagend oder drehschlagend arbeitendes Werkzeug - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schlagwerk für ein schlagend oder drehschlagend arbeitendes Werkzeug mit einem rotierenden Außenläufer und einem in diesem mit einer Relativgeschwindigkeit rotierenden Innenläufer. In dem Innenläufer ist ein sich axial erstreckender Hohlraum ausgebildet, in dem ein Schlagkolben mittels eines sich abwechselnd zwischen dem Innenläufer und dem Außenläufer bildenden Saugraums und Verdichtungsraums hin- und herbewegt wird. Eine verbesserte Wirkungsweise bei kompaktem, relativ leichtem Aufbau wird dadurch erzielt, daß in dem Hohlraum in dessen von dem Werkzeug abgekehrten hinteren Endbereich ein Federmechanismus ausgebildet ist, der die Bewegungsenergie des sich zurückbewegenden Schlagkolbens speichert und mit Umkehr der Bewegungsrichtung des Schlagkolbens die gespeicherte Energie zum Bewegen des Schlagkolbens in Vorwärtsrichtung an diesen abgibt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schlagwerk für ein schlagend oder dreh­ schlagend arbeitendes Werkzeug mit einem rotierend angetriebenen Außenläufer und einem in diesem achsparallel und exzentrisch angeordneten, mit einer Rela­ tivgeschwindigkeit zum Außenläufer rotierend angetriebenen Innenläufer, in dessen Hohlraum ein hin und her verschiebbarer Schlagkolben geführt ist, wobei in dem Hohlraum ein oder mehrere Steuerkanäle münden, die während der Ro­ tation abwechselnd mit einem zwischen der Außenkontur des Innenläufers und der Innenkontur des Außenläufers sich bildenden Verdichtungsraum und sich bildenden Saugraum verbunden sind.

Ein derartiges Schlagwerk ist in der DE 42 16 071 A1 als bekannt ausgewiesen. Bei diesem bekannten Schlagwerk dreht sich ein Innenläufer mit einer Relativge­ schwindigkeit in einem Außenläufer, wobei die beiden Drehachsen von Innen­ läufer und Außenläufer parallel und exzentrisch zueinander angeordnet sind. In dem Innenläufer ist ein Hohlraum ausgebildet, in dem ein Schlagkolben ver­ schiebbar geführt ist. In den Hohlraum mündet nahe seinen axialen Enden je­ weils mindestens ein Steuerkanal, und die an den entgegengesetzten Enden befindlichen Steuerkanäle werden während der Rotation abwechselnd mit einem zwischen der Außenkontur des Innenläufers und der Innenkontur des Außenläufers sich bildenden Verdichtungsraum und sich bildenden Saugraum verbun­ den. Mit diesem Drehkolbenschlagwerk wird ohne Steuerventile für die Preßluft­ zufuhr ein langer Flugweg für den Schlagkolben und eine hohe Schlagenergie erzielt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schlagwerk der eingangs genann­ ten Art so weiterzubilden, daß eine wesentliche Leistungssteigerung bei einer kleineren Bauweise, höherer Funktionssicherheit, einfachem Antrieb und einfa­ chem Aufbau erreicht wird.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hiernach ist vorgesehen, daß in dem Hohlraum in dessen von dem Werkzeug abgekehrten hinteren Endbereich ein Federmechanismus ausgebildet ist, der die Bewegungs­ energie des sich zurückbewegenden Schlagkolbens speichert und mit Umkehr der Bewegungsrichtung des Schlagkolbens die gespeicherte Energie zum Bewe­ gen des Schlagkolbens in Vorwärtsrichtung an diesen abgibt.

Mit diesen Maßnahmen wird die Energie des Schlagkolbens bei seiner Rück­ wärtsbewegung ausgenutzt, um ihn anschließend in seiner Vorwärtsbewegung anzutreiben. Es ergibt sich dadurch bei relativ kurzem Hub des Schlagkolbens ein günstiger Bewegungsablauf des Schlagkolbens für die Betätigung des Werkzeugs, wie Versuche und Simulationen bewiesen haben.

Vorteilhaft wird die Energiespeicherung und Rückübertragung auf den Schlag­ kolben dadurch erzielt, daß der Federmechanismus mittels einer in dem hinteren Abschnitt des Hohlraums befindlichen, bei der Rückwärtsbewegung des Schlag­ kolbens komprimierten Luftsäule gebildet ist. Dadurch ergibt sich auch eine gute Vibrationsdämpfung während des Schlagbetriebs. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, daß der Federmechanismus mittels einer metallischen Feder gebildet ist. Auch andere Federmechanismen, z. B. mit Kunststoff- oder Gummielementen sind denkbar.

Im Laufe der Untersuchungen hat sich gezeigt, daß eine gute Energieausbeute bei relativ leichtem, kompaktem Aufbau dadurch erzielt werden kann, daß nur ein Steuerkanal oder eine Gruppe von Steuerkanälen im vorderen Bereich des Hohlraums mündet, wobei über den Steuerkanal oder die Gruppe der Steuerka­ näle beim Entstehen des Verdichtungsraums am Eingang des Steuerkanals oder der Gruppe der Steuerkanäle Luft zum Rückwärtstreiben des Schlagkolbens in den vorderen Bereich des Hohlraums eingepreßt wird und beim Entstehen des Saugraums am Eingang dieses Steuerkanals oder dieser Gruppe der Steuerka­ näle Luft durch diese(n) aus dem vorderen Bereich des Hohlraums abgesaugt wird. Dabei wird die Vorwärtsbewegung des Schlagkolbens großenteils durch den Federmechanismus bewirkt und durch die Saugwirkung während der Bil­ dung des Saugraums im Bereich des Steuerkanaleingangs unterstützt. Das Einpressen von zusätzlicher Druckluft über einen Steuerkanal hinter dem Flugkolben ist dabei nicht erforderlich.

Ein Einpressen von Druckluft während der Vorwärtsbewegung zusätzlich zu der Federwirkung kann dadurch bewirkt werden, daß die Luft aus dem Verdich­ tungsraum durch mindestens einen Steuerkanal an der zugekehrten Teilfläche der Außenkontur des Innenläufers vor oder hinter dem Schlagkolben oder einem gleitend gelagerten Abschnitt desselben in den Hohlraum eingepreßt wird, während die Luft durch mindestens einen weiteren Steuerkanal an einer radial versetzten Teilfläche der Außenkontur des Innenläufers hinter oder vor dem Schlagkolben oder dem gleitend gelagerten Abschnitt desselben abgesaugt wird.

Eine impulsähnliche Preß- und Ansaugwirkung durch die Druckluft im Hohlraum des Innenläufers kann dadurch erzeugt werden, daß in dem rotierenden Innen­ läufer eine feststehende, zur Rotationsachse des Innenläufers konzentrische, in den Hohlraum eingepaßte Hülse angeordnet ist, die auf den mindestens einen Steuerkanal und den mindestens einen weiteren Steuerkanal abgestimmte Boh­ rungen aufweist.

Ein Ausführungsbeispiel und weitere Gestaltungsmöglichkeiten sowie verschie­ dene Funktionsweisen gehen aus der nachfolgenden Beschreibung der Figuren hervor. Es zeigen:

Fig. 1 ein in einem Schlagbohrgerät eingebautes Schlagwerk im Quer­ schnitt mit einem Steuerkanal im vorderen Bereich des Hohlraums,

Fig. 2 ein ähnliches Schlagwerk wie in Fig. 1, wobei jedoch zusätzlich im hinteren Bereich des Hohlraums ein Steuerkanal vorgesehen ist,

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Schlagwerk im Quer­ schnitt, bei dem in dem Hohlraum eines Innenläufers eine fest­ stehende Hülse mit einer mit den Steuerkanälen in Deckung bring­ baren Bohrung vorgesehen ist,

Fig. 3a eine abgewandelte Ausführungsform des Schlagwerks nach Fig. 3 mit feststehender Hülse,

Fig. 3b und 3c eine weitere abgewandelte Ausführungsform des Schlagwerks nach Fig. 3 mit feststehender Hülse,

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Schlagwerk, bei dem nur eine Steuerbohrung im vorderen Abschnitt des Hohlraums und eine feststehende Hülse mit einer entsprechenden Bohrung vorgesehen sind, und

Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Schlagwerks, bei dem am Ende des Hohlraumes des Innenläufers eine Druckplatte vorge­ sehen ist.

In Fig. 1 ist ein Schlagwerk im Längsschnitt und im Querschnitt dargestellt, das in der prinzipiellen Funktion weitgehend dem Schlagwerk gemäß der von dem selben Anmelder stammenden DE 42 16 071 A1 entspricht. Bei diesem Schlag­ werk verändert sich bei der Rotation eines Innenläufers 1.1 und eines Außen­ läufers 2.1 das Volumen von zwischen diesen gebildeten Kammern 3 und 4 ab­ wechselnd in seiner Größe. Beim sogenannten Leerlaufschlag, d. h. bei der Ro­ tation des Innenläufers 1.1 und des Außenläufers 2.1 und der gleichzeitigen vorderen Endstellung des Schlagbolzens 10 strömt die Luft abwechselnd aus der Kammer 3 über ein oder mehrere Steuerkanäle 5.1 und 6 durch ein oder mehrere Ringkanäle 7 im Schlagkolben 11.1 über ein oder mehrere Steuerkanäle 8 und 9.1 in die Kammer 4 und in umgekehrter Reihenfolge entsprechend der Erzeugung eines Ansaugraums und Verdichtungsraums wieder zurück. Dabei findet keine Hin- und Herbewegung des Schlagkolbens 11.1 statt. Um den Schlagkolben 11.1 in Bewegung zu versetzen, wird die Verbindung und somit der Luftaustausch zwischen den Kammern 3 und 4 unterbrochen. Dies ge­ schieht, indem während des Leerlaufschlages oder vor dem Einschalten der Ma­ schine der Schlagbolzen 10 durch einen Bohrer, Meißel oder ein anderes Werk­ zeug in Richtung seiner hinteren Endstellung geschoben wird. Durch die Ver­ schiebung des Schlagkolbens 11.1 nach hinten bewegen sich der oder die Ringkanäle 7 aus dem Bereich der Steuerkanäle 5.1, 6, 8 und 9.1. Die Luft aus der sich verkleinernden Kammer 3 strömt nun über ein oder mehrere Steuerkanäle 5.1, 6 und 12 in eine weitere Kammer 13. Der dabei entstehende Überdruck in der Kammer 13 beschleunigt den Schlagkolben 11.1 nach hinten. Dabei ver­ dichtet sich die Luft in einer weiteren Kammer 15.1. Der Schlagkolben 11.1 wird in seiner Rückwärtsbewegung abgebremst, angehalten und nach vorn be­ schleunigt. Wenn der Schlagkolben 11.1 auf den Schlagbolzen 10 aufschlägt gibt der Schlagkolben 11.1 seine Bewegungsenergie als Schlagenergie über den Schlagbolzen 10 an das Werkzeug weiter. Der Vorgang kann von neuem begin­ nen. Der Schlagvorgang endet, wenn die Maschine abgestellt wird oder der Schlagkolben 11.1 nach vorne bewegt und die Verbindung zwischen den Kam­ mern 3 und 4 über seinen oder seine Ringkanäle 7 wieder hergestellt wird und somit in den Leerlaufschlag gelangt. Luftverluste in der weiteren Kammer 15.1 können mittels eines Rückschlagventils 19 und/oder einer Belüftungsbohrung 16.1 ausgeglichen werden.

Um eine optimale Füllung und Entleerung der Kammern 3 und 4 mit Luft zu er­ reichen, können ein oder mehrere weitere Rückschlagventile 20 (vgl. Fig. 2) und/oder ein oder mehrere weitere Be- und Entlüftungsbohrungen 16 und/oder 17 angebracht werden, die entweder ständig geöffnet (17) oder nur teilweise (16) geöffnet sind. Eine sich vor dem Schlagkolben 11.1 befindliche Kammer 11.1.1 verändert sich während der Hin- und Herbewegung des Schlagkolbens 11.1 in ihrem Volumen und kann mit einem oder mehreren Kanälen 18 belüftet und entlüftet werden. Um Luftverluste in der Kammer 15.1 auszugleichen, kann verlorene Luft über ein oder mehrere Rückschlagventile zurückgeführt werden. Zur Abdichtung der Kammern 3 und 4 sollten zwischen den Axialabdichtteilen 1.1.2 und 1.1.3 und dem Außenläufer 2.1 jeweils mindestens eine Dichtung 21 angebracht werden. In dem Innenläufer 1.1 sollten Dichtleisten 1.1.1 ange­ bracht werden. Die Dichtleisten 1.1.1 können auch mit federnden Elementen unterstützt werden.

Für den Antrieb der Bohrwelle 22.1 kann ein Planetengetriebe 22.1.1 (Son­ derform Wolframgetriebe) verwendet werden. Der Hülsenfreilauf 22.1.2 läßt eine Drehbewegung der Bohrwelle 22.1 und somit eine Kraftübertragung für den Bohrbetrieb nur in einer Drehrichtung des Motors zu. Dreht sich der Motor in die andere Richtung, läuft der Hülsenfreilauf 22.1.2 frei mit, und die Bohrwelle 22.1 bleibt für den Meißelbetrieb stehen. Zusätzlich kann die Bohrwelle 22.1 noch in beliebiger Stellung arretiert werden. Der Antrieb und/oder die 2 : 1 Übersetzung des Außenläufers 2.1 und des Innenläufers 1.1 kann mit einer Vor­ gelegewelle 23 realisiert werden. Die Verzahnung der Vorgelegewelle sollte dabei einen ganzzahligen Modul 1 oder 2 usw. aufweisen. Um das Schlagwerk und die Bohrwelle zusammenzuhalten, können Axiallager 24.1.1 bis 24.1.4 verwendet werden, die mit einer Vorspannung von einem oder mehreren Feder­ elementen, wie z. B. Tellerfedern, die Temperaturausdehnung ausgleichen.

Fig. 2 zeigt ein von der Funktion her ähnliches Schlagwerk, wie es in der DE 42 16 071 A angegeben ist. Zusätzlich befindet sich am hinteren Ende ein federn­ des Element 15.2, das vorliegend als Luftfeder ausgebildet ist.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Schlagwerk. Bei diesem Schlagwerk befindet sich in dem Innenläufer ein nicht rotierendes Bauteil 1.3, z. B. eine Hülse in Form eines Zylinderrohrs, in welchem am hinteren Ende ein federndes Element 15.3.2, z. B. ebenfalls eine Luftfeder, ausgebildet ist. Die Luft aus den Kammern 3 und 4 strömt nur bei der Überlagerung der Bohrung 5.3 und/oder 9.3 des rotierenden Innenläufers mit den Bohrungen 5.3.1 und/oder 9.3.1 des stehenden Bauteils 1.3 in die Kammer 27 und/oder 28 ein. Dadurch wird in den Kammern 3 und 4 jeweils abwechselnd ein Überdruck und/oder ein Unterdruck erzeugt. Da der Überdruck und/oder der Unterdruck in den Kammern 3 und 4 höher sein kann, kann auch die Geschwindigkeit des Schlagkolbens erhöht werden. Diese Bau­ weise läßt sich auf alle hier beschriebenen Verfahren gemäß den Fig. 1 bis 5 an­ wenden.

In Fig. 3a ist eine Abwandlung des Schlagwerks nach Fig. 3 mit nur einer Bohrung bzw. einem Steuerkanal 5.3 wie in Fig. 1 gezeigt. Dadurch wird so­ wohl die Einströmung als auch die Ausströmung wegen der feststehenden Bohrung 5.3.1 bei Überlagerung impulsartig über denselben, auf der dem Werk­ zeug zugekehrten Seite angeordneten Steuerkanal 5.3 bewirkt. Dabei können, wie Fig. 3a zeigt, der Steuerkanal 5.3 sowie die mit diesem zusammenarbeiten­ de feststehende Bohrung 5.3.1 beidseitig vorgesehen sein. Die Luft strömt dabei abwechselnd in die beiden Kammern 3 und 4 ein und aus diesen aus. Da­ durch tragen beide Kammern zur Bewegung des Schlagkolbens 11 bei, wobei sie entsprechend, aber phasenverschoben (im vorliegenden Fall um 180°) auf den Schlagkolben 11 zum Rückwärtsbewegen und Vorwärtsbewegen einwirken.

Bei einer vollen Umdrehung des Innenläufers 1.1 wird dadurch der Schlagkolben 11 zweimal vor und zurück bewegt.

Bei dem Ausführungsbeispiel in den Fig. 3b und 3c ist eine der beiden fest­ stehenden Bohrungen als feststehender Ausströmkanal 5.3.1' ausgebildet und in Umfangsrichtung entgegen der Rotationsrichtung gegenüber der diametralen Gegenseite der anderen feststehenden Bohrung 5.3.1 versetzt, die ihrerseits als feststehender Einströmkanal ausgebildet ist. Die Position, die Ausdehnung und die Form der feststehenden Bohrungen 5.3.1 bzw. 5.3.1' bestimmen so im Zu­ sammenwirken mit den Kanälen 5.3 bzw. 5.3' die Steuerzeitpunkte und -zeit­ dauern des Ein- und Ausströmens der Luft. Damit ist eine Abstimmung und Op­ timierung des Schlagwerkes in Verbindung mit seinen übrigen Komponenten und im Hinblick auf evtl. Einsatzbedingungen möglich. Fig. 3c ist eine ver­ größerte Querschnittsdarstellung dieses Aufbaus.

Es ist noch darauf hinzuweisen, daß auch andere Drehzahlverhältnisse zwischen Innenläufer 1.1 und Außenläufer 2.1, wie 2 : 3, 3 : 4, denkbar sind, wobei jeweils eine Trochioden-Form vorliegt.

Fig. 4 zeigt ein Schlagwerk gemäß Fig. 3, jedoch mit nur einem Steuerkanal 5.4.

Fig. 5 zeigt ein Schlagwerk gemäß Fig. 1, bei dem jedoch am hinteren Ende des Hohlraums 15.5 des Innenläufers 1.1 eine Druckplatte 26 angeordnet ist. Mit deren Hilfe ist es möglich, eine Massenausgleichsbewegung zum Schlagkolben 11 herzustellen. Dies kann über eine hier nicht bildlich dargestellte Umlenkung geschehen, die aus der Rückwärtsbewegung der Druckplatte 26 eine Vorwärts­ bewegung einer Ausgleichsmasse, z. B. des Motors macht.

Claims (7)

1. Schlagwerk für ein schlagend oder drehschlagend arbeitendes Werkzeug mit einem rotierend angetriebenen Außenläufer und einem in diesem achsparallel und exzentrisch angeordneten, mit einer Relativgeschwindig­ keit zum Außenläufer rotierend angetriebenen Innenläufer, in dessen Hohlraum ein hin und her verschiebbarer Schlagkolben geführt ist, wobei in dem Hohlraum ein oder mehrere Steuerkanäle münden, die während der Rotation abwechselnd mit einem zwischen der Außenkontur des In­ nenläufers und der Innenkontur des Außenläufers sich bildenden Verdich­ tungsraum und sich bildenden Saugraum verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Hohlraum (2.8) in dessen von dem Werkzeug abgekehrten hinteren Endbereich ein Federmechanismus ausgebildet ist, der die Bewe­ gungsenergie des sich zurückbewegenden Schlagkolbens (11.1) speichert und mit Umkehr der Bewegungsrichtung des Schlagkolbens (11.1) die ge­ speicherte Energie zum Bewegen des Schlagkolbens (11.1) in Vorwärts­ richtung an diesen abgibt.

2. Schlagwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Federmechanismus mittels einer in dem hinteren Abschnitt des Hohlraums befindlichen, bei der Rückwärtsbewegung des Schlagkolbens (11.1) komprimierten Luftsäule gebildet ist.

3. Schlagwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Federmechanismus mittels einer metallischen Feder gebildet ist.

4. Schlagwerk nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Steuerkanal (5.1, 5.3, 5.3') oder eine Gruppe von Steuer­ kanälen im vorderen Bereich des Hohlraums (2.8) mündet, wobei über den Steuerkanal (5.1) oder die Gruppe der Steuerkanäle beim Entstehen des Verdichtungsraums am Eingang des Steuerkanals (5.1, 5.3, 5.3') oder der Gruppe der Steuerkanäle Luft zum Rückwärtstreiben des Schlag­ kolbens (11.1) in den vorderen Bereich des Hohlraums eingepreßt wird und beim Entstehen des Saugraums am Eingang dieses Steuerkanals (5.1, 5.3, 5.3') oder dieser Gruppe der Steuerkanäle Luft durch diese(n) aus dem vorderen Bereich des Hohlraums abgesaugt wird.

5. Schlagwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft aus dem Verdichtungsraum durch mindestens einen Steuer­ kanal an der zugekehrten Teilfläche der Außenkontur des Innenläufers (1.1) vor oder hinter dem Schlagkolben (11.1) oder einem gleitend gela­ gerten Abschnitt desselben in den Hohlraum eingepreßt wird, während die Luft durch mindestens einen weiteren Steuerkanal an einer radial ver­ setzten Teilfläche der Außenkontur des Innenläufers (1.1) hinter oder vor dem Schlagkolben oder dem gleitend gelagerten Abschnitt desselben ab­ gesaugt wird.

6. Schlagwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem rotierenden Innenläufer (1.1) eine feststehende, zur Rota­ tionsachse des Innenläufers (1.1) konzentrische, in den Hohlraum einge­ paßte Hülse angeordnet ist, die auf den mindestens einen Steuerkanal (5.3) und den mindestens einen weiteren Steuerkanal (5.3') abgestimmte Bohrungen aufweist.

7. Schlagwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß pro Umdrehung des Innenläufers (1.1) der Schlagkolben (11) zweimal vor und zurück bewegt wird.