DE202012006485U1

DE202012006485U1 - Schlagvorrichtung

Info

Publication number: DE202012006485U1
Application number: DE201220006485
Authority: DE
Original assignee: Atlas Copco Construction Tools GmbH; Atlas Copco Construction Tools AB
Current assignee: Construction Tools GmbH; Construction Tools PC AB
Priority date: 2012-05-23
Filing date: 2012-07-05
Publication date: 2012-08-14
Anticipated expiration: 2022-07-06

Abstract

Schlagvorrichtung mit einem Schlagwerkgehäuse, das eine Aufnahmebohrung besitzt, in der ein Schlagkolben (6) längsaxial beweglich gelagert ist, wobei in der Aufnahmebohrung mindestens eine Schlagwerkführungsfläche (34, 36) mit einem Innendurchmesser und an dem Schlagkolben (6) mindestens eine Schlagkolbenführungsfläche (30, 31) mit einem Außendurchmesser ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlagwerkführungsfläche (34, 36) in axialer Richtung zumindest bereichsweise einen sich nichtlinear vergrößernden Innendurchmesser besitzt und/oder dass die Schlagkolbenführungsfläche (30, 31) in axialer Richtung einen sich nichtlinear verkleinernden Außendurchmesser besitzt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schlagvorrichtung mit einem Schlagwerkgehäuse, das eine Aufnahmebohrung besitzt, in der ein Schlagkolben längsaxial beweglich gelagert ist, wobei in der Aufnahmebohrung mindestens eine Schlagwerkführungsfläche mit einem Innendurchmesser und an dem Schlagkolben mindestens eine Schlagkolbenführungsfläche mit einem Außendurchmesser ausgebildet sind.
Druckmittelbetriebene Schlagvorrichtungen werden in Hydraulikhämmern, die insbesondere zum Zerkleinern von Gestein, Beton oder sonstigen Baustoffen dienen, und in Bohrhämmern eingesetzt, die zum Bohren von Löchern in Gestein und sonstige Baustoffe dienen. In den meisten Fällen werden sie als Zusatz- oder Anbaugeräte an Baumaschinen, wie beispielsweise Bagger, Lader, Raupenfahrzeugen oder sonstige Trägereinheiten angebaut und von diesen mit Arbeitsfluid versorgt.
Bei Hydraulikhämmern, die mit Öl als Arbeitsfluid angetrieben werden, ist das Schlagwerk über eine Druckleitung sowie eine Tankleitung hydraulisch mit der Pumpe bzw. dem Tank bspw. eines Baggers verbunden. In dem Schlagwerkgehäuse ist ein Schlagkolben geführt, der zwei entgegengerichtete Antriebsflächen aufweist, die über ein Steuerventil (Steuerschieber) so mit der Druck- oder Tankleitung verbunden werden, dass der Schlagkolben wiederholt hin- und hergehende Bewegungen ausführt, wobei er in einer Bewegungsrichtung am Ende seines Hubes, dem Schlaghub, auf ein Werkzeug wie bspw. einen Meißel, eine Bohrstange oder ein Schlagstück trifft. Im normalen Betrieb drückt das Trägergerät das Schlagwerk in Richtung des zu bearbeitenden Materials, sodass das untere Werkzeugende gegen das zu bearbeitende Material gedrückt wird.
Die durch das Auftreffen des Schlagkolbens auf das Werkzeug in das Werkzeug eingeleitete Energie bewirkt eine hohe Stoßkraft, die vom Werkzeug auf das Material übertragen wird und eine Zerstörung des Materials bewirkt.
Der Schlagkolben weist normalerweise zwei Kolbenstangen mit unterschiedlichen Durchmessern auf und einen oder mehrere zwischen den Stangen angeordnete Kolbenbunde, die jeweils zylindrische Außenmantelfläche aufweisen. Geführt wird der Schlagkolben in einer entsprechend dem Schlagkolbendurchmesser angepassten gestuften Aufnahmebohrung des Schlagwerkgehäuses, wobei die Innendurchmesser der Aufnahmebohrung im Bereich der Führungen geringfügig größer ausgeführt sind, als die entsprechenden Außendurchmesser des Schlagkolbens. Da die so gebildeten Führungsflächen jeweils eine zylindrische Form aufweisen, bildet sich an den Führungsbereichen zwischen den Bauteilen ein Spalt mit konstanter Höhe.
Befindet sich an beiden Enden des Spaltes ein Ölvolumen, so fließt abhängig vom Druckunterschied zwischen den Ölvolumina ein Ölvolumenstrom durch den Spalt. Bewegt sich der Schlagkolben in der Aufnahmebohrung des Schlagwerksgehäuses entlang seiner Symmetrieachse relativ zum Schlagwerksgehäuse, so erfolgt aufgrund der Reibung und Adhäsionskräften zwischen dem Öl und den Bauteiloberflächen zusätzlich ein Transport von Öl durch den Spalt. Aufgrund dieser Vorgänge stellt sich in dem Spalt ein Öldruck ein, der von dem Druckunterschied zwischen den Ölvolumina und der Bewegungsgeschwindigkeit des Schlagkolbens abhängig ist. Der Druck des Öls im Spalt bewirkt eine radiale, über den Umfang wirkende Kraft auf den Kolben, die ihn von der Bohrungswand weg drückt und eine zentrierende Wirkung auf den Schlagkolben ausübt.
Die Führungsflächen des Schlagkolbens und/oder die Aufnahmebohrung des Schlagwerksgehäuses können umlaufende Druckausgleichsnuten mit einer Breite und Tiefe von jeweils ungefähr 1 mm bis 3 mm aufweisen, um Öl gleichmäßig auf dem Umfang der Führungsflächen zu verteilen und so in Umfangsrichtung für einen Druckausgleich auf den Führungsflächen zu sorgen. Die Druckausgleichsnuten weisen einen Radius im Nutgrund und senkrecht zur Führungsfläche angeordnete Nutflanken auf. Dieser Druckausgleich verringert die einseitige Auslenkung des Schlagkolbens quer zu seiner Bewegungsachse, die infolge von Druckunterschieden entstehen würde.
Der Meißel des Hydraulikhammers ist über Lagerbuchsen in dem unteren Bereich des Schlagwerksgehäuse gelagert, wobei im Neuzustand ein geringes Spiel zwischen Meißel und Lagerbuchsen vorhanden ist, d. h. der Meißel kann sich geringfügig schräg stellen, wodurch die Meißelachse nicht mehr parallel zur Achse der Lagerbuchsen verläuft. Durch Verschleiß an dem Meißel und den Lagerbuchsen kann das Spiel und somit die Schrägstellung noch zunehmen. Diese Schrägstellung führt dazu, dass die Stirnseiten von Schlagkolben und Meißel nicht mehr exakt parallel zueinander ausgerichtet sind und die sich beim Aufschlag der unteren Kolbenstirnfläche auf die obere Meißelstirnfläche bildende Kontaktfläche nicht zentrisch zur Schlagkolbenachse liegt. Dadurch wird während des Aufschlags eine Kraft auf den Schlagkolben ausgeübt, die exzentrisch zur Schlagkolbenachse wirkt und eine den Schlagkolben auslenkende Querkraft erzeugt.
Teilweise werden die aufeinandertreffenden Stirnflächen des Schlagkolbens und/oder des Meißels mit Fasen versehen oder weisen eine konkave Kontur auf, die einen im Vergleich zum Meißeldurchmesser großen Radius aufweist, um die Exzentrizität bei Schiefstellung zu verringern und die Flächenpressung während des Aufschlags zu verringern.
Mit speziellen Beschichtungen auf den Führungsflächen der Bauteile, welche die Verschleißfestigkeit erhöhen sollen, wird entweder durch Erhöhung der Oberflächenhärte, durch Reduzierung der Reibung oder durch Glättung der Oberflächen versucht, den durch den Kontakt der Bauteile bedingten Verschleiß zu reduzieren. Solche Beschichtungen können bspw. diamantartige Kohlenstoffschichten, Graphitschichten oder Molybdändisulfid-Schichten sein.
In KR 10-2011-0086289 wird ein Schlagkolben beschrieben, bei dem die Innenfläche im unteren Teil des Zylinders eine Vielzahl von äquidistant beabstandeten Nuten aufweisen und bei dem die Innenfläche als schräge Fläche ausgestaltet ist, wobei sich die Bohrung fortschreitend von der obersten zur untersten Nut hin aufweitet. Die Bohrung vergrößert sich mit einem konstanten Steigungswinkel von 0,001 bis 0,5°, womit sich der Durchmesser linear zum Abstand von der oberen Nut ändert.
In Schlaghubrichtung gesehen schließt sich hinter dem eigentlichen Führungsbereich mit der sich aufweitenden Bohrung ein Bereich an, der neben einer dreieckförmigen Nut, drei Nuten zur Aufnahme von Dichtungen aufweist (s. 3 der KR 10-2011-0086289 ). Die Stege zwischen den Dichtungen sind so ausgestaltet, dass ihr Innendurchmesser dem kleinsten Durchmesser der Bohrung entspricht und somit kleiner ist, als der größte Durchmesser der sich aufweitenden Bohrung.
Nachteilig an den nach dem Stand der Technik bekannten Schlagvorrichtungen ist, dass die während des Aufschlags des Schlagkolbens aufgrund einer Schrägstellung des Meißels exzentrisch wirkende Kraft zwischen den Stirnflächen von Schlagkolben und Meißel eine Querkraft auf den Schlagkolben einwirkt, aus der eine Verschiebung quer zu der Symmetrieachse des Schlagkolbens resultiert. Eine Verschiebung kann auch durch Querbeschleunigungen des Schlagwerkgehäuses auftreten, wenn Querkräfte auf das Gehäuse wirken und es sich relativ zum Schlagkolben verschiebt. Bei einer zylindrischen Ausführung der Führungsflächen am Schlagkolben und am Schlagwerkgehäuse ist der Öldruck in dem Spalt zwischen Schlagkolben und Aufnahmebohrung oft nicht ausreichend, um einen Kontakt zwischen Schlagkolben und Schlagwerkgehäuse zu verhindern. Auch die konvexe Ausformung der Stirnflächen, die Anwendung von Druckausgleichsnuten oder die Verwendung von Bauteilbeschichtungen reichen oft nicht aus, um die Querkraft ausreichend zu reduzieren, um einen Kontakt zwischen Schlagkolben und Führungsflächen zu verhindern und den Verschleiß zu reduzieren. Wird die vom Öldruck abhängige Tragfähigkeit des Ölfilms im Spalt zwischen den Führungsflächen nämlich überschritten, kommt es zu einem Kontakt zwischen dem Schlagkolben und dem Schlagwerkgehäuse, wodurch die Führungsflächen plastisch verformt und verkratzt werden können.
Durch die zylindrische Ausführung der Führungsflächen liegt der Schlagkolben bei einer Schiefstellung, bei der die Symmetrieachse des Schlagkolbens nicht mehr parallel zur Symmetrieachse der Aufnahmebohrung des Schlagwerks verläuft, an jeweils einer Kante an, wodurch eine Kontaktstelle mit einer hohen Flächenpressung entsteht, was zu Beschädigungen und Verschleiß führt. Neben einer Schiefstellung kann sich der Kolben auch aufgrund von Querkräften verformen, sodass die Symmetrieachse nicht mehr gerade verläuft und ein oder beide Enden kurzzeitig nach außen gebogen sind.
Durch die axiale Bewegung des Schlagkolbens in Bezug zu dem Schlagwerkgehäuse tritt bei Kontakt dieser Flächen Reibung auf, wodurch Wärme erzeugt wird, die teilweise so hoch ist, dass die Bauteiloberflächen lokal verschweißen und Material an diesen Stellen aus dem einen Bauteil herausgerissen wird und an der Bauteiloberfläche des anderen Bauteils festhaftet. Wird dieses Material über die Führungsflächen gezogen, führt das anhaftende und überstehende Material zu weiteren schnell fortschreitenden Beschädigungen der Oberflächen, was zum Ausfall des Schlagwerks und zu Ölleckagen führt.
Auch bei der Schlagvorrichtung gemäß KR 10-2011-0086289 kommt nachteiliger Weise bei einer Schiefstellung des Schlagkolbens in der Bohrung der Schlagkolben an der oberen Kante der Bohrung (oberhalb der Nut (8a)) in Anlage, da der Winkel so gewählt ist, dass der Schlagkolben nicht mit den Bereichen zwischen der Nut (8a) und der Nut (32) in Kontakt kommt. Durch die Anlage an der oberen Kante ist nur eine sehr kleine Kontaktfläche zwischen dem Schlagkolben und der Bohrung vorhanden, wodurch hohe Flächenpressungen entstehen, die zu entsprechenden Beschädigungen und Verschleiß an den Kontaktflächen von Kolben und Bohrung führen.
Durch den im Vergleich zum größten Innendurchmesser der Bohrung kleineren Innendurchmesser der Stege im Bereich der Dichtungen, kommt bei einer Schiefstellung des Schlagkolbens in dem Gehäuse oder bei einer Verformungen des Schlagkolbens der Schlagkolben an den Stegen zur Anlage. Dadurch werden die Führungsflächen des Schlagkolbens und die Stegflächen beschädigt.
Der Spalt zwischen der Bohrung und dem Schlagkolben soll ferner als Dichtspalt wirken, der verhindern soll, dass Öl in großen Mengen durch den Spalt und zu einer hinter dem Spalt liegenden Druckentlastungsnut strömt. Die Drosselwirkung des Dichtspaltes soll bewirken, dass die in der Nut 33 auftretenden Druckspitzen, die sich in den Spalt fortpflanzen, nicht am Ende des Spaltes in voller Höhe auf die Dichtungen 31 einwirken. Durch die stetige Aufweitung der Bohrung über ihre ganze axiale Erstreckung, wird die Drosselwirkung der Führung nachteilig reduziert, was zu einem hohen Leckagevolumenstrom und dem Vorliegen von hohen Druckspitzen an den Dichtungen führt. Der hohe Leckagevolumenstrom verschlechtert den Wirkungsgrad des Hydraulikhammers.
Darüber hinaus wird durch den nicht vorhandenen zylindrischen Bereich der Bohrung, welcher einen konstanten Durchmesser aufweisen würde, die Tragfähigkeit des Ölfilms reduziert, der sich in dem Spalt bildet, was zu einem Kontakt zwischen dem Schlagkolben und der Bohrung führt und zu Beschädigungen und Verschleiß der Führungsflächen führt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die oben genannten Nachteile zu beheben und einen radialen Kontakt zwischen dem Schlagkolben und dem Schlagwerkgehäuse weitestgehend zu vermeiden. Weiterhin soll der Ölleckagevolumenstrom durch den Spalt der Führungsflächen reduziert werden. Insbesondere soll der Verschleiß an den Führungsflächen und an den Stegen zwischen den Dichtungen verhindert werden.
Diese Aufgabe wird durch die Schlagvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst, wonach erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass die Schlagwerkführungsfläche in axialer Richtung zumindest bereichsweise einen sich nichtlinear vergrößernden Innendurchmesser besitzt und/oder das die Schlagkolbenführungsfläche in axialer Richtung einen sich nichtlinear verkleinernden Außendurchmesser besitzt. Um die Tragfähigkeit des Ölfilms im Spalt zwischen den Führungsflächen zu erhöhen, werden die Führungsflächen des Schlagkolbens oder des Schlagwerkgehäuses demnach so ausgeführt, dass ein Teilbereich der Mantelfläche zumindest einer Führungsfläche einen zumindest zu einem Ende der Führungsfläche hin, in axialer Richtung nichtlinear vergrößernden Innendurchmesser oder verkleinernden Außendurchmesser aufweist. Vorzugsweise ist die Vergrößerung des Innendurchmessers oder die Verkleinerung des Außendurchmessers parabelförmig ausgestaltet.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird verhindert, dass die Schlagkolbenführungsfläche bei einer Schrägstellung des Schlagkolbens in der Aufnahmebohrung oder einer Verformungen in Kontakt mit den Bereichen der Bohrung in Kontakt kommt und Beschädigungen und Verschleiß auftritt.
Wenn sich bei einer nicht-zylindrischen Schlagwerkführungsfläche der Schlagkolben in Richtung auf den sich verengenden Spalt hin bewegt, bzw. bei einer nicht-zylindrischen Schlagkolbenführungsfläche der Schlagkolben in Richtung des sich erweiternden Spaltes hin bewegt, erfolgt aufgrund der Reibung zwischen Öl und Bauteiloberflächen ein Transport des Öls in den sich verengenden Spaltes hinein. Dadurch steigt der Öldruck in dem sich verengenden Spalt gegenüber einer rein zylindrischen Ausführung deutlich an, was auch einen Druckanstieg in dem anschließenden Bereich mit konstanter Spalthöhe bewirkt. Dieser erhöhte Öldruck sorgt dafür, dass eine ausreichende radiale Kraft auf den Schlagkolben wirkt und die Tragfähigkeit des Ölfilms deutlich gesteigert worden ist und nun ausreichend ist, um ihn auf Abstand zum Schlagwerkgehäuse zu halten. Da kein Kontakt mehr zwischen den sich bewegenden Bauteilen auftritt, werden der Verschleiß und die Beschädigungen der Führungsflächen wirksam reduziert, bzw. vermieden und die Standzeit des Schlagwerks erhöht.
Versuche haben gezeigt, dass eine nichtlineare und insbesondere eine parabelförmige Durchmesseränderung wesentlich wirkungsvoller einen Kontakt zwischen dem Schlagkolben und dem Schlagwerk vermeidet, als eine lineare Durchmesseränderung und somit durch die nichtlineare oder parabelförmige Durchmesseränderung der Verschleiß der Bauteile deutlicher reduziert wird kann als bei einer linearen Durchmesseränderung.
Insbesondere im Rückhub, nachdem der Schlagkolben nach dem Aufschlag auf den Meißel eine Querkraft erfährt, wird durch die nichtlineare Durchmesseränderung die Ausbildung eines tragfähigeren Schmierfilms erreicht, wodurch die Beschädigungen der Führungsflächen, der unteren Kolbenstange und der der entsprechenden Führungsfläche des Schlagwerkgehäuses verhindert werden.
Ähnlich wirkungsvoll ist die Durchmesseränderung an den Schlagkolbenführungsflächen, bei der beide Enden des jeweiligen Kolbenbundes mit einem, im Vergleich zum mittleren zylindrischen Bereich, reduzierten Durchmesser ausgeführt sind. Dadurch weisen die Kolbenbunde eine annähernd tonnenförmige Außenkontur auf, die in beiden Bewegungsrichtungen für eine erhöhte Tragfähigkeit des Schmierfilms sorgt. Bei mehreren Kolbenbunden ist es auch möglich jeweils nur die zu den Kolbenstangen zeigenden Enden der äußeren Kolbenbunde mit einem sich verkleinernden Durchmesser zu versehen.
Auf die Anwendung von aufwendigen, teuren und teilweise umweltschädlichen Beschichtungen kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung verzichtet werden.
Durch die nur über eine begrenzte axiale Länge der Führungsfläche sich erstreckenden Bereich mit sich veränderndem Durchmesser verbleibt ein zylindrischer Bereich mit einem konstanten Durchmesser und einer geringen Spalthöhe, wodurch der Leckagevolumenstrom durch den Spalt, im Vergleich zu einer Ausführung, bei der sich der Durchmesser über die gesamte Länge der Führungsfläche verändert, reduziert und die Höhe der durch den Spalt weitergeleiteten Druckspitzen verringert wird. Insbesondere an den Schlagwerkführungsflächen führt eine Durchmesservergrößerung nur innerhalb eines Teilbereiches zu einer Reduzierung des Leckagevolumenstromes und der Druckspitzen.
Zusätzlich wird durch den sich erweiternden Durchmesser erreicht, dass sich bei einer Schiefstellung des Schlagkolbens im Gehäuse, bei der die Achse des Schlagkolbens nicht mehr parallel zur Achse der Führung verläuft oder bei Verformungen des Schlagkolbens, bei der die Enden der Kolbenstangen nach außen gebogen werden, der Schlagkolben nicht nur an den eckigen Innenkanten der Führungsflächen des Schlagwerksgehäuses, bzw. den eckigen Außenkanten der Führungsflächen des Schlagkolbens zur Anlage kommt, wodurch eine punkt- bzw. linienförmige Kontaktstelle entstehen würde, sondern die Kontaktstelle in einem Bereich liegt, in dem sich der Durchmesser geringfügig ändert. Im Falle eines sich parabelförmig ändernden Durchmessers, wird ein sanfter Übergang vom zylindrischen Bereich zum Bereich mit vergrößerndem Durchmesser gebildet. Dadurch entsteht eine größere Kontaktfläche ohne Kante, was die Flächenpressung und damit den Verschleiß erheblich reduziert.
Der maximal mögliche Winkel zwischen den Symmetrielinien des Schlagkolbens und der Aufnahmebohrung lässt sich nicht exakt festlegen, da sich einerseits aufgrund von nicht vermeidbaren Fertigungstoleranzen das Spiel zwischen dem Kolben und der Aufnahmebohrung von Schlagwerk zu Schlagwerk ändern kann und sich weiterhin der Winkel während der axialen Kolbenbewegung ändert. Allgemein ergibt sich die maximale theoretisch mögliche Schrägstellung des Schlagkolbens aus dem Spiel zwischen der Aufnahmebohrung und dem Schlagkolben, aber auch aus dem axialen Abstand der beiden Kontaktpunkte zwischen dem Schlagkolben und der Aufnahmebohrung. Wäre beispielsweise die Lage des oberen Kontaktpunktes durch die Oberkante des oberen Schlagkolbenbundes definiert und der untere durch die obere Kante der Führungsfläche des Schlagwerkgehäuses zur Führung der unteren Stange, so würde sich der obere Kontaktpunkt mit dem Schlagkolben mitbewegen, der untere jedoch zum Schlagwerksgehäuse fixiert bleiben, wodurch sich der axiale Abstand der Kontaktpunkte bei einer axialen Bewegung des Schlagkolbens verändert, was die maximale Schrägstellung ebenfalls verändert. Zu erkennen wäre eine Winkelveränderung, wenn die Kontaktpunkte mit eine geraden Linie verbunden wären. Bewegt sich der Kolben bei der oben beschriebenen Lage der Kontaktpunkte in Schlaghubrichtung nach unten, so verringert sich die Länge der Linie, aber der Winkel zur Symmetrieachse der Aufnahmebohrung vergrößert sich. Somit ist es nicht möglich eine lineare Durchmesseränderung an einer Führungsfläche so auszuführen, dass die Fläche im Bereich der linearen Durchmesseränderung ständig über ihre gesamte Länge trägt. Ändert sich der Winkel, wandert die Kontaktstelle zu einem Ende der Führungsfläche, wodurch eine Kante die Kontaktstelle an dieser Führungsfläche bildet. Bei einer nichtlinearen und insbesondere bei einer parabelförmigen Durchmesseränderung trägt bei entsprechender Auslegung immer der verrundete, nichtlineare bzw. parabelförmige Bereich.
Durch den im Vergleich zu der benachbarten Schlagwerkführungsfläche größeren Durchmesser im Bereich der Stege zwischen den Dichtungsnuten und zwischen der Dichtungsnut und der Druckausgleichsnut, bzw. dem Schlagraum werden Beschädigungen und Verschleiß der Flächen der Stege und des Schlagkolbens verhindert, da der Schlagkolben hier nicht mehr zur Anlage kommen kann.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden sowie in den Unteransprüchen beschrieben.
Nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Innendurchmesser der Schlagwerkführungsfläche zu mindestens einem der Enden hin einen sich nichtlinear vergrößernden Durchmesser aufweist. Vorzugsweise führt eine solche Schlagwerkführungsfläche eine Kolbenstange, wobei der Innendurchmesser der Schlagwerkführungsfläche zu dem äußeren Ende der Kolbenstange hin einen sich nichtlinear vergrößernden Durchmesser aufweist.
Schlagwerke der beschriebenen Art können eine oder mehrere Schlagwerkführungsflächen aufweisen, wobei nicht alle Schlagwerkführungsflächen eines Schlagwerks die erfindungsgemäße Ausgestaltung aufweisen müssen. Es ist auch möglich, dass bei einer Ausführungsform mit zwei oder mehr voneinander beabstandeten Schlagwerkführungsflächen nur eine oder ein Teil der Schlagwerkführungsflächen die erfindungsgemäßen Merkmale besitzen. Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße Ausgestaltung zumindest an der Führung der unteren Kolbenstangen angewendet, wo ein Teilbereich der Führungsfläche des Schlagwerkgehäuses einen sich parabelförmig vergrößernden Durchmesser aufweist, wobei sich der Durchmesser zum unteren Ende der Führung hin vergrößert und ein tangentialer Übergang zu dem Bereich mit konstantem Durchmesser gebildet wird. Die Kolbenstange ist im Bereich der Führungsfläche zylindrisch ausgeführt. Eine parabelförmige Durchmesservergrößerung bedeutet dabei, dass sich der Durchmesser nicht linear, sondern überproportional zum axialen Abstand von der Oberkante der Führung bzw. von dem Übergang des zylindrischen zum sich erweiternden Führungsbereich vergrößert. Bei einem Querschnitt durch die Mittelachse der Führung stellt der Verlauf der Innenkante der Führungsfläche im Schlagwerksgehäuse teilweise eine parabelförmige Linie dar.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schlagwerkführungsfläche mehrere Teilbereiche besitzt, wobei ein Teilbereich einen sich nichtlinear vergrößernden Innendurchmesser aufweist, der in einen Teilbereich mit einem konstanten Innendurchmesser übergeht. Ferner ist vorzugsweise an dem den größten Durchmesser aufweisenden Ende des Teilbereichs ein Teilbereich mit einen sich linear erweiternden Innendurchmesser angeordnet und an dem den kleinsten Durchmesser aufweisenden Ende des Teilbereiches ist ein Teilbereich mit einem konstanten Durchmesser vorgesehen.
Schließlich ist nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Schlagwerkführungsfläche vorgesehen, dass beidseitig Teilbereiche angeordnet sind, die in unterschiedlicher Orientierung sich nichtlinear erweiternde Teilbereiche besitzen, wobei die Teilbereiche vorzugsweise über einen Teilbereich mit konstantem Durchmesser miteinander verbunden sind.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung von Führungsflächen ist nicht nur bei Schlagwerkführungsflächen sondern auch bei Schlagkolbenführungsflächen vorgesehen. Vorzugsweise weist der Schlagkolben hier mindestens eine Kolbenstange und mindestens einen Kolbenbund auf, dessen Außenflächen als Schlagkolbenführungsflächen ausgebildet sind. Mit anderen Worten wird die erfindungsgemäße Ausführungsform auch an der Führungsfläche des oder der Kolbenbunde angewendet, wobei die Führungsfläche im Schlagwerkgehäuse zylindrisch ausgeführt ist, aber die Führungsfläche zumindest eines Kolbenbundes und zumindest zu einem Ende hin, einen sich verkleinernden Durchmesser aufweist. Vorzugsweise verkleinert sich der Durchmesser in axialer Richtung gesehen parabelförmig und mit einem tangentialen Übergang zu einem Bereich mit konstantem Durchmesser. Weist die Führungsfläche des Kolbenbundes an beiden Seiten einen sich parabelförmig verkleinernden Durchmesser auf, was vorzugsweise vorgesehen ist, weisen die Kolbenbunde eine annähernd tonnenförmige Außenkontur auf.
Anders ausgedrückt weist vorzugsweise zumindest eine Schlagkolbenführungsfläche auf der dem Werkzeug abgewandten Seite einen äußeren Teilbereich auf, der einen sich nichtlinear verkleinernden Außendurchmesser besitzt, der vorzugsweise parabelförmig verläuft und/oder vorzugsweise in einen Teilbereich mit einem konstanten Durchmesser übergeht. Hierbei kann die Schlagkolbenführungsfläche zwei äußere Teilbereiche aufweisen, die in unterschiedlicher Orientierung sich nichtlinear verkleinernde Außendurchmesser aufweisen, die vorzugsweise parabelförmig verlaufen. Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass zwischen den äußeren Teilbereichen ein Teilbereich mit einem konstanten Durchmesser angeordnet ist.
Darüber hinaus ist nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass das Schlagwerk eine Schlagwerkführungsfläche aufweist, die eine Kolbenstange führt, wobei ein Werkzeug mit dem äußeren Ende der Kolbenstange beaufschlagbar ist, und wobei der Innendurchmesser der Schlagwerkführungsfläche einen Teilbereich mit konstantem Durchmesser und zu dem äußeren Ende der Kolbenstange hinzeigend, einen Teilbereich mit einem sich parabelförmig vergrößernden Durchmesser aufweist und das zumindest eine Schlagkolbenführungsfläche einen Teilbereich mit konstantem Durchmesser und auf der dem Werkzeug abgewandten Seite einen äußeren Teilbereich aufweist, der einen parabelförmig verkleinernden Außendurchmesser aufweist.
Weiterhin ist der Innendurchmesser der Stege innerhalb der Aufnahmebohrung für den Schlagkolben im Bereich der Dichtungen und der Druckausgleichsnut größer ausgeführt, als der kleinste Innendurchmesser des Führungsbereiches für die Kolbenstange und vorzugsweise größer als der größte Durchmesser des Führungsbereiches ausgelegt.
Hiernach schließt sich an die Schlagwerkführungsfläche mindestens ein Bereich an, in dem umlaufende Nuten angeordnet sind, wobei die Stege zwischen den Nuten und der Bereich zwischen einer Nut und einem dahinter angeordneten Raum einen Innendurchmesser aufweisen, der größer ist als der kleine Innendurchmesser des Führungsbereichs.
Konkrete Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
1 und 2: schematische Darstellungen eines Schlagwerks mit einem Schlagkolben,
3 bis 7: unterschiedliche Ausführungen von Schlagwerkführungsflächen,
8 und 9: unterschiedliche Darstellungen einer Schlagkolbenführungsfläche,
10: eine Detailansicht eines Schlagwerks und
11a bis 11d: unterschiedliche Detailansichten von Druckausgleichsnuten.
Die Funktionsweise einer hydraulischen Schlagvorrichtung ist in den 1 und 2 schematisch dargestellt. Über eine Druckleitung 1 sowie eine Tankleitung 2 ist das Schlagwerk 3 hydraulisch mit der Pumpe 4 bzw. dem Tank 5 eines Trägergerätes, bspw. eines Baggers verbunden. Auf dem Bagger befinden sich ein Ventil, mit dem die Leitung 1 zur Pumpe verbunden werden kann, um dem Schlagwerk zum Betrieb Drucköl zuzuführen oder die Verbindung getrennt werden kann, um den Betrieb des Schlagwerks zu stoppen. Zur Verbesserung der Übersichtlichkeit ist dieses Ventil nicht dargestellt.
Das Schlagwerk 3 besteht aus einem Schlagwerkgehäuse, in dem ein Schlagkolben 6 geführt ist. Das Schlagwerkgehäuse kann aus mehreren über Schrauben verbundenen Bauteilen bestehen, wie einem Zylinderdeckel, einem Zylinder und einer Meißelaufnahme, in dem der Meißel 7 über Lagerbuchsen 8 gelagert ist. Dargestellt ist nur die vereinfachte innere Kontur der Aufnahmebohrung des Schlagwerkgehäuses, in dem der Schlagkolben 6 geführt ist. In 2 sind durch horizontale Strich-Punkt-Linien beispielhaft die möglichen Trennstellen zwischen dem Zylinderdeckel und dem Zylinder bzw. zwischen dem Zylinder und der Meißelaufnahme gekennzeichnet. Eine solche Trennung ist auch erforderlich, um den Schlagkolben in die Aufnahmebohrung einzusetzen. Zwischen den Strich-Punkt-Linien befindet sich der Zylinder.
Im normalen Betrieb drückt das Trägergerät das Schlagwerk in Richtung des zu bearbeitenden Materials 9, sodass sich das Schlagwerk über den im Gehäuse angeordneten Meißelanschlag 10 an einer Anlagefläche 11 des oberen Meißelendes abstützt und das untere Meißelende gegen das zu bearbeitende Material gedrückt wird.
Während des normalen Betriebs schlägt der hydraulisch angetriebene Schlagkolben 6 am Ende jeden Schlaghubs auf das sich im Schlagwerk befindliche Ende des Meißels und überträgt seine kinetische Energie auf den Meißel. Die in den Meißel eingeleitete Energie bewirkt eine hohe Stoßkraft, die vom Meißel auf das Material übertragen wird und seine Zerstörung bewirkt.
Der Schlagkolben 6 besitzt zwei Kolbenstangen 15, 16 zwischen denen zwei Kolbenbunde 17, 18 angeordnet sind. Die Kolbenbunde 17, 18 bilden jeweils auf der zu der jeweiligen Stange zeigenden Seite entgegengerichtete, ringförmige Antriebsflächen 19, 20, die aufgrund unterschiedlicher Stangendurchmesser unterschiedliche Flächeninhalte aufweisen. Die untere Antriebsfläche 20, über die bei Druckbeaufschlagung der Rückhub ausgelöst wird, während dem sich der Schlagkolben nach oben, vom Meißel weg bewegt, ist ständig mit dem Pumpendruck beaufschlagt, der in der Druckleitung 1 während des Betriebs herrscht. Die obere Antriebsfläche 19, über die mittels Druckbeaufschlagung der Schlaghub ausgelöst wird während dem sich der Schlagkolben zum Meißel hin bewegt, wird abhängig von der Stellung eines Steuerventils 21 mit dem Pumpendruck beaufschlagt oder zum Tank entlastet, indem eine Verbindung entweder mit der Druckleitung oder Tankleitung hergestellt wird. Der Schlaghub ist möglich, da die obere ringförmige Antriebsfläche 19 einen größeren Flächeninhalt aufweist als die untere Fläche 20, so dass bei einer Beaufschlagung beider Flächen mit dem Pumpendruck eine resultierende, zum Meißel gerichtete Kraft auf den Schlagkolben 6 wirkt. Der sich bewegende Schlagkolben 6 verdrängt beim sogenannten Schlaghub das von der kleinen, unteren Antriebsfläche verdrängte Öl in Richtung der größeren oberen Antriebsfläche 19 des Schlagkolbens 6, zu der auch das von der Pumpe 4 kommenden Öl fließt. Beim Rückhub fließt das Öl von der Pumpe 4 ausschließlich in Richtung der flächenkleineren unteren Antriebsfläche 20, wohingegen das Öl von der flächengrößeren oberen Antriebsfläche 19 über eine Rücklaufdrossel 22, die für einen ruhigen Lauf des Hammers sorgt, zum Tank 5 abgeführt wird.
Das Schlagwerk besitzt einen Gasspeicher 23, nämlich einen unter Gasdruck stehenden Raum, in den die obere Stange 15 des Kolbens hineinragt. Der Gasdruck in diesem Raum übt auf den Kolben eine in Richtung des Schlaghubes wirkende zusätzliche Kraft aus. Die andere, untere Stange ragt in einen sogenannten Schlagraum 29 herein, der mit der Atmosphäre verbunden ist.
Das Steuerventil 21, das sich vorzugsweise im Zylinderdeckel, dem Zylinder oder einem an dem Zylinderdeckel oder Zylinder befestigten Ventilblock befindet, verbindet je nach Schaltstellung die flächenmäßig größere obere Antriebsfläche 19 entweder mit der Druckleitung 1, so dass dort der Betriebsdruck anliegt oder entlastet während des Rückhubs diese Fläche über die Tankleitung 2, zum Tank 5.
Auch das Steuerventil 21 kann ähnlich zum Schlagkolben zwei Antriebsflächen besitzen, wobei eine erste Fläche 38, die Rückstellfläche, über die Druckleitung konstant mit dem Pumpendruck beaufschlagt ist und eine dieser entgegengerichte, flächengrößere zweite Fläche 37, die Steuerfläche, wahlweise mit dem Pumpendruck beaufschlagt oder zum Tank 5 entlastet wird. Durch die unterschiedliche Größe der beiden Flächen kann das Steuerventil bei entsprechender Druckbeaufschlagung der Flächen in eine seiner Endlagen verschoben werden.
Die Steuerfläche 37 ist an eine Umsteuerleitung 24 angeschlossen, die so in die Aufnahmebohrung 25 einmündet, in der der Schlagkolben 6 geführt ist, dass sie abhängig von der Position des Schlagkolbens 6 mit dem Pumpendruck beaufschlagt oder zum Tank 5 entlastet wird. In der unteren Umkehrposition, in der der Schlagkolben wie in der 1 dargestellt im normalen Betriebszustand auf das Werkzeug trifft, wird die Einmündung der Umsteuerleitung 24 über eine zwischen den Kolbenbunden angeordnete Umfangsnut 26 mit einer ebenfalls in die Aufnahmebohrung einmündenden Tankleitung 27 verbunden, in der ein niedriger Druck herrscht, wodurch die Steuerfläche des Steuerventils zum Tank 5 entlastet wird und das Steuerventil eine erste Endlage (Rückhubposition) einnimmt, da auf der Rückstellfläche des Steuerschiebers der hohe Pumpendruck ansteht und eine entsprechende Rückstellkraft erzeugt. Die Tankleitungen 2, 27 werden innerhalb des Schlagwerks zusammengeführt und münden in einen gemeinsamen Tank des Trägergerätes, der hier der Übersichtlichkeit halber als zwei Tanks dargestellt ist. In der Rückhubposition verbindet das Steuerventil über die Wechseldruckleitung 28 die obere Antriebsfläche 19 des Schlagkolbens mit der Tankleitung 2. Aufgrund des auf der unteren Antriebsfläche 20 des Schlagkolbens konstant anstehenden Pumpendrucks, wird der Schlagkolben entgegen der Schlaghubrichtung nach oben verschoben. Über eine Rücklaufdrossel 22 strömt das von der oberen Kolbenantriebsfläche 19 verdrängte Öl gedrosselt zum Tank, wodurch im Rückhub ein für einen ruhigen Lauf erforderliches Druckniveau auf der oberen Antriebsfläche aufrecht gehalten wird.
Bewegt sich der Schlagkolben 6 während des Rückhubs aus der unteren Umkehrposition nach oben, so verdeckt der untere Kolbenbund 18 zuerst die in die Aufnahmebohrung mündende Umsteuerleitung 24, um sie nach einem Kolbenweg, der den Nenn-Kolbenhub darstellt, nahe des oberen Umkehrpunktes zur unteren Antriebskammer 39 freizugeben. Da die untere Antriebskammer an die Druckleitung 1 angeschlossen ist, in der der Pumpendruck ansteht, wirkt dieser Pumpendruck nun auch in der Umsteuerleitung 24 und auf die Steuerfläche 37 des Steuerventils 21. Da die Steuerfläche 37 flächenmäßig größer ist als die Rückstellfläche 38, wirkt trotz gleichen Drucks auf beiden Flächen eine resultierende Kraft auf das Steuerventil, die es in die andere Endlage (Schlaghubposition) schaltet. Das Steuerventil verbindet nun über die Wechseldruckleitung 28 die obere Antriebsfläche 19 des Schlagkolbens mit der Druckleitung 1. Da die obere Antriebsfäche 19 flächenmäßig größer ist als die untere Antriebsfläche 20, wirkt trotz gleichen Drucks auf beiden Flächen eine resultierende Kraft auf den Schlagkolben, die ihn in Schlaghubrichtung und auf den Meißel beschleunigt. Während des Schlaghubs verdeckt der Kolben wieder die Umsteuerleitung und verbindet diese, wie oben beschrieben, über die Umfangsnut 26 wieder mit der Tankleitung 27, kurz bevor der Kolben auf den Meißel trifft. Anschließend erfolgt wieder ein Rückhub usw.
In der dargestellten Ausführung weist der Schlagkolben eine obere Kolbenstange 15, eine untere Kolbenstange 16 und zwei Kolbenbunde 17, 18 auf, zwischen denen eine Umfangsnut 26 angeordnet ist. Es ist auch möglich nur einen oder auch mehr als zwei Kolbenbunde zu verwenden und anstelle der Umfangsnut axial auf der Stange oder einem Kolbenbund oder mehreren Kolbenbunden angeordnete Nuten zu verwenden, oder radiale Bohrungen. Die Umfangsnut, Nuten oder Bohrungen sind erforderlich, um Steuerungsfunktionen zu übernehmen, wobei abhängig von der Position des Schlagkolbens relativ zum Schlagwerksgehäuse die im Schlagwerkgehäuse befindlichen umlaufenden Nuten oder Bohrungen über die auf dem Schlagkolben befindlichen Nuten oder Bohrungen miteinander verbunden oder getrennt werden.
Der Schlagkolben oder die Zylinderbohrung des Gehäuses können umlaufende Druckausgleichsnuten aufweisen, um Öl gleichmäßig auf der Mantelfläche des Kolbens zu verteilen und so für einen Druckausgleich in Umfangsrichtung auf der Mantelfläche zu sorgen.
Geführt wird der Schlagkolben über die Schlagkolbenführungsflächen 30 und 31 auf den Kolbenbunden 17, 18 und über die die Schlagkolbenführungsflächen 32 und 33 auf den Stangen 15 und 16, die einen etwas geringeren Außendurchmesser aufweisen als die Innendurchmesser der entsprechenden Schlagwerkführungsflächen 34 und 36 zur Führung der Stangen und der Schlagwerkführungsfläche 35 zur Führung der Kolbenbunde 17 und 18.
Weist der Schlagkolben mehr als zwei Führungsstellen auf, so lässt sich durch entsprechende Wahl der Innen- und Außendurchmesser der jeweiligen Führungsflächen festlegen, welche Führungsstellen die maximale Schrägstellung des Schlagkolbens in der Aufnahmebohrung begrenzen und welche maximale Schrägstellung zugelassen wird.
Die Aufnahmebohrung in dem Schlagwerkgehäuse kann – wie dargestellt – direkt die Schlagwerksführungsflächen für den Schlagkolben darstellen, es können aber alternativ auch hülsenförmige Führungsbuchsen verwendet werden, die mit geringem Spiel um den Schlagkolben angeordnet sind und mit ihren äußeren Mantelflächen in der Aufnahmebohrung des Schlagwerkgehäuses eingesetzt sind. Werden solche Führungsbuchsen zur Führung der Kolbenstangen eingesetzt, so können diese gleichzeitig umlaufende Nuten auf der inneren Mantelfläche aufweisen, in welche Dichtungen eingesetzt sind, um das Austreten von Gas oder Arbeitsfluid entlang der Kolbenstangen zu verhindern.
Die Aufnahmebohrung weist im Bereich der Führung der unteren Kolbenstange 16 umlaufende Nuten auf. Die unterhalb der Schlagwerkführungsfläche 36 angeordnete Druckentlastungsnut 40 ist an die Tankleitung 2 angeschlossen, um Öl, welches von der unteren Antriebskammer kommend durch den Führungsspalt zwischen der Schlagkolbenführungsfläche 33 und Schlagwerkführungsfläche 36 hindurchströmt, zum Tank abzuführen.
Unterhalb der Druckentlastungsnut ist eine Dichtungsnut 41 angeordnet, in der sich eine nicht dargestellte Dichtung befindet, um den Austritt von Arbeitsfluid aus der unteren Antriebskammer in den Schlagraum 29 hinein zu verhindern. Zusätzlich zu der Dichtungsnut 41 können noch eine oder mehrere Dichtungsnuten unterhalb der Druckentlastungsnut zur Aufnahme einer zweiten Dichtung und zur Aufnahme eines Abstreifers angeordnet sein der den Eintritt von Schmutz aus dem Schlagraum in den Führungsbereich verhindert. Zwischen den Dichtungsnuten kann zusätzlich noch eine Druckentlastungsnut vorgesehen sein.
Die Druckentlastungsnut kann auch über eine Drossel an die Tankleitung oder die Druckleitung angeschlossen werden. Durch diese Druckentlastungsnut soll verhindert werden, dass die in der unteren Antriebskammer auftretenden Druckspitzen, die den Nenn-Betriebsdruck übersteigen können, auf die Dichtungen einwirken, was zu Beschädigung der Dichtungen führen könnte.
Eine ähnliche Anordnung von Dichtungsnuten und Druckausgleichsnuten wird auch an der oberen Kolbenstange 15 angewendet, ist jedoch der Übersichtlichkeit halber, nicht dargestellt. Um den Führungsflächen an der oberen Kolbenstange während des Schlaghubs Öl zuzuführen, kann zwischen den Führungsflächen und der Dichtungen eine Druckentlastungsnut angeordnet sein, die entweder mit der Druckleitung oder der Tankleitung verbunden ist.
Der Innendurchmesser der Bohrung im Stegbereiche 42 (2) zwischen der Druckentlastungsnut und der Dichtungsnut und der Bohrung im Stegbereiche 43 (2) zwischen der Dichtungsnut und dem Schlagraum, ist größer ausgeführt, als der größte Durchmesser im Bereich der Führungsfläche 36 und vorzugsweise 0,2 mm bis 0,5 mm größer gewählt ist, als der kleinste Durchmesser der Schlagwerkführungsfläche 36. Dadurch wird verhindert, dass die Schlagkolbenführungsfläche 33 bei einer Schrägstellung des Schlagkolbens in der Aufnahmebohrung oder Verformungen in Kontakt mit diesen Bereichen der Bohrung in Kontakt kommt und Beschädigungen und Verschleiß auftritt.
Eine gleichartige Ausführung kann an der oberen Kolbenstange angewendet werden, bei welcher der Durchmesser von Stegbereichen an Dichtungsnuten und Druckentlastungsnuten, die zwischen dem Führungsbereich 34 und dem Gasraum 23 angeordnet sind, im Durchmesser größer ausgeführt werden als der größte Durchmesser des Führungsbereiches.
Aufgrund geringer Durchmesserunterschiede zwischen der jeweiligen Schlagkolbenführungsfläche und der ihr gegenüberliegende Schlagwerkführungsfläche entsteht bei konzentrischer Lage des Schlagkolbens zur Aufnahmebohrung entlang der Führungsflächen ein Spalt zwischen Schlagkolben und Schlagwerkgehäuse. Der Durchmesser der Schlagwerkgehäuseführungsfläche 34 ist so ausgeführt, dass sich der Innendurchmesser dieser Führungsfläche nach oben hin, d. h. zum oberen Ende der Schlagwerkführungsfläche hin vergrößert, wobei ein erster sich in axialer Richtung erstreckender Bereich einen konstanten Durchmesser aufweist und somit einen zylindrischen Führungsbereich darstellt. Der sich daran anschließende zweite Bereich weist einen sich parabelförmig vergrößernden Durchmesser auf, d. h. der Durchmesser verändert sich in dem zweiten Bereich nicht linear zum axialen Abstand von der Unterkante der Führung, bzw. von dem Übergang des zylindrischen zum sich erweiternden Führungsbereich, sondern überproportional.
Bei einem Querschnitt durch die Mittelachse der Führung ergibt der Verlauf der Innenkante der Schlagwerkführung im Bereich des sich erweiternden Führungsbereiches eine parabelförmige Linie, mit tangentialem Übergang zum zylindrischen Bereich.
Die Schlagwerkführungsfläche 36 zur Führung der unteren Kolbenstange 16 ist ähnlich ausgeführt, wobei sich der Durchmesser zum unteren Ende der Schlagwerkführungsfläche hin vergrößert.
Der Durchmesser der Schlagkolbenführungsfläche 30 an dem Bund 17 ist ebenfalls mit einem sich ändernden Durchmesser ausgeführt, wobei sich der Durchmesser von einem mittleren Bereich der Führungsfläche aus, zu beiden Enden des Kolbenbundes hin parabelförmig verringert. Dadurch weist der Bund eine im Wesentlichen tonnenförmige Außenkontur auf.
In allen Fällen wird durch den sich in axialer Richtung verändernden Durchmesser einer Führungsfläche ein Spalt zwischen den Führungsflächen erzeugt, der eine sich verändernde Spalthöhe aufweist, wobei sich die Spalthöhe zumindest zu einem Ende der Führungsfläche hin vergrößert. Durch die im Schlagwerk angeordneten Umfangsnuten, die hydraulisch angebunden sind und mit Öl gefüllt sind, ist der Spalt zwischen den Führungsflächen ebenfalls mit Öl gefüllt.
Damit die Schlagkolbenführungsflächen und die entsprechende Schlagwerkführungsfläche nicht übermäßig verschleißen, was durch Kontakt zwischen den Führungsflächen auftreten kann, ist es erforderlich, dass sich zwischen den Führungsflächen ein ausreichend tragfähiger Öl-Schmierfilm ausbildet. Der Schmierfilm soll den Schlagkolben möglichst in der Aufnahmebohrung zentrieren und radial auf den Schlagkolben wirkende Kräfte aufnehmen, um eine reibungsarme und verschleißarme Bewegung des Schlagkolbens in der Aufnahmebohrung zu ermöglichen, ohne dass es zu einem direkten Kontakt zwischen dem Schlagkolben und den Schlagwerkgehäuse kommt.
Liegt bei einer zylindrischen Ausführung der Schlagkolbenführungsfläche und der Schlagwerkführungsfläche ein Spalt mit einer konstante Höhe vor, so kann vor allem bei niedrigen Relativgeschwindigkeiten, starken mechanischen Querbeschleunigungen des Schlagkolbens oder des Schlagwerkgehäuse oder anderen Querkräften, die Tragfähigkeit des Schmierfilms überschritten werden. Wird die Tragfähigkeit überschritten, so entsteht ein Kontakt zwischen den Führungsflächen, wodurch schneller Verschleiß der Komponenten auftritt, was zum schnellen Ausfall des Schlagwerks führt.
Bewegen sich zwei gegenüberliegende Führungsflächen, die an beiden Enden Ölvolumina in Form von Nuten aufweisen gegeneinander, so bleibt an den Oberflächen der Führungsflächen Öl aufgrund der Adhäsionskräfte haften. Das anhaftende Öl wird mitgerissen und teilweise in den Spalt zwischen den Führungsflächen transportiert. Aufgrund von Kohäsionskräften innerhalb des Öls wird teilweise auch Öl, welches sich etwas von den Oberflächen beabstandet befindet, ebenfalls in den Spalt hineintransportiert.
Bewegt sich der Schlagkolben in der Aufnahmebohrung des Schlagwerksgehäuses während des Rückhubs nach oben, so bleibt an der Schlagkolbenführungsfläche 33 Öl aufgrund der Adhäsionskräfte und von Reibung haften und wird vom Schlagkolben mitgerissen. Das mitgerissene Öl wird in den sich verengenden Spalt gefördert. Die Adhäsion und Reibung zwischen dem Öl und der Schlagwerkführungsfläche wirken einem Zurückfließen des Öls in Richtung Druckausgleichsnut 40 entgegen, wodurch sich in dem Spalt ein Druck aufbaut.
Der Druckverlauf innerhalb des Spaltes ist von dem Druckunterschied zwischen den Ölvolumina vor und hinter dem Spalt, der Geometrie der Führungsflächen und der Bewegungsgeschwindigkeit des Schlagkolbens abhängig. Der Druck des Öls im Spalt bewirkt eine radiale, über den Umfang wirkende Kraft auf den Kolben, welche eine Zentrierung des Schlagkolbens in der Aufnahmebohrung bewirkt.
Da das Druckniveau durch die oben beschriebene Ausführung der Geometrie der Führungsflächen im Vergleich zu rein zylindrischen Führungsflächen angehoben wird, nimmt die Tragfähigkeit des Ölfilms im Spalt zu, da der Öldruck eine stärkere radiale Kraft auf den Schlagkolben ausübt, um ihn auf Abstand zum Schlagwerkgehäuse zu halten. Ein Kontakt zwischen Schlagkolben und Schlagwerkgehäuse wird wirkungsvoll verhindert und der Verschleiß der Bauteile wesentlich reduziert.
Zusätzlich wird durch den sich parabelförmig erweiternden Durchmesser des Schlagwerkführungsfläche 36 erreicht, dass sich bei eine Schiefstellung des Schlagkolbens, bei der die Achse des Schlagkolbens nicht mehr parallel zur Achse der Aufnahmebohrung des Schlagwerkgehäuses verläuft, die untere Kolbenstange nicht nur an der unteren Innenkante der Schlagwerkführung 36 zur Anlage kommt, wodurch eine punkt- bzw. linienförmige Kontaktstelle entstehen würde, sondern an einer größeren Fläche zur Anlage kommt. Diese größere Kontaktfläche entsteht durch die parabelförmige Geometrie, durch welche die Kolbenstange an einer leicht gewölbten Fläche der Schlagwerkführungsfläche zur Anlage kommt. Dadurch werden die Flächenpressung und der Verschleiß an der Kontaktstelle deutlich reduziert.
Eine wie oben beschriebene überproportionale Durchmesseränderung kann an allen Führungsflächen 30, 31 des Schlagkolbens und an den Schlagwerkführungsflächen 34, 35, 36 ausgeführt werden, wobei es möglich ist, eine Durchmesseränderung nur an einer Seite des Spaltes vorzusehen, wie es an den Führungsflächen 34 und 36 dargestellt ist oder an beiden Seiten der Führungsfläche, wie es am Kolbenbund 17 gezeigt ist. Wird die Durchmesseränderung an den Schlagkolbenführungsflächen vorgesehen, so wird die Durchmesseränderung so ausgeführt, dass der Außendurchmesser zumindest zu einem Ende der Führungsfläche hin abnimmt, im Gegensatz zu der Durchmesseränderung an den Schlagwerkführungsflächen, an denen der Innendurchmesser zumindest zu einem Ende hin zunimmt.
Der Kolbenbund 18 ist in 1 mit konstantem Durchmesserdargestellt und stellt den Stand der Technik dar, wobei dieser Kolbenbund analog zum Bund 17 ebenfalls mit einen veränderlichen Durchmesser ausgeführt werden kann.
Unabhängig von der Ausführung der Durchmesseränderung können die äußeren Enden der Führungsbereiche sowie die Übergänge zwischen den zylindrischen Führungsbereichen und den Bereich mit erweitertem Durchmesser mit Radien versehen sein, wodurch scharfe Kanten, bzw. eckige Übergänge an Durchmesseränderungen vermieden werden (in 1 und 2 nicht dargestellt).
Auch der Verschleiß der Führungsflächen des Meißels 7 und der Lagerbuchsen 8 kann durch parabelförmige Durchmesseränderungen an den Innenführungsflächen der Lagerbuchsen reduziert werden. Die Durchmesser an dem jeweils zu einem Meißelende zeigenden Ende der Lagerbuchsen vergrößern sich vorzugsweise parabelförmig, mit abnehmendem Abstand zu dem jeweiligen Ende der Lagerbuchse. Bei einer Schrägstellung des Meißels in den Buchsen, liegt der Meißel nicht mehr an den jeweils äußeren Kanten der Lagerbuchsen an, sondern an dem Bereich mit sich parabelförmig vergrößerndem Durchmesser, was die Kontakffläche vergrößert und die Flächenpressung und den Verschleiß reduziert.
3 zeigt eine Ausgestaltung der Schlagkolbenführungsfläche 33 und der Schlagwerkführungsfläche 36, wobei die Darstellung einen Schnitt durch die Schlagkolbenachse zeigt und nur jeweils eine Hälfte der zur Schlagkolbenachse symmetrischen Konturen dargestellt sind. Die Konturen geben nur einen in Richtung der Schlagkolbenachse begrenzten Ausschnitt wieder.
Die horizontale Koordinatenachse 47 entspricht der Symmetrieachse des Schlagkolbens und der Aufnahmebohrung des Schlagwerkgehäuses. Der vertikale Abstand zwischen der horizontalen Koordinatenachse und den dicken Konturlinien der Schlagkolbenführungsfläche 33, bzw. der Schlagwerkführungsfläche 36 stellt den Radius des Schlagkolbens, bzw. der Aufnahmebohrung des Schlagwerkgehäuses dar.
Auf der horizontalen Koordinatenachse ist die axiale Erstreckung des Führungsbereiches und auf der vertikalen Achse der Durchmesser dargestellt. Die Radien, die Durchmesser, die Durchmesseränderung, die Spalthöhe, die axiale Erstreckung der Führungsflächen und die Position des Übergangs vom zylindrischen Bereich zum sich erweiternden Bereich entsprechen nicht den in der Praxis sinnvollen Werten, sondern sind zur besseren Darstellung des Erfindungsgedankens nicht maßstabsgetreu wiedergegeben.
Die obere dicke Linie zeigt die Kontur der Schlagwerkführungsfläche 36 zwischen der unteren Antriebskammer 39 und der Druckentlastungsnut 40. Innerhalb eines axialen Bereiches Z ist die Schlagwerkführungsfläche zylindrisch ausgeführt, d. h. der Durchmesser DZ, bzw. der Abstand der Linie zur horizontalen Koordinatenachse ist bis zum Übergangspunkt 46 konstant. Innerhalb des Bereiches L nimmt der Durchmesser der Schlagwerkführungsfläche 36 linear zum Abstand vom Übergangspunkt 46 hin zu und erreicht am Ende der Schlagwerkführungsfläche seinen maximalen Wert DM.
Die untere dicke Linie stellt die Kontur der Schlagkolbenführungsfläche 33 dar und weist den Durchmesser DK auf, der zumindest innerhalb des Bereiches der Schlagwerkführungsfläche 36 konstant ist.
Die Spalthöhe ergibt sich aus der Hälfte der Differenz der Durchmesser der Schlagwerkführungsfläche und der Schlagkolbenführungsfläche und ist im Bereich Z mit H gekennzeichnet und erreicht am rechten Ende der Schlagwerkführungsfläche den maximalen Wert HM.
Die Konturen der Bereiche außerhalb der Schlagwerkführungsfläche, wie die der Druckentlastungsnut 40 oder der unteren Antriebskammer 39 sind hier nicht dargestellt und können Durchmesser aufweisen, die größer als der Durchmesser DM bzw. DZ sind.
Der Schlagkolben weist auch seitlich des dargestellten Bereiches zumindest über eine begrenzte Länge einen konstanten Durchmesser DK auf.
Der Pfeil 44 kennzeichnet die Bewegung des Schlagkolbens, während derer die dargestellte Ausführung der Führungsflächen eine Verbesserung der Tragfähigkeit des Schmierfilms bewirkt. Der Schlagkolben bewegt sich parallel zur horizontalen Koordinatenachse, in Richtung auf den sich verengenden Spalt 49 zu. Aufgrund der Adhäsionskräfte und Reibung bleibt Öl an der Oberfläche der Schlagkolbenführungsfläche haften und wird in Pfeilrichtung 45 mitgeschleppt. Kohäsionskräfte innerhalb des Öls sorgen dafür, dass auch Öl mitgeschleppt wird, das sich weiter weg von der Schlagkolbenführungsfläche befindet. Nahe der Schlagkolbenführungsfläche ist die Geschwindigkeit mit der sich das Öl in Pfeilrichtung bewegt hoch, nimmt aber mit größer werdendem Abstand zur Schlagkolbenführungsfläche hin ab. Da die Spalthöhe in Pfeilrichtung abnimmt, staut sich das so mitgeschleppte Öl in dem Spalt, was zu einem Anstieg des Drucks führt, der die Tragfähigkeit des im Spalt befindlichen Ölfilms und die zentrierende Wirkung aufgrund der durch den Öldruck erzeugten radial auf den Schlagkolben wirkenden Kraft erhöht.
Bei der Ausführungsform nach 4 ist der Durchmesser der Schlagwerkführungsfläche 36 nicht linear zum Abstand vom Übergangspunkt 46 vergrößert, an dem der zylindrische Bereich Z endet, sondern überproportional, wodurch sich ein parabelförmiger Verlauf innerhalb des Bereiches P mit einem tangentialen Übergang im Bereich Z ergibt.
Die Durchmesseränderung im Bereich P ergibt sich aus: D(a) = DZ + (k·a²), mit

DZ: = Durchmesser der Schlagwerkführungsfläche im zylindrischen Bereichs der Führungsfläche,
k: = Konstanter Faktor, der abhängig von der axialen Erstreckung des erweiterten Führungsbereiches P gewählt wird. Dieser Faktor beeinflusst, wie stark sich der Durchmesser pro axialer Lageänderung a verändert.
a: = axialer Abstand einer senkrecht zur Symmetrieachse liegenden Ebene zum Übergangspunkt 46, wobei die Ebene innerhalb des Bereiches P liegt.

Die Länge des Bereiches P dividiert durch die Gesamtlänge des Führungsbereiches (Z + P) beträgt bei der dargestellten Ausführung 0,5. Der Führungsbereich kann auch einen durchgehend parabelförmig vergrößernden Durchmesser aufweisen, jedoch hat sich ein Verhältnis von 0,3 bis 0,9, vorzugsweise von 0,5 bis 0,7 als bevorzugte Ausführung herausgestellt.
Der Betrag der Differenz zwischen dem Durchmesser DZ im Bereich Z mit konstantem Durchmesser und dem Durchmesser DM am Ende des Bereiches, an dem die Durchmesseränderung ihr Maximum erreicht, beträgt 0,01 mm bis 0,08 mm, vorzugsweise 0,02 mm bis 0,05 mm.
Der Faktor k kann nach der Formel k = (DM – DZ)/(P²) berechnet werden, wenn die axiale Länge P des Bereiches mit veränderlichem Durchmesser und die maximale Durchmesseränderung (DM – DZ) vorgegeben ist.
Bei der Ausführungsform nach 5 werden die Ausgestaltungen nach 3 mit denen der 4 kombiniert. An dem Bereich Z mit konstantem Durchmesser der Schlagwerkführungsfläche schließt sich ab dem Übergangspunkt 46 ein Bereich L mit einem sich linear vergrößernden Durchmesser bis zum zweiten Übergangspunkt 50 an, ab dem sich ein Bereich P mit sich parabelförmig vergrößerndem Durchmesser anschließt.
Der Übergang zwischen dem zylindrischen zum linear sich vergrößernden Durchmesser kann im Bereich des Übergangspunktes 48 mit einem Radius versehen werden, sodass in dem Verlauf der Kontur keine Ecke, bzw. Kante entsteht, sondern sich ein tangentialer Übergang ergibt.
Es ist auch möglich die Durchmesseränderung des Führungsbereiches so auszuführen, dass sich an den Bereich Z mit konstantem Durchmesser der Schlagwerkführungsfläche ab dem Übergangspunkt 48 ein Bereich P mit parabelförmig vergrößerndem Durchmesser und ab dem zweiten Übergangspunkt 50 ein Bereich L mit linear vergrößerndem Durchmesser anschließt.
6 zeigt eine weitere konkrete Ausführungsform einer Schlagwerkführungsfläche. Diese Ausführung entspricht der in 4 dargestellten, jedoch ist hier die Lage der Schlagkolbenführungsfläche 33 gezeigt, die sich ergibt, wenn der Schlagkolben in der Aufnahmebohrung so weit schief steht, bis die Schlagkolbenführungsfläche zur Anlage an die Schlagwerksführungsfläche kommt. Bei einer solchen Schiefstellung verläuft die Symmetrieachse 52 des Schlagkolbens, die hier als Strich-Punkt-Linie dargestellt ist, nicht mehr parallel zur Symmetrieachse 47 der Aufnahmebohrung des Schlagwerkgehäuses, die durch die horizontale Koordinatenachse dargestellt ist, und der rechts dargestellte Bereich der Schlagkolbenführungsfläche verschiebt sich in Richtung des Pfeils 63 auf die Schlagwerkführungsfläche 36 zu. Die Schrägstellung führt dazu, dass es zu einem Kontakt zwischen den Schlagkolbenführungsflächen und den Schlagwerkführungsflächen kommt, wobei die Schlagkolbenführungsfläche 33 der Kolbenstange 16 an dem äußeren Ende der Schlagwerkführungsfläche 36 zur Anlage kommt. Ein solcher Zustand kann beispielsweise bei außergewöhnlich hohen auf den Schlagkolben wirkenden Querkräften auftreten, bei denen die Tragfähigkeit des Schmierfilms überschritten wird oder bei niedrigen Schlagkolbengeschwindigkeiten, bei denen sich kein ausreichend tragfähiger Schmierfilm im Spalt zwischen den Führungsflächen ausbilden kann und eine exakte Zentrierung nicht mehr gegeben ist.
Durch den parabelförmigen Verlauf der Kontur der Schlagwerkführungsfläche im Bereich P, kommt es bei einer Schiefstellung nicht zu einem Kontakt der äußeren, eckigen Kante der Schlagwerkführungsfläche 36 mit der Schlagkolbenführungsfläche 33, sondern der Kontaktbereich 51 liegt in dem parabelförmigem Bereich P. Durch diese parabelförmige Verrundung im Bereich P wird die Kontaktfläche vergrößert, wodurch die Flächenpressung im Kontaktbereich erheblich reduziert wird, was Beschädigungen und den Verschleiß der Führungsflächen stark reduziert. Bei einer rein zylindrischen Ausführung der Schlagwerkführungsfläche würde die äußere spitze Kante der Schlagwerkführungsfläche zur Anlage an der Schlagkolbenführungsfläche kommen, so dass hohe Flächenpressungen und Verschleiß die Folge wären. Auch bei einer linearen Durchmesseränderung anstelle der einer parabelförmigen, wie in 3 dargestellt ist, wären am äußeren Ende der Schlagwerkführungsfläche als auch am Übergangspunkt zwischen dem zylindrischen Bereich und dem Bereich, in dem sich der Durchmesser linear zum Abstand vom Übergangspunkt ändert, eckige Kanten vorhanden, die zu hohen Flächenpressungen führen würden und somit zu Beschädigungen der Führungsflächen und zu erhöhtem Verschleiß.
Die konkrete Ausführungsform nach 7 ist der in 4 dargestellten ähnlich, jedoch weist die Schlagwerkführungsfläche 36 zu beiden Seite des zylindrischen Bereiches Z, bzw. an beiden Enden des Schlagwerkführungsbereiches, Bereiche P1 und P2 mit parabelförmig sich vergrößerndem Durchmesser auf, sodass in beiden Bewegungsrichtungen 44, 54 des Schlagkolbens 16 durch eine in axialer Richtung sich verändernde Schmierspalthöhe, eine Verbesserung der Tragfähigkeit des Schmierfilms erreicht wird. Die Längen der Bereiche P1 und P2 und die maximalen Durchmesseränderungen können den Gegebenheiten angepasst werden und können in den Bereichen P1 und P2 unterschiedliche Werte aufweisen.
Bewegt sich der Schlagkolben in Richtung des Pfeils 44, so bewirkt der parabelförmige Bereich P2 – und in der entgegengesetzten Bewegungsrichtung entsprechend Pfeil 54 der parabelförmige Bereich P1 – einen verbesserten Druckaufbau in dem Spalt zwischen den Führungsflächen, indem Öl von der Oberfläche der Schlagkolbenführungsfläche in den sich in der entsprechenden Bewegungsrichtung verengenden Spalt hineintransportiert wird. An den äußeren Enden der Führungsfläche, an denen sich die Druckausgleichsnut oder die untere Antriebskammer anschließt und der Durchmesser sich deutlich ändert, können zusätzlich Fasen 55 oder Radien 56 vorgesehen sein, die beispielhaft durch gestrichelte Linien dargestellt sind. Durch diese Fasen oder Radien wird der Einbau des Schlagkolbens in die Aufnahmebohrung des Schlagwerkgehäuses erleichtert, da sie als Einführhilfen dienen und den Schlagkolben bei geringem seitlichem Versatz zu dem Schlagwerkgehäuse zentrieren. Weiterhin verringern diese Radien oder Fasen die Gefahr, dass die ohne Radien oder Fasen vorhandenen scharfen Kanten bei Belastungen beschädigt und abplatzen würden. Die axiale Erstreckung der Fasen oder Radien ist kleiner als die axiale Erstreckung des parabelförmigen Bereiches P. Entgegen der Darstellung ist der Durchmesserunterschied innerhalb des Bereiches der Fasen oder der Radien größer als der Durchmesserunterschied innerhalb des parabelförmigen Bereiches P.
8 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Schlagkolbenführungsfläche. Hierin sind der Führungsbereich und der Schmierspalt 49 im Bereich des Kolbenbundes 17 dargestellt. Im Vergleich zu den 3 bis 7 weist bei dieser Ausführung die Schlagkolbenführungsfläche 30 eine Kontur mit einem sich veränderndem Durchmesser auf und die Schlagwerkführungsfläche 35 ist zylindrisch ausgeführt.
Dargestellt sind die Konturen der Schlagkolbenführungsfläche 30 und der Schlagwerkführungsfläche 35, wobei die Darstellung ein Schnitt durch die Schlagkolbenachse 52 ist und nur eine Hälften der zur Schlagkolbenachse 52 symmetrischen Konturen gezeigt ist. Die Konturen geben nur einen in Richtung der Schlagkolbenachse begrenzten Ausschnitt wieder.
Der vertikale Abstand zwischen der Schlagkolbenachse, bzw. Symmetrieachse 52 und den dicken Konturlinien der Schlagkolbenführungsfläche 30, bzw. der Schlagwerkführungsfläche 35 stellt den Radius des Schlagkolbens bzw. der Aufnahmebohrung des Schlagwerkgehäuses dar.
Auf der horizontalen Koordinatenachse ist die axiale Erstreckung des Führungsbereiches dargestellt. Die Radien, die Durchmesser, die Durchmesseränderung, die Spalthöhe, die axiale Erstreckung der Führungsflächen und die Position der Übergänge vom zylindrischen Bereich Z zu den sich erweiternden Bereichen P1, P2 entsprechen nicht den in der Praxis sinnvollen Werten. Vielmehr sind die Werte zur besseren Darstellung nicht-maßstabsgetreu und vergrößert abgebildet.
Die unter dicke Linie stellt die Kontur der Schlagwerkführungsfläche 35 dar, innerhalb eines Teilbereiches zwischen der oberen Antriebskammer 53 und der unteren Antriebskammer 39. Innerhalb dieses Bereiches weist die Schlagwerkführungsfläche einen konstanten Durchmesser DG auf.
Die obere dicke Linie stellt die Kontur der Schlagkolbenführungsfläche 30, im Bereich des oberen Kolbenbundes 17 dar.
Innerhalb eines mittleren axialen Bereiches Z ist die Schlagkolbenführungsfläche zylindrisch ausgeführt, d. h. der Durchmesser DZ, bzw. der Abstand der Linie zur Symmetrieachse ist bis zu den beiden Übergangspunkten 46 konstant. Innerhalb der Bereiche P1, P2 nimmt der Außendurchmesser der Schlagkolbenführungsfläche überproportional zum Abstand von den Übergangspunkten 46 hin ab und erreicht an den Enden der Schlagwerkführungsfläche seinen minimalen Durchmesser DM. Die Spalthöhe ergibt sich aus der Hälfte der Differenz zwischen dem Durchmesser der Schlagwerkführungsfläche und der Schlagkolbenführungsfläche und ist im Bereich Z mit H gekennzeichnet. An den äußeren Enden der Schlagkolbenführungsfläche nimmt die Spalthöhe den maximalen Wert HM an.
An dem rechts dargestellten Ende der Schlagkolbenführungsfläche 30 des Kolbenbundes 17 schließt sich die obere Kolbenstange 15 an, die in die obere Antriebskammer 53 hineinragt, in der die obere Antriebsfläche 19 liegt. An dem linken Ende schließt sich die Umfangsnut 26 an.
Die Durchmesseränderung in den Bereichen P1, P2 ergibt sich aus der Formel: D(a) = DZ – (k·a²), mit

DZ: = Durchmesser des zylindrischen Bereiches der Schlagkolbenführungsfläche
k: = Konstanter Faktor, der abhängig von der axialen Erstreckung des sich erweiternden Führungsbereiches P gewählt wird. Dieser Faktor beeinflusst, wie stark sich der Durchmesser pro axialer Lageänderung a verändert.
a: = axialer Abstand einer senkrecht zur Symmetrieachse liegenden Ebene zum Übergangspunkt 46, wobei die Ebene innerhalb des Bereiches P liegt.

Die Länge der Bereiche P1, P2 dividiert durch die Gesamtlänge des Führungsbereiches (Z + P1 + P2) beträgt bei der gezeigten Ausführung ca. 0,27. Ein Verhältnis der Länge des Bereiches P zur Gesamtlänge des Schlagkolbenführungsbereiches von 0,1 bis 0,4, vorzugsweise von 0,2 bis 0,3 hat sich als bevorzugte Ausführung herausgestellt.
Der Betrag der Differenz zwischen dem Durchmesser DZ im Bereich Z mit konstantem Durchmesser und dem Durchmesser DM am äußeren Ende des Bereiches P, an dem die Durchmesseränderung ihr Maximum erreicht, beträgt 0,005 mm bis 0,03 mm, vorzugsweise 0,01 mm bis 0,02 mm.
Der Faktor k ergibt sich aus k = (DZ – DM)/(P²), wenn die axiale Länge P des Bereiches mit veränderlichem Durchmesser und die maximale Durchmesseränderung (DZ – DM) vorgegeben wird.
Der Pfeil 44 kennzeichnet die Rückhubbewegung des Schlagkolbens und somit des Kolbenbundes 17 parallel zur Symmetrieachse, während derer die parabelförmige Kontur innerhalb des Bereiches P2 eine Verbesserung der Tragfähigkeit des Schmierfilms bewirkt. Aufgrund der Adhäsionskräfte bleibt in dem Spalt befindliches Öl an der Oberfläche der Schlagwerkführungsfläche, die sich relativ zum Schlagkolben bewegt, haften und wird entgegen der Pfeilrichtung 44 in den sich verengenden Schmierspalt hineingezogen, was zu einem Ansteigen des Druckes innerhalb des Spaltes führt. Dieser erhöhte Öldruck im Spalt führt zu einer verbesserten Tragfähigkeit des Öl-Schmierfilms und verbessert die zentrierende Wirkung aufgrund der durch den erhöhten Öldruck erzeugten, radial auf den Schlagkolben wirkenden Kraft. Anstelle der parabelförmigen Kontur kann die Kontur analog zu der Ausführung nach 3 auch so ausgeführt werden, dass sich der Durchmesser der Schlagkolbenführungsfläche linear zum Abstand vom Übergangspunkt 46 verändert, wobei eine parabelförmige Kontur die Tragfähigkeit des Schmierspaltes gegenüber einer linearen Kontur weiter erhöht und den Verschleiß weiter reduziert.
Die Ausführungsform nach 9 entspricht der Ausgestaltung gemäß 8, wobei hier die Lage der Schlagkolbenführungsfläche 30 dargestellt ist, die sich ergibt, wenn sich der Schlagkolben in der Aufnahmebohrung des Schlagwerkgehäuses so weit schief stellt, bis die Schlagkolbenführungsfläche 30 zur Anlage an die Schlagwerkführungsfläche 35 kommt. Bei einer solchen Schiefstellung verläuft die Symmetrieachse 52 des Schlagkolbens nicht mehr parallel zur Symmetrieachse 57 der Aufnahmebohrung des Schlagwerkgehäuses und das rechts dargestellte Ende der Schlagkolbenführungsfläche verschiebt sich in Richtung des Pfeils 63 auf die Schlagwerkführungsfläche zu. Die Schrägstellung führt zu einem Kontakt zwischen den Schlagkolbenführungsflächen und den Schlagwerkführungsflächen, wobei die Schlagkolbenführungsfläche 30 des Kolbenbundes 17 nahe der äußeren Kante des Kolbenbundes an der Schlagwerkführungsfläche 35 zur Anlage kommt. Ein solcher Zustand kann beispielsweise bei außergewöhnlich hohen auf den Schlagkolben wirkenden Querkräften auftreten, bei denen die Tragfähigkeit des Schmierfilms überschritten wird oder bei niedrigen Schlagkolbengeschwindigkeiten, bei denen sich kein ausreichend tragfähiger Schmierfilm ausbilden kann und eine exakte Zentrierung nicht mehr gegeben ist.
Bei der Darstellung sind zum Zwecke der besseren Darstellung die Schrägstellung sowie die Durchmesseränderung nicht maßstabsgetreu, sondern stark überhöht dargestellt und entsprechen nicht den in der Praxis sinnvollen Werten.
Durch den parabelförmigen Verlauf der Kontur der Schlagkolbenführungsfläche im Bereich P, bei dem sich der Durchmesser des Schlagkolbenführungsfläche zum äußeren Ende der Schlagkolbenführungsfläche hin zunehmend reduziert, kommt es bei einer Schrägstellung nicht zu einem Kontakt der äußeren eckigen Kante der Schlagkolbenführungsfläche mit der Schlagwerkführungsfläche, sondern der Kontaktbereich liegt in dem parabelförmigen Bereich P. Durch diese parabelförmige Verrundung im Bereich P wird die Kontaktfläche vergrößert, wodurch die Flächenpressung im Kontaktbereich erheblich reduziert wird, was Beschädigungen und den Verschleiß der Führungsflächen dadurch stark reduziert. Bei einer rein zylindrischen Ausführung der würde die äußere spitze Kante zur Anlage kommen, womit hohe Flächenpressungen und Verschleiß die Folge wären. Auch bei einer linearen anstelle einer parabelförmigen Durchmesseränderung, ähnlich der Kontur nach 3, wären am äußeren Ende der Schlagkolbenführungsfläche als auch am Übergangspunkt vom zylindrischen Bereich zu dem Bereich, in dem sich der Durchmesser linear zum Abstand vom Übergangspunkt reduziert, eckige Kanten vorhanden, die zu hohen Flächenpressungen führen würden und somit zu Beschädigungen der Führungsflächen und zu erhöhtem Verschleiß.
Es ist auch möglich die Durchmesseränderung an der Schlagkolbenführungsfläche, insbesondere mit einem parabelförmigen Verlauf, nur an den jeweils zu den Kolbenstangen zeigenden Enden der jeweiligen Schlagkolbenführungsflächen vorzusehen. So könnte bei der dargestellten Ausführung am Bund 17 beispielsweise nur an dem zur Stange 15 zeigenden Ende (im Bereich P2) eine Durchmesseränderung ausgeführt werden.
In 10 ist ein Ausschnitt des Schlagwerkgehäuses im Bereich der Schlagwerkführungsfläche 36 gezeigt, welche zur Führung der Kolbenstange 16 des Schlagkolbens dient. Die Strich-Punkt-Linie stellt die Symmetrielinie 52 des Schlagkolbens und der Aufnahmebohrung 25 des Schlagwerkgehäuses dar. Auf der Schlagwerkführungsfläche 36 sind in etwa gleichem Abstand zueinander umlaufende Druckausgleichsnuten 58 vorgesehen, die dafür sorgen, dass sich der in dem Spalt zwischen der Schlagwerkführungsfläche 36 und der Schlagkolbenführungsfläche herrschende Druck in Umfangsrichtung ausgleicht, sodass der auf den Kolben radial wirkende Druck keine Quer-Auslenkung des Schlagkolbens im Bezug zur Aufnahmebohrung bewirkt. Die Druckausgleichsnuten können jedoch nicht verhindern, dass bei niedriger Relativgeschwindigkeit zwischen Schlagkolben und Schlagwerk oder bei hoher auf den Schlagkolben wirkender Querkraft, ein Kontakt zwischen den Führungsflächen von Schlagkolben und Schlagwerk auftritt.
Die Schlagkolbenführungsflächen an den Kolbenbunden 17, 18 und die Schlagwerkführungsflächen können umlaufende Druckausgleichsnuten aufweisen, wobei es auch möglich ist, dass sowohl Schlagkolbenführungsflächen und auch Schlagwerkführungsflächen mit Druckausgleichsnuten ausgeführt werden. Diese Druckausgleichsnuten können auch in den Bereichen L oder P angeordnet sein, in denen sich der Durchmesser der Führungsfläche linear oder parabelförmig ändert.
Weiterhin dargestellt sind in Schlaghubrichtung gesehen eine hinter dem Führungsbereich liegende Druckentlastungsnut 40 und drei Dichtungsnuten 41.
Die 11a bis 11d zeigen Detailansichten der Druckausgleichsnuten 58. Insbesondere sind Querschnitte abgebildet, deren Schnittebene parallel zur Symmetrieachse 52 der Aufnahmebohrung 25 des Schlagwerkgehäuses verläuft. Die Darstellungen zeigen nur einen Ausschnitte aus dem Gesamtquerschnitt. Die dargestellten Druckausgleichsnuten unterscheiden sich in ihrer Querschnittsform speziell im Übergang von der Schlagwerkführungsfläche 36 zu den Nutflankenflächen 59.
Die Symmetrieachse der Aufnahmebohrung ist nicht dargestellt, verläuft aber horizontal oberhalb der dargestellten Kontur, ebenso wie die Schlagkolbenführungsfläche, die nicht dargestellt ist, aber horizontal zwischen der Symmetrieachse und der Schlagwerkführungsfläche 36 liegt.
Der Übergang von der Schlagwerkführungsfläche zu den Nutflankenflächen ist so ausgeführt, dass sich der Durchmesser der Schlagwerkführungsfläche nahe der Druckausgleichsnut mit abnehmendem Abstand zu den Nutflankenflächen hin vergrößert. Durch diese Durchmesseränderung kann der Übergang die Form einer Schräge mit linearem Verlauf und geringer Neigung, einer Schräge mit parabelförmigem Verlauf, einer Fasen oder eines Radius annehmen, wobei auch Kombinationen von Fasen oder Radien mit Schrägen möglich sind.
Die nachfolgend beschriebenen Ausführungen von Druckausgleichsnuten zeigen Druckausgleichsnuten auf der Schlagwerkführungsfläche 36. Gleiche Ausführungen lassen sich auch auf den Schlagwerkführungsflächen 34 und 35 und den Schlagkolbenführungsflächen 32 und 33 ausführen, jedoch vorzugsweise auf den Schlagkolbenführungsflächen 30 und 31.
Der Querschnitt einer Druckausgleichsnut 58 gemäß 11a in einer Ebene parallel zur Symmetrieachse der Aufnahmebohrung des Schlagwerkgehäuses, weist einen Radius R im Nutgrund auf, sodass der Nutgrund tangential in die Nutflankenflächen 59 übergeht. Der Durchmesser D der Schlagwerkführungsfläche 36 vergrößert sich geringfügig linear mit abnehmendem Abstand zu den Nutflankenflächen, sodass die Kontur der Schlagwerkführungsfläche in diesem Bereich zu beiden Seiten der Nutflankenflächen 59 jeweils eine Schräge 62 mit geringer Steigung bildet.
Die Schrägen unterstützen den Druckaufbau in dem Schmierspalt zwischen der Schlagwerkführungsfläche und der Schlagkolbenführungsfläche und verhindern weiterhin Beschädigungen der empfindlichen Nutkanten 61, da sie durch die Schrägen geringfügig zur Schlagkolbenführungsfläche beabstandet sind. Die Nut ist symmetrisch aufgebaut, sodass die Kontur der Schrägen auf beiden Seiten der Druckausgleichsnut vorhanden ist. Es kann auch nur eine Seite mit einer Schräge ausgeführt werden. Die Schrägen lassen sich auch mit einer parabelförmigen Kontur mit tangentialem Übergang zu der Schlagwerkführungsfläche ausführen.
Der Radius am Nutgrund beträgt zwischen 0,75 mm und 1,75 mm, der Abstand zwischen den Nutflanken beträgt zwischen 1,5 mm und 3,5 mm. Die Nuttiefe beträgt zwischen 0,8 mm und 3 mm.
Im Vergleich hierzu ist bei der Ausführungsform nach 11b die Durchmesseränderung wesentlich stärker ausgeprägt, wodurch an den Nutkanten Schrägen in Form von Fasen mit einer Steigung von ca. 45° vorhanden sind. Die so gebildeten Nutkanten 61 am Übergang der Schrägen zu den Nutflankenflächen sind wesentlich stabiler gegenüber Belastungen, die durch mechanischen Kontakt, Kavitation oder Strömungskräfte entstehen können. Strömungskräfte und Kavitation können auftreten, wenn Öl mit hoher Strömungsgeschwindigkeit aus dem Spalt zwischen den Führungsflächen in die Druckausgleichsnuten einströmt. Die Nuttiefe ist so gewählt, dass die Schrägen direkt in den Radius R des Nutgrunds übergehen.
Kavitation bezeichnet den Vorgang, wenn bspw. an von schnell fließendem Öl umströmten Kanten Verwirbelungen entstehen, die lokal einen starken Druckabfall erzeugen, sodass sich in dem Öl Gasblasen bilden können. Gelangen diese Gasblasen in Bereiche mit höherem Druck, kollabieren diese Gasblasen wieder, wodurch die Flüssigkeit um die Gasblasen herum sehr stark beschleunigt wird. Findet das Kollabieren der Gasblasen nahe von Bauteiloberflächen, insbesondere von eckigen Kanten statt, kann das beschleunigte Öl so hart auf die Bauteiloberflächen treffen, dass diese beschädigt werden.
Im Vergleich zur Ausführung nach 11b sind bei der Ausgestaltung nach 11c die Schrägen bzw. Fasen durch Radien R ersetzt, sodass die Nutflächen ineinander übergehen und keine eckigen Kanten mehr, sondern tangentiale Übergänge zwischen der Schlagwerkführungsfläche und den Druckausgleichsnutinnenflächen vorhanden sind. Die Radien im Nutgrund und an den Übergängen können gleich sein oder sich unterscheiden. Durch die Verrundung sind stabile Kanten und Übergänge vorhanden, die weiterhin Verwirbelungen des in die Druckausgleichsnut strömenden Öls reduzieren und so die Kavitationsneigung verringern.
Schließlich weist die Ausführungsform nach 11d im Vergleich zur Ausführung nach 11c die Druckausgleichsnut an den Übergängen 60 Absätze 63 auf, wodurch sich eine gestufte Druckausgleichsnut mit schrägen Nutflankenflächen 59 ergibt. Der Nutgrund besitzt einen Radius R. Die Übergänge zwischen den Nutflankenflächen 59 und dem Absatz 63 sind ebenfalls mit Radien versehen, sodass keine eckigen Nutkanten vorhanden sind. Durch den Absatz soll die Strömung von Öl, welches aus dem Spalt zwischen Schlagkolbenführungsfläche und Schlagwerkführungsfläche in die Druckausgleichsnut strömt, so umgelenkt werden, dass der Drall und die Strömungsgeschwindigkeit in dem Nutgrund reduziert werden und die Druckreduzierung zwischen dem Öldruck in dem Spalt und dem Öldruck in der Druckausgleichsnut stufenweise erfolgt. Der Abstand der Schlagwerkführungsfläche 36 zum Grund der Druckausgleichsnut dividiert durch den Abstand zwischen der Schlagwerkführungsfläche 36 und dem Absatz 63 beträgt 0,25 mm bis 0,5 mm.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

KR 10-2011-0086289 [0011, 0012, 0016]

Claims

Schlagvorrichtung mit einem Schlagwerkgehäuse, das eine Aufnahmebohrung besitzt, in der ein Schlagkolben (6) längsaxial beweglich gelagert ist, wobei in der Aufnahmebohrung mindestens eine Schlagwerkführungsfläche (34, 36) mit einem Innendurchmesser und an dem Schlagkolben (6) mindestens eine Schlagkolbenführungsfläche (30, 31) mit einem Außendurchmesser ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlagwerkführungsfläche (34, 36) in axialer Richtung zumindest bereichsweise einen sich nichtlinear vergrößernden Innendurchmesser besitzt und/oder dass die Schlagkolbenführungsfläche (30, 31) in axialer Richtung einen sich nichtlinear verkleinernden Außendurchmesser besitzt.
Schlagvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser der Schlagwerkführungsfläche (34, 36) zu mindestens einem der Enden hin einen sich nichtlinear vergrößernden Durchmesser aufweist.
Schlagvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlagwerkführungsfläche (34, 36) eine Kolbenstange (15, 16) führt, wobei der Innendurchmesser der Schlagwerkführungsfläche (34, 36) zu dem äußeren Ende der Kolbenstange hin einen sich nichtlinear vergrößernden Durchmesser aufweist.
Schlagvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtlineare Vergrößerung des Innendurchmessers der Schlagwerkführungsfläche (34, 36) parabelförmig ausgestaltet ist.
Schlagvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlagwerkführungsfläche (34, 36) mehrere Teilbereiche besitzt, wobei ein Teilbereich (P) einen sich nichtlinear ändernden Innendurchmesser aufweist, der in einen Teilbereich (Z) mit einem konstanten Innendurchmesser übergeht.
Schlagvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an dem den größten Durchmesser aufweisenden Ende des Teilbereiches (P) ein Teilbereich (L) mit einem sich linear erweiternden Innendurchmesser angeordnet ist und an dem den kleinsten Durchmesser aufweisenden Ende des Teilbereiches (P) ein Teilbereich (Z) mit einem konstanten Durchmesser angeordnet ist.
Schlagvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlagwerkführungsfläche (34, 36) beidseitige Teilbereiche (P1, P2) aufweist, die in unterschiedlicher Orientierung sich nichtlinear erweiternde Teilbereiche besitzen, wobei die Teilbereiche (P1) und (P2) vorzugsweise über einen Teilbereich (Z) mit konstantem Durchmesser miteinander verbunden sind.
Schlagvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlagkolben (6) mindestens eine Kolbenstange (15, 16) und mindestens einen Kolbenbund (17, 18) aufweist, dessen Außenflächen als Schlagkolbenführungsfläche (30, 31) ausgestaltet sind.
Schlagvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Schlagkolbenführungsfläche (30, 31) auf der dem Werkzeug abgewandten Seite einen äußeren Teilbereich (P2) aufweist, der einen sich nichtlinear verkleinernden Außendurchmesser aufweist, der vorzugsweise parabelförmig verläuft und/oder vorzugsweise in einen Teilbereich (Z) mit einem konstanten Durchmesser übergeht.
Schlagvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlagkolbenführungsfläche (30, 31) zwei äußere Teilbereiche (P1, P2) aufweist, die in unterschiedlicher Orientierung sich nichtlinear verkleinernde Außendurchmesser aufweisen, die vorzugsweise parabelförmig verlaufen.
Schlagvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den äußeren Teilbereichen (P1, P2) ein Teilbereich (Z) mit einem konstanten Durchmesser angeordnet ist.
Schlagvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Schlagwerk eine Schlagwerkführungsfläche (36) aufweist, die eine Kolbenstange (16) führt, wobei ein Werkzeug mit dem äußeren Ende der Kolbenstange (16) beaufschlagbar ist, und wobei der Innendurchmesser der Schlagwerkführungsfläche einen Teilbereich (Z) mit konstantem Durchmesser und zu dem äußeren Enden der Kolbenstange hin zeigend, einen Teilbereich (P) mit einen sich parabelförmig vergrößernden Durchmesser aufweist und dass zumindest eine Schlagkolbenführungsfläche (30, 31) einen Teilbereich (Z) mit konstantem Durchmesser und auf der dem Werkzeug abgewandten Seite einen äußeren Teilbereich (P2) aufweist, der einen parabelförmig verkleinernden Außendurchmesser aufweist.
Schlagvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass sich an die Schlagwerkführungsfläche (34, 36) mindestens ein Bereich anschließt, in dem umlaufende Nuten (40, 41) angeordnet sind, wobei die Stege zwischen den Nuten (40, 41) und der Bereich zwischen einer Nut (41) und einem dahinter angeordneten Raum (23, 29) einen Innendurchmesser aufweisen, der größer ist als der kleinste Innendurchmesser des Führungsbereiches (34, 36).