DE4243618A1 - Tragbares, brennkraftbetriebenes Setzgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein tragbares, brennkraftbetriebenes Arbeits­ gerät, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, insbesondere ein Setzgerät für Befestigungselemente.

Brennkraftbetriebene Arbeitsgeräte der eingangs genannten Gattung mit einer einzelnen, in der Regel zylinderförmigen Brennkammer und einem aufgrund zündungsinduzierter Verbrennung innerhalb der Brennkammer geführten und angetriebenen Kolben sind in unterschiedlichen Konstruk­ tionen bekannt, wofür unter anderem die Druckschrift US-A 4 759 318 und DE-A 40 32 207 Beispiele sein mögen. Der Kolben ist starr mit einem als Stoßwerkzeug dienenden Stößel verbunden zum Eintreiben eines Befe­ stigungselements, zum schlagenden Durchtrennen oder dergleichen Ar­ beitsaufgaben.

Bekannt sind auch mit Druckluft betriebene Setzgeräte.

In beiden Fällen sind höheren Setzenergien Grenzen gesetzt.

Für Druckluftgeräte beispielsweise liegen die zugelassenen Druckwerte aus Sicherheitsgründen bei < 13,8 bar (vgl. AINSI/ISANTA - SNT, 1983, 101). Höhere Setzenergien sind im Prinzip nur durch Vergrößerung des Kolbendurchmessers, des Kolbenhubs und somit der Gerätedimension möglich. Größere Geräte sind jedoch schwer und unhandlich. Größere Kolben wiederum erhöhen das Gerätegewicht und es lassen sich nur schwer die erforderlichen Kolbengeschwindigkeiten erreichen, die für be­ stimmte Befestigungsqualitäten erforderlich sind.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ein tragbares, brenn­ kraftbetriebenes Arbeitsgerät der eingangs genannten Gattung hinsicht­ lich der erreichbaren Setzenergien wesentlich zu verbessern, ohne gleich­ zeitig die Gerätegröße und/oder das Gerätegewicht zu erhöhen.

Die Erfindung ist bei einem tragbaren, brennkraftbetriebenen Arbeitsge­ rät, insbesondere einem Setzgerät für Befestigungselemente mit einer zy­ linderförmigen Brennkammer zur zündungsinduzierten Verbrennung ei­ nes Luft-Brennstoffgemischs und mit einem durch den Zylinder der Brennkammer geführten und aufgrund der Verbrennung antreibbaren Kolben, der einen als Stoßwerkzeug dienenden Stößel antreibt, gekenn­ zeichnet durch einen als integraler Bestandteil des Arbeitsgeräts ausge­ bildeten Druckluftspeicher, dessen von einer Druckluftquelle geladenes Druckpotential durch Umsteuerung eines Ventils die der Brennkammer abgekehrte Fläche des Kolbens während des Verdichtungstakts beauf­ schlagt, um das in der Brennkammer enthaltene Luft-Brennstoffgemisch zu verdichten.

Eine konstruktiv günstige Lösung für ein gut handhabbares Arbeitsgerät mit etwa gleichen oder verkleinerten Außenabmessungen bei wesentlich erhöhter Setzenergie ergibt sich dann, wenn der Druckluftspeicher als ein den Brennkammerzylinder im unteren Totpunktbereich des Kolbens um­ gebender Ringraum ausgebildet ist, der unterseitig durch ein Tellerventil gegenüber der der Brennkammer abgekehrten Kolbenfläche verschlossen ist, wenn der Druckluftspeicher durch die üblicherweise externe Druck­ luftquelle beaufschlagt ist.

Die Drucklufteinspeisung in den Druckluftspeicher kann dann durch eine Überströmbohrung in dem Tellerventil erfolgen, das seinerseits axial und relativ zu einer unterseitigen Stirnflächenöffnung des Brennkammerzy­ linders verschieblich ist. Das Tellerventil sperrt bei unterseitiger Druck­ beaufschlagung von der Druckquelle aus eine Druckluftverbindung zwi­ schen der unterseitigen Stirnfläche des Kolbens über die Stirnflächenöff­ nung der Brennkammer aufgrund einer Druckkraftdifferenz, die zwischen der auf die Unterseite des Tellerventils wirkenden Druckkraft von der Druckluftquelle und der Druckluft des Drucks im Druckluftspeicher auf der dem Druckluftspeicher zugekehrten Oberseite des Tellerventils an­ steht.

Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Ergänzungen des Erfindungsgedan­ kens sind in zweckentsprechender Zuordnung und jeweiliger Ergänzung in abhängigen Patentansprüchen definiert.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt ein brennkraftbetriebenes Setzgerät, bei dem ein­ erseits eine druckluftunterstützte Kompression eines Gas-Luftgemischs und andererseits eine hervorragende Spülung der Brennkammer nach ei­ nem Arbeitshub erfolgt.

Die Zeichnung veranschaulicht - überwiegend in Längsschnittdarstellung - ein brennkraftbetriebenes Setzgerät, dessen Brennkammer 25 durch ei­ nen ummantelten Brennkammerzylinder 30 gebildet ist. Ein im Brenn­ kammerzylinder 30 auf- und abbewegbarer Kolben 1 kann - wie im mittle­ ren Bereich der Brennkammer 25 dargestellt - aus zwei ferromagnetischen Stahlscheiben mit einer dazwischenliegenden Aluminiumscheibe und ei­ nem umlaufenden Dichtring zwischen den beiden Stahlscheiben gebildet sein. Der obere Totpunkt (OTP) 19 und der untere Totpunkt (UTP) 27 des Kolbenwegs sind durch gestrichelte Linie angegeben. In der Ruhe- oder Be­ reitschaftsstellung befindet sich der Kolben 1 in der unteren Totpunktpo­ sition 27. Der Kolben 1 ist dabei über einen ringförmigen elastischen Puf­ fer 2 auf der Innenseite einer unterseitigen Stirnfläche einer Ventilhülse 10 abgestützt, welche den Brennkammerzylinder 30 zumindest im unte­ ren Bereich so weit umschließt, daß Abblasöffnungen 26 im Brennkamm­ erzylinder 30 bzw. in dessen Ummantelung kurz oberhalb der unteren Tot­ punktposition 27 verschlossen sind. Die Ventilhülse 10 und damit auch der Brennkammerzylinder 30 sind in ihren unteren Bereichen durch einen ringförmigen Druckluftspeicher 6 umgeben, dessen unterseitige, ringför­ mige Öffnung 29 in der in der rechten Zeichnungshälfte dargestellten Ru­ hestellung durch ein Tellerventil 3 verschlossen ist. Der Druckluftspei­ cher 6 wird von einem Druckluftanschluß 4 über ein durchgestelltes Ab­ zugsventil 17 und ein Schnellentlüftungsventil 18 über eine unterhalb des Tellerventils 3 liegende Druckluftdurchführung 37 und eine das Teller­ ventil 3 durchsetzende Überströmbohrung 5 mit Druckluft versorgt. Das Tellerventil 3 ist in der Bereitschaftsstellung durch den vom Druckluftan­ schluß 4 anstehenden Druck geschlossen. Diese Schließstellung des Tel­ lerventils 3 wird aufgrund einer Druckkraftdifferenz dadurch sicherge­ stellt, daß die Wirkungsfläche der Druckkraft auf der Unterseite des Tel­ lerventils 3 in einer dort vorhandenen, kleinen ringförmigen Druckkam­ mer 35 größer ist als die Druckkraft, die aufgrund des Drucks im Druck­ luftspeicher 6 auf die Oberseite des Tellerventils 3 wirkt. Durch die Über­ strömbohrung 5 im Tellerventil 3 wird der Druckluftspeicher 6 gefüllt. Ge­ gen die Umgebung ist der Druckluftspeicher 6 mittels eines elastischen Membrandichtrings 7, der an der unteren Außenwandkante des Druck­ luftspeichers 6 fixiert ist, abgedichtet, wobei der Membrandichtring 7 durch den Druck im Druckluftspeicher 6 auf den Ventilteller 3 gedrückt wird. In der Bereitschaftsstellung verschließt das auf dem mit dem Kolben 1 verbundenen Stößel 31 geführte Tellerventil 3 gleichzeitig eine ringför­ mige Zugangsöffnung 36 zum Innenraum des Brennkraftzylinders 30, d. h. zu dem unterhalb des Kolbens 1 liegenden Raumabschnitts des Brenn­ kraftzylinders 30. Gegen die Brennkammer 25 ist der Druckluftspeicher 6 durch eine Flachdichtung 8 auf der Oberseite des Tellerventils 3, die durch die resultierende Druckkraftdifferenz gegen die unterseitige Stirnfläche der becherförmigen Ventilhülse 10 gedrückt wird, abgedichtet.

Durch Betätigen einer durch eine Druckfeder 11 ausgerückten Anpreßsi­ cherung 12 wird mittels einer Gestängeverbindung 13 über ein Dosierven­ til 14 und ein Einlaßventil 16 aus einer Doppelmantel-Gaskartusche 15 ei­ ne definierte Menge an Gas in die mit Frischluft gefüllte Brennkammer 25 gespritzt. Wird jetzt das Abzugsventil 17 betätigt, so sinkt der Steuerdruck in einer Druckluftverbindungsleitung 37, wodurch das Schnellentlüf­ tungsventil 18 aktiviert und das Tellerventil 3 schlagartig geöffnet wird. Die im Druckluftspeicher 6 gespeicherte Druckluft beaufschlagt dadurch impulsartig die Unterseite des Kolbens 1 und beschleunigt den Kolben 1 samt Stößel 31 in Richtung oberer Totpunkt 19. Dabei wird das in der Brennkammer 25 enthaltene Gas/Luft-Gemisch stark komprimiert und durch geeignete turbulenzerzeugende Einbauten 24 auf der Oberseite des Kolbens 1 verwirbelt. Diese turbulenzerzeugenden Einbauten 24 können, wie die Zeichnung erkennen läßt, durch ein zylinderförmiges Ringelement gebildet sein, das auf der Oberseite des Kolbens 1 befestigt ist und unmit­ telbar oberhalb der Oberseite des Kolbens 1 eine Mehrzahl von Durchbre­ chungen 38 aufweist.

Gleichzeitig mit der Verschiebung des Stößels 31 nach oben führt ein schneller, an sich bekannter und daher nicht näher erläuterter Nachlade­ mechanismus aus einem Nagelmagazin 20 in die vom Stößel 31 freigegebe­ ne Nagelführung ein Setzelement 34 nach.

Auf dem Weg des Kolbens 1 in Richtung oberer Totpunkt 19 überfährt die­ ser eine Hall-Sonde 21, welche über einen Transistorzündschalter 22 und eine Zündeinrichtung 23 die Zündung des jetzt stark komprimierten Gas/Luft-Gemischs einleitet. Das turbulente Gas/Luft-Gemisch brennt impulsartig ab, während der Kolben 1 im oberen Totpunkt 19 die Bewe­ gungsrichtung wechselt, wobei aufgrund der Massenträgheit des Kolbens eine quasi isochore Verbrennung stattfindet. Der schnelle Druckanstieg beschleunigt den Stößel 31 in Arbeitsrichtung und das bereitstehende Setzelement 34 wird mit hoher Geschwindigkeit in den Untergrund einge­ trieben.

Durch eine geeignete axiale Positionierung der Hall-Sonde 21 kann der Zündzeitpunkt und damit in gewissen Grenzen auch die resultierende Kol­ benenergie verstellt werden.

Die entspannte Druckluft unterhalb des Kolbens 1 wird jetzt über Abblas­ öffnungen 39, die in der Zwischenzeit von der sich elastisch zurückfor­ menden Membrandichtung 7 freigegeben wurden, ausgestoßen.

Durch den Verbrennungsdruckanstieg in der Brennkammer 25 wurde un­ terdessen auch ein Spülluftventil 32 betätigt, über das die abgasfreie Druckluft in die Brennkammer 25 strömt, sobald der Verbrennungsdruck abgefallen ist.

Nachdem der Stößel 31 das Befestigungselement 34 eingetrieben und das Gerät sich durch den Rückstoß vom Untergrund abgehoben hat, wird der Kolben 1 über den elastischen Puffer 2, der auf der innenseitigen Stirnflä­ che der becherartigen Ventilhülse 10 sitzt, vollständig abgebremst. Bei diesem Vorgang wird die Ventilhülse 10 nach unten verschoben, wodurch die Abblasöffnungen 26 für die Rauchgase in der Brennkammer 25 und für die von oben nachströmende Spülluft geöffnet werden. Der Spülvorgang ist damit eingeleitet und die Brennkammer wird solange mit Frischluft ge­ spült, als das Abzug-Ventil 17 betätigt bleibt.

Nach Freigabe des Abzug-Ventils 17 werden sowohl das Schnellentlüf­ tungsventil 17 als auch das Spülluftventil 32 zurückgesetzt. Das Teller­ ventil 3 wird jetzt wieder nach oben gedrückt und verschließt den Druck­ luftspeicher 6, wobei gleichzeitig die Ventilhülse 10 wieder nach oben ge­ schoben wird und die Abblasöffnungen 26 verschließt.

Mit dem Abheben des Geräts vom Untergrund wird das Dosierventil 14 der Gaskartusche 15 in die Ausgangsstellung zurückversetzt. Der Arbeitszy­ klus kann nun von neuem beginnen.

Bei einer erprobten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Arbeits­ geräts war der durch Druckluft unterstützte Kompressionstakt in 3 bis 5 ms abgeschlossen. Dadurch kann praktisch kein Temperaturausgleich entstehen, d. h., die Kompression erfolgt adiabatisch. Der Wirkungsgrad wird dadurch erheblich gesteigert und die erzeugte nicht nach außen ab­ fließende Kompressionswärme verhindert das Ausregnen der Brenngase bei den hohen Verdichtungsdrücken, wodurch eine zuverlässige Zündung und gleichmäßige Verbrennung sichergestellt ist. Ein Arbeitshub des Kol­ bens 1 läuft in etwa 1 ms ab. Für einen ausreichenden Spülvorgang der Brennkammer 25 reicht eine Spüldauer von ca. 0,2 bis 0,3 s aus.

Ohne Anspruch auf Vollständigkeit werden nachfolgend einige wesentli­ che Vorteile des erfindungsgemäßen, kombinierten Gerätekonzepts für ein Setzgerät stichwortartig zusammengestellt:

• - In gewisser Abhängigkeit vom Verdichtungsverhältnis und vom ge­ wählten Zündzeitpunkt lassen sich Arbeitsdrücke von 30 bis 50 bar erreichen, während mit herkömmlichen brenngasbetriebenen Gerä­ ten, in denen die Verbrennung für den Arbeitstakt unter Umgebungs­ druck startet, Arbeitsdrücke von über 8 bar kaum zu erzielen sind.
• - Im Vergleich zu reinen Druckluftgeräten lassen sich wesentlich kompaktere, also kleinere und leichtere Setzgeräte verwirklichen.
• - Im Vergleich zu reinen Druckluftgeräten großer Leistung werden nur vergleichsweise kleine Kompressoren benötigt, mit Leistungen, die im Bereich von 0,5 kW liegen. Es genügen relativ dünne, flexible Verbindungsschläuche.
• - Das Arbeitsgerät ist hinsichtlich seines konstruktiven Aufbaus ver­ gleichsweise einfach.
• - Bei hoher Funktionssicherheit läßt sich eine hohe Setzfrequenz rea­ lisieren.

Claims (9)

1. Tragbares, brennkraftbetriebenes Arbeitsgerät, insbesondere Setz­ gerät für Befestigungselemente, mit

• - einer zylinderförmigen Brennkammer (25) zur zündungsinduzierten Ver­ brennung eines Luft/Brennstoff-Gemischs und mit
• - einem durch den Brennkraftzylinder (30) der Brennkammer (25) geführ­ ten und aufgrund der Verbrennung antreibbaren Kolben (1), der einen Stö­ ßel (31) antreibt,

gekennzeichnet durch einen als integraler Bestandteil des Arbeitsgeräts ausgebildeten Druckluftspeicher (6), dessen von einer externen Druck­ luftquelle (4) geladenes Druckpotential durch Umsteuerung eines Ventils (3) die der Brennkammer (25) abgekehrte Unterfläche des Kolbens (1) be­ aufschlagt, um das in der Brennkammer enthaltene Luft/Brennstoffge­ misch zu verdichten.

2. Arbeitsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckluftspeicher (6) als ein den Brennkammerzylinder (30) im unteren Totpunktbereich des Kolbens (1) umgebender Ringraum ausgebildet ist, der unterseitig durch ein Tellerventil (3) gegenüber der der Brennkammer (25) abgekehrten Kolbenfläche verschlossen ist, wenn der Druckluftspei­ cher (6) durch die externe Druckluftquelle (4) beaufschlagt ist.

3. Arbeitsgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Drucklufteinspeisung in den Druckluftspeicher (6) durch eine Überströmbohrung (5) in dem Tellerventil (3) erfolgt.
• - das Tellerventil (3) axial und relativ zu einer Öffnung (36) in der un­ teren Stirnfläche des Brennkammerzylinders (30) verschieblich ist, wobei
• - das Tellerventil (3) eine Druckluftverbindung zwischen der der Brennkammer (25) abgewandten (unteren) Stirnfläche des Kolbens (1) über die Öffnung (36) und dem Druckluftspeicher (6) aufgrund ei­ ner Druckkraftdifferenz sperrt, die zwischen der auf die Unterseite des Tellerventils (3) wirkenden Druckkraft von der Druckluftquelle (4) und der auf der dem Druckluftspeicher (6) zugekehrten Oberseite des Tellerventils (3) herrscht.

4. Arbeitsgerät nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine ela­ stisch verformbare Membrandichtring (7), der eine druckdichte Verbin­ dung zwischen dem oberseitigen umlaufenden Rand des Tellerventils (3) und dem unteren umlaufenden Rand des unterseitig offenen Druckluft­ speichers (6) in der Schließstellung des Tellerventils (3) herstellt, wobei die Axialverschiebung des Tellerventils (3) von der Schließ- in die Offenstel­ lung durch eine abgedichtete, ringförmige Stützfläche (33) bestimmt ist, die zusammen mit der Unterfläche des Tellerventils (3) eine Druckkammer (35) bildet, in welche die Druckluft von der externen Druckluftquelle (4) einspeisbar ist.

5. Arbeitsgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Tellerventil (3) durch eine die Brennkammer (25) umschließende Ventil­ hülse (10) in die Offenstellung gedrückt wird, die durch den Kolben (1) am Ende seines Arbeitshubs bei Erreichen des unteren Totpunkts (27) nach unten verschoben wird, wobei gleichzeitig Abblasöffnungen (26) in der Brennkammerwand für die aufgrund der Verbrennung in der Brennkam­ mer (25) entstandenen Rauchgase freigegeben werden.

6. Arbeitsgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (1) über einen elastischen, den Kolben abbremsenden Puffer (2) auf die Ventilhülse (10) wirkt, der innenseitig auf einem die unterseitige Stirn­ wandfläche der Brennkammer (25) bildenden Wandabschnitt der becher­ förmigen Ventilhülse (10) fixiert ist.

7. Arbeitsgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkammer (6) auf der Unterseite des Tellerventils (3) über ein Schnell­ entlüftungsventil (18) und einAbzug-Ventil (17) an die Druckluftquelle (4) angeschlossen ist.

8. Arbeitsgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Druckquelle (4) gleichzeitig als Spülluftquelle zur Spülung der Brennkammer (25) nach einem Arbeitshub des Kolbens (1) dient.