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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Schlagmotoren des Typs mit einem Gehäuse mit
einem darin befindlichen Zylinder, bei welchen ein hin- und hergehender Antriebskolben über
ein Gaspolster in einer Arbeitskammer des genannten Zylinders wiederholt einen Hammerkolben
antreibt, um auf den Schaft eines von dem Maschinengehäuse getragenen Werkzeugs zu schlagen
und davon zurückzukehren, wobei der genannte Antriebskolben für seine Hin- und Herbewegung in
dem genannten Zylinder von einem Kolbenring elastisch zentriert ist, der einen Gleitsitz in
dem genannten Zylinder besitzt und in einer Kolbenringnut in dem genannten Kolben elastisch
zentriert angeordnet ist.
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Der obige Typ von Schlagmotoren ist in für gewöhnlich als Handgeräte ausgebildeten
Hammermaschinen üblich, die von Elektro-, Hydro- oder Verbrennungsmotoren angetrieben und z.B. zum
Meißeln oder Bohren verwendet werden. Der Motor überträgt seine Drehbewegung auf einen
Kurbelmechanismus, in dem eine Verbindungsstange für den Antrieb des Kolbens gelagert ist, die eine
Hin- und Herbewegung des letzteren und ein abwechseindes Verdichten und Evakuieren des
Gaspolsters in der Arbeitskammer bewirkt, wodurch der Hammerkolben durch Gasfederwirkung veranlaßt
wird, auf das Werkzeug aufzuschlagen bzw. sich von diesem zurückzuziehen.
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Für ein unter Abdichtung erfolgendes Zusammenwirken mit der Zylinderwand ist der
Antriebskolben mit Dichtringen versehen. Aus Metall bestehende federnde, d.h. geschlitzte Kolbenringe
des in Verdichtern üblichen Typs lecken immer etwas durch den Schlitz hindurch. Solche
Kolbenringe neigen, wenn sie in diesem Zusammenhang bei gasfederbetriebenen Schlagmotoren verwendet
werden, in Kombination mit der durch Verschleiß bedingten Leckage dazu, eine Kolbenkollision
mit resultierendem Maschinenschaden zu verursachen. Weiters weiß man, daß die Federwirkung
solcher Ringe Verschleißmarken und -kanten in der Zylinderwand auf jener Höhe verursacht, auf
der der Antriebskolben unter Spitzenbelastung steht, d.h. wenn er am unteren Umkehrpunkt die
Richtung wechselt. Der Hammerkolbenkopf passiert daraufhin bei seiner Hin- und Herbewegung
diese Fehlstellen in der Wand und ist, wenn er mit einem Kolbenring aus Kunststoff versehen
ist, einem starken Kolbenringverschleiß ausgesetzt, was in einer unerwünschten Leckage oder
der Zerstörung des Ringes endet. Bei einer neueren, für leistungsschwache Schlagmotoren
bestimmten Variante wurde der gasverdichtende Antriebskolben mit einem ungeteilten Kolbenring
aus mit Graphit versetztem Kunststoff versehen. Diese Ringe haben einen von dem
Wärmeausdehnungskoeffizienten des Zylinders abweichenden Wärmeausdehnungskoeffizienten, was im Hinblick
auf ein dauerndes richtiges Arbeiten des Ringes bei voller Leistung eine gewisse Kompensation
erfordert. in diesem Zusammenhang ist, insbesondere bei für Hochleistungseinsätze gebauten
Schlagmotoren ein Maschinenschaden infolge Überhitzung zu befürchten.
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In der Druckschrift DE-A1-2 854 569 ist bei einem Schlagmotor des vorgenannten Typs eine
Möglichkeit geoffenbart, einteilige Dichtringe aus elastischem Material, wie z.B. Gummi, auf
dem Antriebskolben des Schlagmotors zu montieren. Eine Dicht- und Führungseinheit für Kolben
im allgemeinen ist aus einer anderen Druckschrift, nämlich der GB-A-2 119 476, bekannt, die
vorschlägt einen ungeteilten Kolbenring aus Lagermetall zu verwenden, dem eine solche
Geschmeidigkeit gegeben ist, daß der Ring durch den Druck eines darunterliegenden elastischen
O-Ringes elastisch aufgeweitet wird, um eine Abdichtung bewirken zu können.
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Mit Hilfe einer neuartigen Ausführung unter Verwendung von radial nach außen starren,
ungeteilten metallischen Kolbenringen strebt die Erfindung eine verschleißfestere Lösung des
Dichtproblems an, wobei gleichzeitig die Verwendung eines metallischen Dichtmaterials einer
anderen Art als der üblichen, vermieden wird.
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Ziel der Erfindung ist, eine Einrichtung in dem vorgenannten Typ von Schlagmotoren
vorzusehen, die aufleistungsstärkere Hammermaschinen anwendbar und dazu geeignet ist, das
Zusammenwirken zwischen Antriebskolben und Hammerkolben dank einer besseren Abdichtung des
Antriebskolbens einer Eliminierung der Bildung von Ring-Verschleißmarken am Kolbenumkehrpunkt im
Zylinder und einer Reduzierung des Verschleisses des Ringes im Betrieb zu verbessern. Diese
Ziele werden durch die kennzeichnenden Merkmale der beigefügten Ansprüche erreicht.
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Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen näher erläutert. In
diesen zeigt Fig. 1 einen Teil-Längsschnitt durch eine die Erfindung enthaltende
Hammermaschine. Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Schnittdarstellung des Schlagmotorteils in Fig. 1. Fig. 3
ist eine aus Fig. 2 vergrößerte Detaildarstellung des Antriebskolbens und dessen Dichtringes.
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Die Hammermaschine in Fig. 1 umfaßt ein in der Hand zu haltendes Maschinengehäuse 10 mit
einem Zylinder 11, in dem ein Hammerkolben 15 gleitend geführt und durch einen den Kolbenkopf
14 umgebenden Kolbenring 16 abgedichtet ist. Eine Hammerkolbenstange 13 durchsetzt
verschiebbar und dichtend das Zylinderbodenende 12 und gibt Schläge an den Schaft 17 eines Werkzeugs
20, z.B. eines Schräm-Meißels für schwere Brecharbeit oder eines Bohrmeißels, weiches
Werkzeug mit einem Kragen 21 axial gegen eine Werkzeughülse 19 angelegt wird und von dieser axial
zurückschiebbar ist. Die Hülse 19 ist ihrerseits in dem vorderen Ende 18 des Gehäuses 10
verschiebbar geführt und wird, wenn dies die Arbeit so verlangt, durch einen Gleitkontakt
einer auf ihr vorgesehenen ebenen Fläche mit einem abgeflachten Querstift 38 in dem Ende 18
an einer Drehung gehindert. in der Arbeitsstellung der Fig. 2 liegt die Hülse 19 an einem
Abstandsring 27 an. Eine Rückstoß-Schraubenfeder 23 ist zwischen dem Bodenende 12 und dem
Abstandsring 27 vorgespannt und drückt letzteren an eine Innenschulter 28 im vorderen Ende
18. Die Vorspannung der Feder 23 ist so, daß das Gewicht der Maschine, wenn diese wie in Fig.
1 gezeigt ist, auf dem Werkzeug 20 stehend gehalten wird, ausgeglichen wird oder einer
beginnenden Komprimierung der Feder in dieser Stellung zumindest ein deutlicher Widerstand
entgegengesetzt wird. Wenn die Maschine aus dieser Stellung angehoben wird, sinkt die
Werkzeughülse 19 in die unwirksame Stellung in Anlage an eine Anschlagschulter 29 in dem vorderen Ende
18, während die Sinkbewegung des Werkzeugs 20 weitergeht und dadurch beendet wird, daß der
Kragen 21 von einem Anschlaghebel 57 angehalten wird. Gleichzeitig damit sinkt der
Hammerkolben 15 und nimmt seine unwirksame Stellung in dem vordersten Teil 47 des Zylinders 11 ein.
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Das Gehäuse 10 enthält einen nicht gezeigten Motor, der eine Welle 32 antreibt, wobei ein
auf letzterer befindliches Zahnrad 33 mit einer in dem oberen Teil des Maschinengehäuses 10
gelagerten Kurbelwelle 34 in Eingriff steht, um diese zu drehen. Der Kurbelzapfen 35 der
Kurbelwelle 34 wird von kreisförmigen Endstücken 36,37 getragen, von denen eines als Zahnrad
36 ausgebildet ist, das von dem Zahnrad 33 angetrieben wird. In dem Schlagmotorteil des
Gehäuses 10 ist der Antriebskolben 40 verschiebbar in dem Zylinder 11 geführt und gegenüber diesem
durch einen Kolbenring 41 abgedichtet. Ein Kolbenbolzen 42 in dem Antriebskolben 40 ist über
eine Verbindungsstange 43 schwenkbar mit dem Kurbelzapfen 35 verbunden. Zwischen dem
Antriebskolben 40 und dem Hammerkolbenkopf 14 bildet der Zylinder 11 eine Arbeitskammer 44, in der
ein Gaspolster die Bewegung des Antriebskolbens 40 mittels Luftfederimpulsen auf den
Hammerkolben 15 überträgt.
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Um den Antriebskolben 40 in dem Zylinder 11 zu zentrieren und seine Abdichtung und
Wärmeleitfähigkeit gegenüber letzterem zu verbessern, ist der Kolbenring 41 ein ungeteilter Stahlring,
der an seiner Außenseite auf einen engtolerierten, dichtenden Gleitsitz gegenüber der
Zylinderwand ohne nach außen gerichtete Federkraft geschliffen ist und einen
Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der im wesentlichen gleich ist dem des Zylinders. Der Kolbenring 41 ist
in eine der Stirnfläche 70 des Antriebskolbens 40 benachbarte periphere Ringnut 68
eingesetzt, wobei, weil der Ring 41 ungeteilt ist, die periphere Kante 71 der Fläche 70 in einem
solchen Ausmaß gerundet ausgebildet und an den Innendurchmesser des Ringes angepaßt ist, daß
der Ring, durch Anlegen in geneigter Stellung im wesentlichen ohne spannungserzeugende
Dehnung in die Nut gepreßt werden kann. Die Innenseite des Stahlringes 41 ist ausgehöhlt und
sitzt auf einem O-Ring aus wärmebeständigem Gummi, der den Spalt zwischen dem Ring 41 und dem
Boden der Nut 68 elastisch und dichtend ausfüllt und dadurch auch den Antriebskolben 40 in
dem Zylinder 11 zentriert.
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Der Hammerkolbenkopf 14 hat eine periphere Ringnut 72, die den Kolbenring 16 trägt, der in
der bevorzugten Ausführungsform ein ungeteilter Ring aus verschleißfestem Kunststoff, wie
z.B. glasfaserverstärktes PTFE (Polytetrafluorethylen) ist, welcher vor dem Antriebskolben 40
durch Gleitsitz für eine Abdichtung gegenüber der Wand des Zylinders 11 sorgt. Der Kolbenring
16 ist gegenüber dem Kolbenkopf 14 durch einen O-Ring, vorzugsweise aus wärmebeständigem
Gummi (Viton-Gummi), abgedichtet, welcher den dazwischenliegenden Spalt dichtend ausfüllt und
den Kolbenkopf 14 zentriert. Der Ring 16 wird geringfügig elastisch gedehnt und über den Kopf
14 in die Nut 72 gedrückt, um den Ring 16 abzudecken. Alternativ kann der Kolbenkopf 14 einen
Kolbenring 16 aus Stahl ähnlich dem Kolbenring 41 in Kombination mit geeigneten Mitteln auf
dem Hammerkolbenkopf 14 aufweisen, um das Einpressen des Metallringes in seine Ringnut 72 in
Analogie mit dem, was oben im Zusammenhang mit der Antriebskolbennut 68 beschrieben wurde, zu
ermöglichen. Die obengenannten Stahlringe 41,16 müssen in ihrer jeweiligen Nut 68 bzw. 72 im
wesentlichen ohne Spiel in axialer Richtung montiert werden. In einer weiteren
Ausführungsvariante kann der Hammerkolbenkopf 14 maschinell so bearbeitet sein, daß er einen Gleitsitz in
dem Zylinder 11 aufweist, in welchem Fall der Kolbenring 16 und die Nut 27 entfallen.
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Das innere der Maschine ist in geeigneter Weise mit der Umgebungsluft verbunden. Die
Arbeitskammer 44 steht mit dem Inneren der Maschine durch die Wand des Zylinders 11 hindurch über
Hauptöffnungen 45, Nebenöffnungen 46 und eine zwischen diesen in der Zylinderwand vorgesehene
Steueröffnung 53 in Verbindung. Die Gesamt-Ventilationsfläche der Öffnung 53 und der
Hauptöffnungen 45 sowie die Entfernung letzterer von dem Kolbenring 16 sind so berechnet und gewählt,
daß der Hammerkolben 15 in seiner unwirksamen Stellung, Fig. 1, in der Ruhestellung ohne
Abgabe von Schlägen gehalten wird, während das darüberliegende Gasvolumen während der
Hin- und Herbewegung des Antriebskolbens unabhängig von ihrer Frequenz und der Drehzahl des Motors
frei durch die Öffnungen 45 und die Öffnung 53 ventiliert wird.
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Zu Beginn der Arbeit ordnet die Bedienungsperson die Maschine bei laufendem oder
abgestelltem Motor mit Hilfe geeigneter Handgriffe so an, daß das Werkzeug 20 den Angriffspunkt auf
der Arbeitsfläche kontaktiert, wodurch das Gehäuse 10 nach vorne gleitet und der Abstandsring
27 der Rückstoßfeder 23 an der Werkzeughülse 19 anschlägt (Fig. 1). Die Bedienungsperson
wählt eine geeignete Drehgeschwindigkeit aus bzw. schaltet den Motor ein und bringt dann eine
angemessene Vorschubkraft auf die Maschine auf. Als Resultat werden die Rückstoßfeder weiter
komprimiert, der Hammerkolbenkopf 14 in Richtung auf die Hauptöffnungen 45 verschoben und die
Ventilierungsbedingungen in der Arbeitskammer 44 so geändert, daß ein Vakuum erzeugt wird,
das zu Anfang den Hammerkolben 15 beim Zurückgehen des Antriebskolbens 40 nach oben zieht.
Die Saugwirkung bewirkt gleichzeitig, daß eine komplementäre Gasmenge durch die Steueröffnung
53 in die Arbeitskammer 44 eintritt, sodaß während der folgenden Vorwärtsbewegung des
Antriebskolbens ein Gaspolster unter geeignetem Überdruck imstande ist, den Hammerkolben 15 zu
beschleunigen und auf den Werkzeugschaft 17 zu stoßen. Der nach jedem Schlag resultierende
Rückstoß des Hammerkolbens 15 während des Normalbetriebs trägt dann dazu bei, seine Rückkehr
von dem Werkzeug 20 sicherzustellen. Der Schlagbetrieb geht deshalb weiter, auch wenn die
Vorschubkraft verringert wird und die Maschine wieder die Stellung der Fig. 1 auf dem
Werkzeug 20 einnimmt. Die Steueröffnung 53 ist so kalibriert und in bezug auf den unteren
Umkehrpunkt des Antriebskolbens 40 und die Hauptöffnungen 45 angeordnet, daß der Gasstrom in die
und aus der Steueröffnung 53, im Tritt mit den Bewegungen des Antriebskolbens 40 in der
Arbeitskammer 44 die gewünschte richtige Größe der und den Wechsel zwischen den Niveaus des
Überdrucks und Vakuums aufrechterhält, um so die korrekte wiederholte Abgabe von Schlägen
sicherzustelien. Die Nebenöffnungen 46 ventilieren und gleichen den Druck in dem Volumen
unterhalb des Kolbenkopfes so aus, daß der Hammerkolben 15 sich bei der Abgabe von Schlägen
unbehindert bewegen kann. Es sollte beachtet werden, daß beim Schlagbetrieb der Kolbenring 16
während wiederholter Schläge des Hammerkolbens 15 auf den Schaft 17 immer in einer mittleren
Stellung zwischen den Öffnungen 45,46 angeordnet ist und niemals in Ausrichtung mit
denselben.
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Zum Umschalten von Schlagbetrieb auf die Ruhestellung des Hammerkolbens in Fig. 1 mit
hin- und hergehendem Antriebskolben 40 und unbeweglichem Hammerkolben 15 ist es notwendig, daß die
Bedienungsperson die Hammermaschine eine kurze Distanz von dem Werkzeug 20 abhebt, sodaß der
Schaft 17 augenblicklich in bezug auf den Hammerkolben 15 abgesenkt wird, was bewirkt, daß
letzterer einen Leerschlag ohne Rückstoß ausführt. Als Resultat nimmt der Hammerkolben 15 die
unwirksame Stellung in der Kammer 47 ein, wobei die Nebenöffnungen 46 die Oberseite des
Hammerkolbens 215 entlüften und der Schlagbetrieb trotz fortgesetzten Arbeitens des
Antriebskolbens 40 aufhört. Diese Betriebsart wird selbst dann aufrechterhalten, wenn die Maschine in
deren Gleichgewichtsstellung der Fig. 1 mit in die Ruhestellung zwischen den Öffnungen 45,46
zurückgekehrtem Hammerkolbenkopf 14 zurückgeführt wird.
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Der Antriebskolben 40 trägt in seiner Mitte einen axial vorspringenden Dämpferkolben 50
reduzierten Durchmessers, welcher, wenn die Kolben zusammentreffen, in einem nach außen
geschlossenen, zentral am Hammerkolben 15 vorgesehenen Dämpferzylinder 51 pneumatisch
abgefangen wird. Die Mantelfläche des Dämpferkolbens 50 hat zumindest zwei diametrale Stufen 64,65
die durch eine kleine stumpfförmige Übergangsfläche 66 voneinander getrennt sind, die
beim Eindringen des Dämpferkolbens 50 in den Zylinder 51 als eine Führungsfläche wirkt. Eine
äußere, längere Stufe 64 hat in bezug auf den Zylinder 51 ein Spiel, z.B. von genau 1 mm, das
beim anfänglichen Abfangen eine sanfte Gasreibungsbremsung unter Gasaustritt durch den
dazwischenliegenden Spalt in die Arbeitskammer 44 ermöglicht. Eine solche Bremsung wird oft genug
ausreichen, die Kolbenbewegung umzukehren. Eine andere, kürzere Stufe 65 zuinnerst am Fuß des
Dämpferkolbens mit einem im wesentlichen dichten Sitz oder Spiel in bezug auf den Zylinder
51, z.B. bis zu 0,1 mm, verhindert durch in dem Dämpferzylinder 51 eingeschlossenes Gas bei
extremem Rückstoß letztlich eine Kolbenkollision. Der inneren oder beiden diametralen Stufen
64,65 kann eine bessere Dichtwirkung dadurch vermittelt werden, daß sie mit einer Farbe
beschichtet werden, die PTFE des Typs enthält, wie er zum Abdichten von Rotoren von
Schraubenverdichtern verwendet wird. Baulich versteht es sich, daß zwischen den Stufen 64,65 weitere
Stufen mit schrittweise verringertem Spiel in bezug auf den Zylinder 51 vorgesehen werden
können, und daß der Dämpferkolben 50 und der Dämpferzylinder 51 im Bedarfsfall in gegenseitig
vertauschter Stellung angeordnet werden können.
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Der metallische Kolbenring 41 des Antriebskolbens 40 ist zur Toleranzkorrektur genau
geschliffen, um zusammen mit dem O-Ring 69 den Antriebskolben 40 in dem Zylinder 11 abzudichten
und zu zentrieren. Die Folge ist, daß die Gasleckage an dem Kolben vorbei im Vergleich mit
früheren Lösungen deutlich herabgesezt ist und die Kraftübertragung über die Gasfeder in der
Arbeitskammer 44, welche von den darin erreichbaren Druckniveaus abhängt, mit größerer
Sicherheit arbeit und konstruktionsmäßig leichter zu berechnen ist. Hiezu tragen auch die
verbesserten Dichtmöglichkeiten für den Hammerkolben 15 wesentlich bei. Während des Betriebs ist
die Glättwirkung des Stahl-Kolbenringes 41 auf die bestrichene Zylinderoberfläche zu
beobachten,
wodurch die Reibung in dem Schlagmotor herabgesetzt und die Hammerkolbenleistung erhöht
wird. Es wird angenommen, daß die verbesserte Kolbenzentrierung zusammen mit den
Verbesserungen an den Kolbenringen die Bildung von unerwünschten Marken in der Zylinderwand an den
Umkehrpunkten hintanhält. Die Zentrierung fördert auch das wirksame Zusammenspiel der
Dämpferelemente 50,51 in ihrer Aufgabe, eine Kollision zu verhindern.
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Der Schlagmotor nach der Erfindung ist nicht auf den als Beispiel beschriebenen Typ von
Hammermaschinen beschränkt, sondern kann vorteilhaft in anderen Typen solcher Maschinen, die
ein ähnliches Luftfederantriebsprinzip verwenden, angewendet werden.