EA007401B1 - Вращательный перфоратор - Google Patents

Abstract

Вращательный перфоратор с контактом качения на контактных поверхностях для передачи осевой силы между приводным валом и волнообразной обоймой. Линейный контакт достигается путем использования роликовых подшипников. Площадь контакта, таким образом, близка к нулю в противоположность относительно большой площади контакта в системах с зубчатыми поверхностями, входящими в зацепление. Использование точечного или линейного контакта уменьшает выделение теплоты и снижает потери энергии на трение.

Description

Уровень техники

Известны перфораторы (дрели ударного действия), у которых вращение зубчатых поверхностей относительно друг друга вызывает ударное действие. Кроме того, в патентах США №№ 3,149,681 и 3,133,602, вращательные перфораторы с шариком на поверхности зацепления зубьев обеспечивают ударное действие только при одном направлении вращения. Шарик на поверхности зацепления зубьев служит причиной износа канавки в зубе, что приводит к созданию широкой области контакта между шариком и зубом. Наряду с неподвижностью поверхности зуба, такая широкая поверхность контакта повышает потери на трение и увеличивает нагрев инструмента. Еще один перфоратор описан в патенте США № 6,684,964, у которого ударное действие обеспечивается воздействием обращенных друг к другу комплектов подшипников. Данная конструкция имеет повышенный износ и потери на трение из-за воздействия подшипников друг на друга.

Краткое описание изобретения

В настоящем изобретении представлен перфоратор, в котором используется вращательное ударное действие. Главной опорой для вращающегося ударника служит подшипник скольжения. Возвратнопоступательное действие, требуемое для ударного бурения, обеспечивает высокие ударные нагрузки и создает вибрацию. Износ ускоряется в тех случаях, когда отсутствует полный контакт или постоянная гидродинамическая пленка смазки.

Особенно это относится к конструкции со скользящими покатыми плашками или храповиком, поскольку контакт прекращается, когда покатые плашки разъединяются в конце каждого хода. Аналогичная ситуация возникает в конструкции с поршнями, когда поршень изменяет направление движения на противоположное в обоих концах своего хода.

Подлинный контакт качения, обеспечиваемый предлагаемым механизмом вращательного перфоратора обладает преимуществами обеспечения полной жидкой смазки как для подшипника, так и для вращающейся опоры, что снижает трение и износ, обеспечивает более длительный срок службы по сравнению со сравнимыми изделиями, а также распределение и рассеяние тепла (что оказывает влияние на температуру при работе), при допустимой частоте вращения и несущей способности подшипника и функциях подлинного качения.

Вращательный перфоратор является простым, уникальным и легко изготавливаемым механизмом. Он производит большую энергию удара при точной частоте ударов, что приводит к ускоренному удалению материала и увеличенного срока службы сверла независимо от размера. Лишь при небольших изменениях механизм вращательного перфоратора может иметь величины хода и частоты ударов, которые будут соответствовать различным условиям применения. Уникальные и плавные кривые качения создают улучшенные ударные импульсы для сверления отверстий при пониженной вибрации и лучшей форме отверстия, что более удобно с эргономической точки зрения. Снижение количества неконтролируемых осколков бетона при сверлении является еще одним преимуществом. Механизм вращательного перфоратора эффективен и имеет длительный срок службы, не требует технического обслуживания и обеспечивает низкие производственные расходы, идеальные для использования в промышленности, в коммерческих и бытовых целях.

Поэтому в соответствии с одним аспектом настоящего изобретения предлагается перфоратор с контактом качения на контактирующих поверхностях для передачи осевого усилия между приводным валом и волнообразно вращающейся обоймой. Путем использования роликовых подшипников достигается линейный контакт. Таким образом область контакта близка к нулю в противоположность относительно большой области в системах с зубчатыми поверхностями, входящими в зацепление. Точечный или линейный контакт уменьшает теплообразование и уменьшает потери энергии на трение.

В некоторых изделиях, известных в данной области техники, используется муфта расцепления для снятия крутящего усилия при критическом росте давления и для предотвращения от среза деталей, находящихся в зацеплении. В случае перфоратора с контактом качения могут использоваться устройства создания относительно малого крутящего усилия, если оно не превышает срезывающих усилий. Для перфоратора по настоящему изобретению не требуется муфта расцепления, поскольку его функция обеспечивается трением качения. При увеличении крутящего усилия роликовые подшипники, установленные в неподвижную роликовую втулку как часть узла привода, толкают волнообразный вал в узле перфоратора, таким образом отделяя узел перфоратора от узла привода и снимая крутящее усилие. Такое повторяющееся действие также создает ударное воздействие. Точки контакта между элементом вращающегося подшипника и волнообразным валом разнесены на углы от 0 до 90 градусов к оси инструмента. Такое смещение обеспечивает срезающий компонент противодействующей силы вращать роликовые подшипники в их полостях в роликовой втулке, и такой осевой компонент приводит к надвигу волнообразного вала на элементы вращающихся подшипников. Предотвращается осевое перемещение элементов роликовых подшипников по отношению к роликовой втулке, но обеспечивается их свободное вращение в полостях роликовой втулки.

Эти и другие аспекты настоящего изобретения изложены в подробном описании изобретения и заявлены в прилагаемой формуле изобретения.

- 1 007401

Краткое описание чертежей

Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения описаны со ссылками на чертежи только в качестве иллюстрирования и без намерения ограничить объем изобретения; одинаковые цифры на чертежах относятся к одинаковым элементам.

Фиг. 1 является видом в разрезе вращательного перфоратора согласно настоящему изобретению.

Фиг. 2 является детализированным видом в 3/4 узла роликовой втулки.

Фиг. 3 является детализированным видом в 3/4 волнообразной обоймы.

Фиг. 4а является детализированным видом в 3/4 части волнообразной обоймы, входящей в зацепление с узлом роликовой втулки.

Фиг. 4Ь является детализированным видом роликового подшипника в контакте с волнообразной обоймой; показано взаимодействие пленки смазки с роликовым подшипником и волнообразной обоймой.

На фиг. 5а приведена схема одного оборота механизма вращательного перфоратора.

На фиг. 5Ь показана частота ударов механизма вращательного перфоратора.

Описание предпочтительного варианта осуществления изобретения

В настоящем патентном документе слово «содержащий» используется в его не ограничительном смысле, означая что объекты, следующие за этим словом в предложении, включены в состав, а те, которые конкретно не упомянуты, не включены. Упоминание одного элемента в пунктах формулы означает, что указан один из элементов, но это не абсолютно не исключает наличие других элементов, если из контекста явно не следует, что элемент только один.

На фиг. 1 показан переходник вращательного перфоратора, который содержит два вспомогательных узла, установленных в корпусе 12. Приводной узел 14 непосредственно соединен с патроном перфоратора или механизированного инструмента (не показан) и передает крутящее усилие от перфоратора на ударный узел 16. Ударный узел 16 преобразует полученное крутящее усилие в крутящее и осевое ударное движение. Приводной узел 14 может быть выполнен как одно целое с механизированным инструментом.

Приводной узел 14 содержит приводной вал 18, имеющий один конец шестигранного сечения для установки в патрон (не показан) обычного механизированного инструмента. На другом конце приводного вала 18 имеется карман с тремя равномерно расположенными полостями 43 под скользящие ролики; в этих полостях расположены три ролика 45, передающие крутящее усилие. Ролики 45, передающие крутящее усилие, входят в пазы 43 скольжения роликов, не показанные на фиг. 1, но показанные на фиг. 3а и 3с, вращательно фиксирующие волнообразную обойму 42 на приводном валу 18. Средняя часть приводного вала 18 имеет круглое сечение и входит в гнездо 22 подшипника, на которое опирается приводной вал 18 в корпусе 12 для вращения по отношению к корпусу 12. Гнездо 22 подшипника удерживается на приводном валу 18 буртом 20; и могут, например, использоваться шариковые подшипники.

Корпус 12 имеет цилиндрическую форму и круглое резьбовое отверстие для вворачивания узла 32 роликовой втулки. Пружинное стопорное кольцо 34 входит в паз 36 на приводном валу 18 для крепления узла 32 роликовой втулки 32 и радиально закреплено по отношению к приводному валу 18, тогда как узел 32 роликовой втулки вращательно зафиксирован относительно корпуса 12.

Узел 32 роликовой втулки входит в отверстие гнезда подшипника и имеет двенадцать расположенных по окружности полостей для размещения двенадцати роликовых подшипников 38, как показано на фиг. 2. Узел 32 роликовой втулки также имеет отверстие для установки гнезда 22 подшипника.

Как показано на фиг. 3а и 3Ь, ударный узел 16 имеет наружную поверхность с формой волнообразной обоймы 42. Совпадающие полости 43 ударного узла 16 и роликов 45 приводного вала 18 позволяют ударному узлу 16 и приводному валу 18 вращаться совместно, в то же время допуская относительно осевое движение между ними. Рабочий конец 50 ударного узла 16 имеет резьбу 1/2-20 ϋΝ.

Как показано на фиг. 2, узел 32 роликовой втулки имеет двенадцать расположенных по окружности полостей для размещения двенадцати роликов 38. Корпус 12 опирается на ударный узел 16 посредством игольчатых подшипников 54, которые позволяют корпусу 12 совершать вращательное движение по отношению к ударному узлу 16. Ролики 38 удерживаются стопорным кольцом 40 в узле 32 роликовой втулки.

Приводной вал 18 получает крутящее усилие от некоторого источника (переносной дрели или электродвигателя) и передает крутящее усилие на ударный узел 16 через ролики 45. Узел 32 роликовой втулки остается в неподвижном положении относительно корпуса 12 из-за резьбового соединения узла 32 роликовой втулки с корпусом 12. Ролики 38 свободно вращаются в полостях узла 32 роликовой втулки. Узел 32 роликовой втулки удерживается от осевого перемещения на приводном валу 18 пружинным стопорным кольцом 34.

При вращении вала 18 ударный узел 16 вращается вместе с ним. Корпус 12 удерживается в неподвижном положении вручную, что в связи с наличием резьбового соединения гнезда 32 подшипника в корпусе 12 предотвращает вращение гнезда 32 подшипника. Затем ролики 38 вращаются по отношению к волнообразной обойме 42. При осевом нажатии на приводной вал 18 и ударный узел 16, волны на волновой обойме 42 первоначально расположены в промежутках между роликами 38. При вращении волнообразной обоймы 42 ролики 38 скользят вверх и вниз по волнам волновой обоймы 42, приводя к осевому

- 2 007401 перемещению ударного узла 16 по отношению к приводному валу 18. Осевое смещение является функцией размера роликов и амплитуды волн волнообразной обоймы.

Смазка между волнообразной обоймой 42 и приводным валом 18 подается через полость 80 внутри ударного узла 16, смазка в которую может подаваться через отверстие 82. Отверстие 82, показанное на фиг. 3Ь, просверлено в волнообразной обойме 42 перпендикулярно центральной оси ударного узла 16. Отверстие 82 сообщается с масляной емкостью 84. Возвратно-поступательное действие ударного узла 16 по отношению к валу 18 создает эффект вакуума, который отсасывает смазку из емкости 84 через отверстие 82 в полость 80 и оттуда по валу 18 в волнообразную обойму 42 и подшипники 38.

На фиг. 3а показан 3/4-вид ударного узла 16 с желобчатой дорожкой качения 41, образующей поверхность обоймы 42. Желобчатая дорожка качения 41 также показана на фиг. 3Ь. Желобчатая дорожка качения может содержать двенадцать равных отрезков синусоидальной волны на полной окружности при величине 0,120 дюйма.

На фиг. 4а вращательный ударный механизм показан в деталях, причем некоторые части ударного узла 16 вырезаны для более лучшего понимания. Двенадцать роликов 38 установлены как отдельные цапфы в неподвижном узле 32 роликовой втулки, причем ударно-сверлильное действие создает вращающаяся волнообразная обойма 42. Постоянная пленка смазки поддерживается в каждой полости для ролика посредством совпадающей геометрической формы опоры при продолжительном и непрерывном вращении ролика.

На фиг. 4Ь показана волнообразная обойма 42, обеспечивающая вращение. Результатом является механизм, в котором одна сторона каждого ролика находится в подлинном контакте качения с волнообразной обоймой, тогда как другая сторона ролика опирается на пленку консистентной гидродинамической смазки опорного подшипника скольжения. Направление силы от волнообразной обоймы показано в позиции Направление вращения ролика 38 показано в позиции N. Когда подшипник скольжения начинает вращаться, между цапфой и карманом в точке контакта, 110. смазки мало и происходит истирание. Поэтому при пуске гидродинамического подшипника скольжения необходимо преодолеть большую силу трения. После того, как подшипник достигнет достаточной частоты вращения, смазка начнет поступать в область контакта, показанную жирной черной линией на волнообразной обойме и узле роликовой втулки. Ролики 38 неподвижного узла 32 роликовой втулки не полностью окружены цапфами узла 32. Нарушенная пленка смазки полностью восстанавливается волнообразной обоймой 42 , которая имеет частичные арки, весьма схожие с недостающей частью цапфы. В постоянной пленке смазки достигается и поддерживается гидродинамическая подъемная сила. Таким образом механизм вращательного перфоратора по сущности необслуживаемый.

Использование роликовых подшипников предназначено для снижения трения, которое создает теплоту и приводит к потерям энергии. Формула для расчета количества энергии, создаваемой трением, следующая: Е = К х Р х А, где Р = действующая сила, А = площадь контакта, К = коэффициент трения и Е = энергия. Как можно видеть из приведенного уравнения, все данные элементы должны быть минимизированы для сведения энергии к минимуму. Действующая сила является результатом давления, прилагаемого оператором через посредство инструмента на поверхность сверления, и не может быть минимизирована. Коэффициент трения является функцией материалов, класса поверхности и характера действия (тяга или качение). В случае применения шарикового подшипника или роликового подшипника коэффициент трения минимизируется, так как:

a) ролики имеют более сглаженную поверхность, чем зубья в зубчатой передаче; и

b) использование роликового подшипника обеспечивает действие качения в противоположность тяговому усилию в зубчатой передаче.

Коэффициент трения значительно ниже при использовании роликового подшипника, чем при использовании зубчатой передачи.

На фиг. 5а иллюстративно показан один оборот вращающегося ударного механизма, в котором используются двенадцать роликов. На фиг. 5Ь детально показана форма ударного импульса вращающегося ударного механизма, который происходит в каждой точке, где ролик проходит по волне на волнообразной обойме. На фиг. 5Ь:

А - плавная кривая в начале воздействия;

В - плавный переход к пиковой величине;

С - величина, поддерживаемая до точки, после которой следует плавный переход к следующему циклу;

Ό - плавное завершение цикла; и

Е - показывает, что амплитуда и форма импульса будет зависеть от количества используемых роликов и форму волнообразной обоймы. Таким образом возможны самые разнообразные конструкции для различных условий применения. Плавные кривые воздействия в течение всего цикла приводят к ускорению сверления, получению отверстий улучшенной формы, снижению нагрузки на оператора и длительному сроку службы сверл.

Специалист в данной области техники мог бы внести несущественные модификации в изобретение, описанное в настоящем патентном документе, без отхода от сущности изобретения.

Claims (7)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Вращательный перфоратор, содержащий корпус;

   приводной вал, опирающийся на подшипники в корпусе для вращения относительно корпуса, причем приводной вал имеет ось;

   комплект вращающихся несущих элементов с опорой внутри корпуса и неподвижных относительно корпуса, причем упомянутые вращающиеся несущие элементы распределены в плоскости, перпендикулярной оси приводного вала;

   ударный узел, содержащий волнообразную обойму, причем упомянутый ударный узел имеет опору в корпусе для осевого и вращательного движения относительно корпуса, приводной вал соединен с ударным узлом для приведения в движение ударного узла, в то же время позволяя осуществлять осевое перемещение между приводным валом и ударным узлом; и комплект вращающихся несущих элементов и волнообразная обойма, обращенные друг к другу в корпусе и входящие в зацепление друг с другом для сообщения ударного действия ударному узлу, когда приводной вал и ударный узел совместно вращаются в корпусе под осевой нагрузкой.
2. 2. Вращательный перфоратор по п.1, отличающийся тем, что вращающимися несущими элементами являются роликовые подшипники.
3. 3. Вращательный перфоратор по п.1, отличающийся тем, что волнообразная обойма имеет несущую поверхность, которая соответствует синусоиде.
4. 4. Вращательный перфоратор по п.1, отличающийся тем, что волнообразная обойма имеет плавно неровную несущую поверхность.
5. 5. Вращательный перфоратор по п.4, отличающийся тем, что плавно неровная несущая поверхность имеет пики и впадины на равном расстоянии друг от друга.
6. 6. Вращательный перфоратор по п.1, отличающийся тем, что осевые силы сообщаются приводным валом волнообразной обойме только путем контакта между вращающимися несущими элементами и волнообразной обоймой.
7. 7. Вращательный перфоратор по п.1, отличающийся тем, что приводным валом является приводной вал механизированного инструмента.