EP0438029A1

EP0438029A1 - Schlageinrichtung

Info

Publication number: EP0438029A1
Application number: EP90810866A
Authority: EP
Inventors: Josef Erlach
Original assignee: Sulzer AG; Gebrueder Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1990-01-15
Filing date: 1990-11-12
Publication date: 1991-07-24
Anticipated expiration: 2010-11-12
Also published as: FI906465A0; FI906465A; ZA908924B; AU632652B2; CA2033848C; FI94036B; ATE98547T1; DE59003889D1; EP0438029B1; US5161623A; FI94036C; CA2033848A1; JPH04217472A; AU6933491A

Abstract

Die Erfindung handelt von einem über Kurbeltrieb (2) betätigten Antriebskolben (6), der über die Verdichtung eines Luftpolsters einen freiliegenden Schlagkolben (1), welcher zwischen Luftpolstern (10, 20) gelagert ist und welcher eine als Bär ausgebildete Kolbenstange (12) aufweist, antreibt. Ein in Schlagrichtung (13) treibendes Stosspolster (10) wird über eine Vorpumpe, die mit dem Kurbeltrieb gekoppelt ist, aufgeladen. Vom Schlagweg des Schlagkolbens abhängig werden die Luftpolster so umgesteuert, dass jeweils eine Teilmenge um den Schlagkolben herum auf die Gegenseite geführt wird, um durch diese Aufladung eine höhere Federsteifigkeit zu erreichen, als dies mit dem ursprünglichen Kammervolumen möglich ist. Höhere Schlagfrequenzen sind möglich und die Kammern werden gespült, was die Schmierung erleichtert. <IMAGE>

Description

Die Erfindung handelt von einer Schlageinrichtung mit einem über Kurbeltrieb betätigten Antriebskolben, der über die Verdichtung eines Luftpolsters einen freifliegenden Schlagkolben, welcher zwischen Luftpolstern gelagert ist und welcher eine als Bär ausgebildete Kolbenstange aufweist, antreibt.
Schlageinrichtungen dieser Art werden für handgeführte oder auf Lafetten geführte Bohr- und schlagwerkzeuge eingesetzt. In den Patentschriften DE 21 55 689, DE 28 54 569, DE 28 32 169, DE 20 23 913, DE 24 61 662, DE 26 41 070, DE 22 07 962 und DE 31 21 616 sind Schlageinrichtungen gezeigt, die über Luftpolster einen Schlagkolben antreiben, der auf ein Werkzeug oder einen Werkzeughalter schlägt. Bei der Dimensionierung solcher Systeme stellt man auf der einen Seite fest, dass das nicht lineare Federverhalten und die Speicherwirkung von Luftpolstern Vorteile in sich birgt, indem die übertragbare Kraft hoch ansteigen kann bevor mechanische Berührung über das Polster in den Kolbenflächen stattfindet. Auf der anderen Seite sind der Dimensionierung mit Luftfedern Grenzen gesetzt, da bei geometrisch ähnlichen Anordnungen mit wachsender Dimension die Massen der bewegten Körper wie zum Beispiel der Schlagbären schneller wachsen als die Federkräfte zur Bewegungsübertragung. Die Bemühungen der Hersteller von Schlageinrichtungen laufen darauf hinaus, einem Schlagbär bei einer gewünschten Schlagkadenz möglichst viel kinetische Schlagenergie zu erteilen und die Uebertragungs- und Umsteuerverluste klein zu halten. In diesem Sinn besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein weiteres Uebertragungssystem für eine Schlageinrichtung zu schaffen, das durch geschickte Anordnung eine grosse Schlagleistung mit geringen Uebertragungsverlusten und mit geringem Platzbedarf ermöglicht. Gemäss der Erfindung wird die Aufgabe gelöst, indem mindestens das in Schlagrichtung treibende Stosspolster über eine Vorpumpe, die mit dem Kurbeltrieb gekoppelt ist, aufladbar ist, indem abhängig vom Schlagweg des Schlagkolbens ein Teil des Stosspolsters über einen Mitten-Bypass am Schlagkolben vorbei einem Rückstosspolster, das entgegen der Schlagrichtung auf den Schlagkolben wirkt, zuführbar ist, und indem für Stosspolster und Rückstosspolster die Luftauslassmenge durch einen Mitten-Luftauslass über den Weg des Schlagkolbens steuerbar ist.
Die Vorteile der Erfindung liegen darin, dass das System während eines Schlagzyklus zwangsweise ein nicht umkehrbares Verhalten seiner Luftfedern aufweist, indem immer dann wenn ein Kolben eine bestimmte Soll-Position erreicht hat, ein Teil des anstehenden Luftpolsters als Arbeitsspeicher auf der Gegenseite wirksam wird und dort im Vergleich zur Kolbenbewegung sehr schnell die Kompression erhöht. Dies führt zu einer hohen Schlagfrequenz und kleinen Abmessungen. Die Schlagleistung wird erhöht, ohne das Standzeitvermögen des Meissels zu verschlechtern. Ausserdem findet eine Luftumwälzung entlang der bewegten Teile statt, die bei Zusetzen von Oelnebel, wie z.B. durch Ansaugen mit der Vorpumpe aus dem Kurbelgehäuse, das Schmierproblem löst. Im Verlauf eines Zyklus werden alle Kammern zur Atmosphäre belüftet, sodass kleine Leckagen kompensiert werden und sich nicht nachteilig auf die Lage des freifliegenden Schlagkolbens auswirken. Dem Kurbeltrieb wird auch während der Rückholbewegung für den Arbeitskolben Arbeit abverlangt, die während der Stossbewegung an den Schlagkolben abgegeben wird.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1A, 1B, 1C, 1D, 1E:: Im Längsschnitt die schematische Anordnung der Elemente einer Schlageinrichtung während der geführten Stossbewegung eines Antriebskolbens und
Fig. 2:: Im Längsschnitt die schematische Anordnung der Elemente einer Schlageinrichtung mit einem Antriebskolben im Umkehrpunkt, wobei der Schlagkolben im Leerlauf ohne Arbeitsabgabe an ein Werkzeug umgesteuert wird.

Die Figuren zeigen eine Schlageinrichtung mit einem Kurbeltrieb betätigten Antriebskolben 6, der über die Verdichtung eines Luftpolsters einen freifliegenden Schlagkolben 11, welcher zwischen Luftpolstern 10, 20 gelagert ist und welcher eine als Bär ausgebildete Kolbenstange 12 aufweist, antreibt.
Erfindungsgemäss ist mindestens das in Schlagrichtung 13 treibende Stosspolster 10 über eine Vorpumpe, die mit dem Kurbeltrieb 2 gekoppelt ist, aufladbar, ist abhängig vom Schlagweg des Schlagkolbens 11 ein Teil des Stosspolsters 10 über einen Mitten-Bypass 19 am Schlagkolben 11 vorbei einem Rückstosspolster 20, das entgegen der Schlagrichtung 13 auf den Schlagkolben 11 wirkt, zuführbar, und ist für Stosspolster 10 und Rückstosspolster 20 die Luftauslassmenge durch einen Mitten-Luftauslass 14 über den Weg des Schlagkolbens 11 steuerbar. Die abhängigen Ansprüche 2 bis 6 beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
In Fig. 1A sind ein freifliegender Schlagkolben 11 und ein Antriebskolben 6 mit gleichem Durchmesser in einem Zylinder 1 geführt und mit Weichdichtungen 7 am Kolbenmantel und an den Kolbenstangen 12, 18 abgedichtet. Am Antriebskolben 6 überträgt ein Zapfen 5 die Bewegung eines Kurbeltriebs 2, der mit einer Kurbel in Drehrichtung 4 einen Kurbelweg 3 mit oberem Totpunkt 21 und mit unterem Totpunkt 22 durchläuft. Die Kolbenstange 18 weist Bohrungen 9 auf, die beim Durchlaufen des oberen Totpunktes 21 den durch die Ringkolbenfläche 8 begrenzten Ringraum mit dem Kurbelraum oder der Atmosphäre verbinden. Nach dem Durchlaufen des oberen Totpunktes 21 wird der Ringraum der Ringkolbenfläche 8 zwangsläufig verschlossen und das enthaltene Luftpolster wird auf dem Weg zum unteren Totpunkt von Umgebungsdruck auf mehrere Atmosphären verdichtet. Diese Aufladearbeit wird dem Kurbeltrieb während dem Rücklauf vom oberen Totpunkt 21 zum unteren Totpunkt 22 abverlangt. Mit dem Erreichen des unteren Totpunktes 22 wird zwangsläufig die Auslassöffnung vom Endlagen-Bypass 23 zum Stosspolster 10 freigegeben. In der in Fig. 1A gezeichneten Lage bewegt sich der Schlagkolben entgegen der Schlagrichtung 13 und hat bereits einen Mitten-Luftauslass 14 abgedeckt, während das Stosspolster 10 über den Endlagen-Bypass 23 zusätzlich vorverdichtet wird, bis die Auslassöffnung vom Endlagen-Bypass 23 wie in Fig. 1B gezeigt vom geführten Antriebskolben 6 abgedeckt ist.
Durch die zusätzliche Vergrösserung der Dichte im Stosspolster 10 erhält dieses die Wirkung von einem grösseren Arbeitsspeicher, da die durch die gegenläufige Bewegung von Antriebskolben 6 und Schlagkolben 11 fortgesetzte Kompression im Druck-Volumendiagramm (p-V Diagramm) auf einer höheren p. V ≈ konstant - Linie verläuft.
In der Fig. 1C hat bereits die Bewegungsumkehr des Schlagkolbens 11 in die Schlagrichtung 13 stattgefunden. Der Mitten-Luftauslass 14, der während der Bewegungsumkehr für das Rückstosspolster 20 offen war, ist bereits wieder abgedeckt, der Arbeitskolben 6 hat seine grösste Geschwindigkeit in Schlagrichtung 13 überschritten und das Stosspolster 10 hat ein kleines Volumen angenommen, das aufgrund der Vorverdichtung mit grösser werdendem Abstand zwischen Schlagkolben 11 und Arbeitskolben 6 weniger schnell an Druckkraft verliert. Das Rückstosspolster 20, das vorher über den Mitten-Luftauslass 14 entlüftet wurde, baut ausgehend vom Umgebungsdruck mit forschreitender Verkleinerung einen relativ geringen Gegendruck auf der Ringkolbenfläche des Schlagkolbens 11 auf.
In Fig. 1D hat der Schlagkolben 11 seine grösste kinetische Energie annähernd erreicht, befindet sich zeitlich gesehen kurz vor dem Aufschlagen auf den Werkzeughalter 15 und räumlich gesehen zwischen den Anschlussöffnungen eines Mitten-Bypasses 19, der abhängig vom Weg des Schlagkolbens 11 eine Verbindung zwischen Stosspolster 10 und dem Rückstosspolster 20 herstellt. Während dieser kurzzeitigen Ueberbrückung wird das Rückstosspolster 20 zusätzlich auf einen höheren Druck aufgeladen, um eine stärkere Federwirkung für das Umsteuern des Schlagkolbens 11 nach der Schlagabgabe auf den Werkzeughalter 15 zu erzielen. In Fig. 1E schlägt der Schlagkolben 11 auf dem Werkzeughalter 15 auf. Mit dem Schliessen der Anschlussöffnung des Mitten-Bypasses 19 auf der Seite vom Rückstosspolster 20 durch den Schlagkolben 11 hat dieser gleichzeitig den Mitten-Luftauslass 14 für das Stosspolster 10 freigegeben. Das Stosspolster 10 entlädt sich und verbessert die Kräftebilanz am Schlagkolben 11 zugunsten einer schnellen Bewegungsumkehr entgegen der Schlagrichtung 13. Das abgeschlossene Rückstosspolster 20 wird weiter komprimiert bis die kinetische Energie des Schlagkolbens 11 aufgezehrt ist und eine Bewegungsumkehr stattfindet. Die Federwirkung des Rückstosspolsters 20 und der Druck im Raum zwischen Kolbenstange 12 und Werkzeughalter 15 bringen den Schlagkolben 11 zurück in die Ausgangssituation gemäss Fig. 1A.
Falls der in Fig. 1E gezeigte Werkzeughalter 15 sich nicht im Schlagbereich des Schlagkolbens 11 befindet, muss die Bewegungsumkehr im Leerlauf ohne Schlagabgabe erfolgen. Die kinetische Energie des Schlagkolbens 11 ist ohne Schlagabgabe wesentlich höher in Schlagrichtung 13. Das eingeschlossene Rückstosspolster 20 wird sehr viel stärker komprimiert bis der Schlagkolben 11 einen Umkehrpunkt erreicht hat, der wie in Fig. 2 gezeigt, wesentlich näher beim Zylinderdeckel 16 liegt. Ohne die in Fig. 1D gezeigte zusätzliche Aufladung des Rückstosspolsters 20 über den Mitten-Bypass 19 wäre der Umkehrpunkt so nahe am Zylinderdeckel 16, dass Berührungsschläge auftreten könnten. Die Federwirkung dieses Rückstosspolsters ist jedoch viel zu gross, wenn sie sich über den ganzen Rückweg des Schlagkolbens 11 entfalten kann. Aus diesem Grund wird der Schlagkolben 11 schon vor dem Erreichen des Umkehrpunktes mit einem in seinem Strömungswiderstand einstellbaren Leerlauf-Bypass 17 überbrückt, der eine Teilentspannung des Rückstosspolsters 20 zum Stosspolster 10 zulässt, solange jede der beiden Anschlussöffnung vom Leerlauf-Bypass 17 an der Zylindermantelfläche mit einem anderen Luftpolster verbunden ist.
Beim Anfahren der Schlageinrichtung ergibt sich nach wenigen Zyklen ein vom Weg des Schlagkolbens 11 abhängiger, in engen Grenzen wiederholbarer Druckverlauf im Stosspolster 10 und im Rückstosspolster 20. Die Bypässe 17, 19, 23 und der Mitten-Luftauslass 14 weisen jeweils einen einstellbaren kleinsten Querschnitt auf mit dem eine Feineinstellung der Drosselwirkung vorgenommen wird. Mit dem zwangsweise vom Weg des Antriebskolbens 6 und vom Weg des Schlagkolbens 11 abhängigen Ansteuern der verschiedenen Luftpolster wird ein nichtlineares Verhalten des Systems erreicht, was zeitlich kurze Zyklen und eine grosse Leistungsübertragung ermöglicht.
Da während eines Zyklus mehrere Kompressionsvorgänge mit Luft auf Drücke von mehreren 10 bar vorgenommen werden und auch Reibungswärme erzeugt wird, ist eine Kühlung unbedingt notwendig, um die Temperaturen im Griff zu haben. Bei intensiver Kühlung ist es über ein Ausgleichsvolumen zwischen Mitten-Luftauslass 14 und den Ansaugöffnungen 9 möglich, ohne Ansaugen von Frischluft mit einem annähernd geschlossenen Luftkreislauf zu arbeiten, um von der Verschmutzung der Umgebungsluft unabhängig zu sein.
Ein besonderes Anwendungsgebiet ergibt sich im Bergbau beim Bohren von Sprenglöchern mit handgeführten Bohrhämmern. Hier sind die verlangten Schlagleistungen im Vergleich zu Handwerkerbohrmaschinen so hoch, dass die eingangs erwähnte Baugrössenüberlegung mit den schneller als die Druckkräfte wachsenden Massen sich als Grenze erweist, wenn nicht wie in der vorliegenden Erfindung andere Mittel zur Erhöhung der Druckkräfte eingesetzt werden.

Claims

Schlageinrichtung mit einem über Kurbeltrieb (2) betätigten Antriebskolben (6), der über die Verdichtung eines Luftpolsters einen freifliegenden Schlagkolben (11), welcher zwischen Luftpolstern (10, 20) gelagert ist und welcher eine als Bär ausgebildete Kolbenstange (12) aufweist, antreibt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens das in Schlagrichtung (13) treibende Stosspolster (10) über eine Vorpumpe, die mit dem Kurbeltrieb (2) gekoppelt ist, aufladbar ist, dass abhängig vom Schlagweg des Schlagkolbens (11) ein Teil des Stosspolsters (10) über einen Mitten-Bypass (19) am Schlagkolben (11) vorbei einem Rückstosspolster (20), das entgegen der Schlagrichtung (13) auf den Schlagkolben (11) wirkt, zuführbar ist, und dass für Stosspolster (10) und Rückstosspolster (20) die Luftauslassmenge durch einen MittenLuftauslass (14) über den Weg des Schlagkolbens (11) steuerbar ist.
Schlageinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Antriebskolben (6) und Schlagkolben (11) den gleichen Durchmesser aufweisen und in einem gemeinsamen Zylinder (1) laufen.
Schlageinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Rückstosspolsters (20) bei einem überlangen Schlagweg des Schlagkolbens (11), wenn dieser auf keinen Widerstand stösst, vom Schlagweg abhängig über einen Leerlauf -Bypass (17) dem Stosspolster (10) zuführbar ist.
Schlageinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitungen (17, 19) und der Mitten-Luftauslass (14) einstellbare Strömungswiderstände aufweisen.
Schlageinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebskolben (6) mit einer rückseitigen Ringkolbenfläche (8) als Vorpumpe ausgebildet ist, die zwangsläufig und abhängig vom Weg des Antriebskolbens (6) Luft während dem Erreichen des oberen Totpunktes (21) vom Kurbeltrieb (2) über Einlassöffnungen (9) ansaugt und verdichtet während dem Erreichen des unteren Totpunktes (22) über einen Endlagen-Bypass (23) am Antriebskolben vorbei an das Stosspolster (10) abgibt.
Schlageinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen zu den Bypässen (17, 19) und die Auslassöffnung (14) über die Schieberwirkung zwischen Zylinder (1) und der Mantelfläche vom Schlagkolben (11) ansteuerbar sind, dass die öffnung zum Endlagen-Bypass (23) über die Schieberwirkung zwischen Zylinder (1) und der Mantelfläche vom Antriebskolben (6) ansteuerbar ist, und dass die Einlassöffnungen (9) über die Schieberwirkung zwischen der Kolbenstange (18) des Antriebskolbens (6) und ihrer dichtenden Gegenfläche ansteuerbar ist.
Handgeführter oder lafettengeführter Bohrhammer für den Bergbau, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Schlageinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 aufweist.