EP1207018B1

EP1207018B1 - Elektrohandwerkzeug mit Sicherheitskupplung

Info

Publication number: EP1207018B1
Application number: EP01811069A
Authority: EP
Inventors: Bernd Ziegler
Original assignee: Hilti AG
Current assignee: Hilti AG
Priority date: 2000-11-17
Filing date: 2001-11-06
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2021-11-06
Also published as: CN1357435A; JP2002200579A; DE10057139A1; US6705410B2; JP4063527B2; US20020062967A1; DE50112553D1; EP1207018A1

Description

Die Erfindung bezeichnet ein Elektrohandwerkzeug für rotierende Werkzeuge mit einer Sicherheitskupplung, welche bei kritischen Betriebszuständen den viel Rotationsenergie speichernden Elektromotor von der restlichen Kraftübertragungskette trennt, insbesondere bei einem Bohrhammer.
Elektrohandwerkzeuge wie Bohrhämmer werden üblicherweise von einem schnell rotierenden und dadurch vermittelt über ihr Massenträgheitsmoment viel Rotationsenergie speichernden Elektromotor angetrieben. Um den Anwender bei kritischen Betriebszuständen, insbesondere bei einer Verhakung des Werkzeuges, vor unzulässigen Auslenkungen des handgeführten Elektrohandwerkzeuges zu schützen, muss entweder die Antriebsenergie hinreichend schnell abklingen oder die Kraftübertragungskette zwischen dem Rotationsenergie speichernden Elektromotor und dem Werkzeug hinreichend schnell getrennt werden. Bei Elektrohandwerkzeug grösserer Leistung klingt ohne zusätzliche Massnahmen die Antriebsenergie nicht hinreichend schnell ab.
Zum Trennen der Kraftübertragungskette werden Kupplungen zwischengeschaltet, welche in vielfältiger Art vorbekannt sind. Üblich sind als Sicherheitskupplungen ausgebildete, bei Überschreitung eines bestimmten Drehmoments ansprechende, rein mechanische Schlupfkupplungen, bspw. nach der Druckschrift DE4036912 oder elektrisch gesteuerte elektromagnetische Kupplungen. Zur Kraftübertragung im eingekuppelten Zustand dienen zumeist radial ausserhalb der beiden zu kuppelnden koaxialen Wellen angeordnete Kupplungsmittel, welche über die Haftreibung vermittelt durch die Anpresskraft einen Kraftschluss bewirken. So weist bspw. die Schlupfkupplung nach der Druckschrift EP694706 radial ausserhalb um zwei koaxial drehbar ineinandergreifende Hohlwellen herum angeordnete kraftschlüssige Kupplungsmittel auf, welche bei Überschreitung einer einstellbaren Haftreibung aneinander entlanggleiten.
Bei Elektrohandwerkzeugen mit quer zur Werkzeugachse angeordnetem Elektromotor wird die Drehbewegung zumeist über Kegelgetriebe von der Rotorachse in die Werkzeugachse transformiert, wobei ein kegelförmiges Ritzel bezüglich seiner Drehachse auf der Rotorwelle, bspw. nach der Druckschrift DE-DM9208407, oder parallel zu dieser angeordnet ist. Für eine möglichst kurze Bauform quer zur Werkzeugachse werden in der Kraftübertragungskette zwischengeschaltete Sicherheitskupplungen häufig axial parallel versetzt angeordnet und baulich in Zwischengetriebestufen integriert, bspw. nach der Druckschrift US4346767. Nachteilig bei derart zwischengeschalteten Sicherheitskupplungen sind die für deren Lagerung benötigten zusätzlichen Lager in der Kraftübertragungskette sowie das beanspruchte Gehäusevolumen bei axialer oder versetzter Anordnung. Mehr als zwei Lagerstellen je Welle führen bereits bei geringen Verschiebungen zu nachteiligen Verspannungen im Antriebsstrang.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Realisierung einer Sicherheitskupplung unmittelbar an der schnelllaufenden Rotorwelle, wobei vorteilhaft nur eine geringe axiale Verlängerung der Bauhöhe durch die Integration der Sicherheitskupplung bedingt ist. Ein weiterer Aspekt besteht in der aktiven Abbremsung des Rotors.
Die Aufgabe wird im wesentlichen durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Im wesentlichen ist die Sicherheitskupplung, welche im Normalbetrieb ein schlupffreies Mitdrehen und bei kritischen Betriebszuständen ein freies Drehen beider Wellen gewährleistet, zwischen der Rotorwelle und der Ritzelwelle ausgebildet. Die Rotorwelle greift axial in eine, koaxial drehbar auf dieser gelagerten, Ritzelwelle ein, wobei diese Innenlagerung vorteilhaft als Gleitlager ausgebildet ist, welches weiter vorteilhaft mit einer zentralen Kugel bezüglich der gemeinsamen Drehachse zentriert und mit hinreichend langen axialen Gleitflächen zur verkantungsfreien Übernahme der durch das Ritzel aufgenommenen Querkräfte versehen ist. Über eine im axialen Eingriffsbereich angeordnete radiale Aussenlagerung werden sowohl die Rotorwelle als auch, vermittelt über die Innenlagerung, die Ritzelwelle drehbar im Gehäuse gelagert, wobei das bezüglich des Elektromotors gegenüberliegende Rotorlager die Querkräfte aufnimmt.
Vorteilhaft ist die Sicherheitskupplung als elektromagnetische Kupplung ausgeführt, bei welcher die, jeweils zumindest im radial Äusseren der einander zugewandten Stirnflächen aus ferromagnetischem Material bestehende, Läuferscheibe drehfest auf der Ritzelwelle sowie die Ankerscheibe drehfest auf der Rotorwelle angeordnet ist und im Normalbetrieb durch den über eine, vorteilhaft im radial Äusseren am Gehäuse angeordnete, stromdurchflossene Magnetspule erzeugten magnetischen Fluss gegen eine Federkraft axial aneinander gezogen und bezüglich der Drehbewegung gegeneinander kraft- oder formschlüssig verbunden werden. Vorteilhaft umfasst die am nicht ferromagnetischen Lagerschild des Gehäuses montierte hohlzylinderförmige Magnetspule, welche ihrerseits zur Einkopplung des magnetischen Flusses üblicherweise bezüglich drei freier Seiten von der Läuferscheibe umgeben ist, im Inneren die Aussenlagerung der Ritzel- und der Rotorwelle, wodurch eine Ineinanderschachtelung dieser Aussenlagerung der Ritzel- und der Rotorwelle, der Läuferscheibe und der Magnetspule in einem eng begrenzten axialen Bereich entsteht und somit nur eine geringe axiale Verlängerung der Bauhöhe durch die Integration der Sicherheitskupplung bedingt ist.
Bei einer Trennung der Kraftübertragung durch die elektromagnetische Kupplung gelangt die über das Werkzeug sowie das Getriebe mit hoher Reibung gebremste Ritzelwelle relativ schnell zum Stillstand. Die Verbindung der relativ massearmen Ankerscheibe mit der Rotorwelle erhöht deren bei kritischen Betriebszuständen zu berücksichtigende Rotationsenergie nur unwesentlich, wodurch der Elektromotor wie üblich ausläuft. Vorteilhaft wird die elektromagnetische Kupplung erst wieder bestromt, nachdem der Elektromotor zum Stillstand gekommen ist, wodurch eine unbeabsichtigte Kraftübertragung zum Werkzeug sicher ausgeschlossen ist.
Weiter vorteilhaft weist die als topfförmiger Kupplungsdeckel ausgebildete, der Ankerscheibe zugewandte, axiale Gegenfläche der Ankerscheibe im radial äusseren Bereich einen Reibbelag auf, welcher bei kritischen Betriebszuständen, vermittelt über die Federkraft einer durch die elektromagnetische Kupplung innerhalb der Ankerscheibe axial vorgespannten Feder, mit der rotierenden Ankerscheibe in Reibkontakt tritt und somit den Elektromotor über die Ankerscheibe bis zum Stillstand abbremst und dabei dessen hohe Rotationsenergie dissipiert.
Die Magnetspule kann am Lagerschild des Gehäuses befestigt und zusammen mit der Läuferscheibe und der Ritzelwelle vormontiert werden. In diese wird in einem nächsten Arbeitsschritt die Rotorwelle mitsamt der Ankerscheibe und dem auch als Staubschutz dienenden Gehäusedeckel eingeschoben.
Die Erfindung wird nachfolgend als Ausführungsbeispiel näher erläutert anhand von

Fig. 1 als Elektrohandwerkzeug und
Fig. 2 als Einzelheit mit Sicherheitskupplung.

Nach Fig. 1 weist ein in seiner Gesamtheit schematisch gekennzeichnetes Elektrohandwerkzeug 1 einen Elektromotor 2 in einem Gehäuse 3, ein die erste Getriebestufe eines Getriebes antreibendes Ritzel 4 und eine, zwischen diesem und dem Elektromotor 2 angeordnete, Sicherheitskupplung 5 auf.
Nach Fig. 2 ist innerhalb der Kraftübertragungskette von dem Elektromotor 2 zu dem, die erste Getriebestufe eines Getriebes antreibenden, geradeverzahnten Ritzel 4 die Sicherheitskupplung 5, vorteilhaft ausgeführt als elektromagnetische Kupplung mit einer Magnetspule 6, mit einer als Läuferscheibe 7 bezeichneten abtreibenden Kupplungsscheibe und einer als Ankerscheibe 8 bezeichneten antreibenden Kupplungsscheibe angeordnet. Die hohlzylinderförmige Magnetspule 6 umfasst eine radiale Aussenlagerung 9 einer mit dem Ritzel 4 einstückig verbundenen Ritzelwelle 10, wobei diese in ihrem Inneren seitens der dem Ritzel 4 gegenüberliegenden Seite eine mit dem Elektromotor 2 drehfest verbundene Rotorwelle 11 aufnimmt und koaxial drehbar in einer Innenlagerung 12 lagert, welche als Gleitlager ausgebildet, mit einer Zentrierkugel und mit hinreichend langen axialen Gleitflächen zur verkantungsfreien Übernahme der durch das Ritzel 4 aufgenommenen Querkräfte versehen ist. Über die im axialen Eingriffsbereich angeordnete Aussenlagerung 9 werden sowohl die Rotorwelle 11 als auch, vermittelt über die Innenlagerung 12, die Ritzelwelle 10 drehbar im Gehäuse 3 gelagert, wobei ein bezüglich des Elektromotors 2 gegenüberliegendes Rotorlager 13 die Querkräfte aufnimmt. Sowohl die drehfest auf der Ritzelwelle 10 angeordnete Läuferscheibe 7 als auch die drehfest auf der Rotorwelle 11 angeordnet Ankerscheibe 8 bestehen, zumindest im radial Äusseren der einander zugewandten Stirnflächen, aus ferromagnetischem Material. Durch einen, von der im radial Äusseren angeordneten, stromdurchflossenen Magnetspule 6 erzeugten, magnetischen Fluss wird die Ankerscheibe 8 gegen eine Federkraft axial an die Läuferscheibe 7 gezogen und mit dieser bezüglich der Drehbewegung gegeneinander kraft- oder formschlüssig verbunden. Die an einem nicht ferromagnetischen Lagerschild 14 für die Befestigung der Aussenlagerung 9 am Gehäuse 3 montierte hohlzylinderförmige Magnetspule 6, welche ihrerseits zur Einkopplung des magnetischen Flusses bezüglich drei freier Seiten von der Läuferscheibe 7 bzw. der Ankerscheibe 8 umgeben ist, umfasst im Inneren die Aussenlagerung 9 der Ritzelwelle 10 und der Rotorwelle 11, wodurch eine Ineinanderschachtelung dieser Aussenlagerung 9 der Ritzelwelle 10 und der Rotorwelle 11, der Läuferscheibe 7 und der Magnetspule 6 in einem eng begrenzten axialen Bereich entsteht. Ein Reibbelag 15, welcher auf der, der Ankerscheibe 8 zugewandten, ruhenden axialen Gegenfläche 16 des Kupplungsdeckels im radial äusseren Bereich angeordnet ist, tritt über die Federkraft einer als Blattfeder ausgeführten, axial vorgespannten Feder 17 mit der, der Läuferscheibe 7 abgewandten, Stirnfläche der Ankerscheibe 8 in Reibkontakt. Die Rotorwelle 11 mit der Ankerscheibe 8 und der als Kupplungsdeckel ausgeführten Gegenfläche 16 ist in die am Lagerschild 14 des Gehäuses 3 befestigte Magnetspule 6 sowie in die Innenlagerung 12 der Ritzelwelle 10 und der daran befestigten Läuferscheibe 7 in Richtung des Lagerschildes 14 einführbar.

Claims

Elektrohandwerkzeug (1) mit einem Elektromotor (2), dessen drehfest verbundene Rotorwelle (11) über ein drehfest mit einer Ritzelwelle (10) verbundenes Ritzel (4) ein Getriebe antreibt, wobei zwischen der Rotorwelle (11) und der Ritzelwelle (10) eine Sicherheitskupplung (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Innenlagerung (12) die Rotorwelle (11) axial in die, koaxial drehbar auf dieser gelagerten, Ritzelwelle (10) eingreift.
Elektrohandwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine radiale Aussenlagerung (9) im axialen Eingriffsbereich der Innenlagerung (12) angeordnet ist.
Elektrohandwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenlagerung (12) als Gleitlager mit hinreichend langen axialen Gleitflächen zur verkantungsfreien Übernahme der durch das Ritzel aufgenommenen Querkräfte ausgebildet ist.
Elektrohandwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Läuferscheibe (7) auf der Ritzelwelle (10) und eine Ankerscheibe (8) auf der Rotorwelle (11) jeweils drehfest befestigt ist.
Elektrohandwerkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reibbelag (15) auf einer, der Ankerscheibe zugewandten, ruhenden axialen Gegenfläche eines Kupplungsdeckels (16) im radial Äusseren Bereich angeordnet ist.
Elektrohandwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitskupplung (5) als elektromagnetische Kupplung ausgeführt ist.
Elektrohandwerkzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine hohlzylinderförmige Magnetspule (6) im Inneren die Aussenlagerung (9) umfasst.
Elektrohandwerkzeug nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspule (6) an einem Lagerschild (14) für die Aussenlagerung (9) befestigt ist.