EP1207018B1

EP1207018B1 - Electric hand tool with safety coupling

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: EP1207018A1; DE50112553D1; US20020062967A1; DE10057139A1; JP4063527B2; JP2002200579A; US6705410B2; CN1357435A

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.The invention refers to an electric hand tool for rotating tools with a safety clutch, which separates the much rotational energy storing electric motor from the rest of the power transmission chain in critical operating conditions, especially in a rotary hammer.

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.Electric hand tools such as rotary hammers are usually driven by a fast-rotating and thereby imparted via their moment of inertia much rotational energy storing electric motor. In order to protect the user in critical operating conditions, especially in a hooking of the tool, against impermissible deflections of the hand-held electric hand tool, either the drive energy must dissipate sufficiently fast or the power transmission chain between the rotational energy storing electric motor and the tool are separated sufficiently quickly. With electric hand tools of greater power, the drive energy does not sound sufficiently fast without additional measures.

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.To disconnect the power transmission chain couplings are interposed, which are already known in many ways. Usually trained as safety clutches, responsive to exceeding a certain torque, purely mechanical slip clutches, for example. According to the document DE4036912 or electrically controlled electromagnetic clutches. For power transmission in the engaged state are usually radially outside the two to be coupled coaxial waves arranged coupling means, which mediate the static friction caused by the contact force a frictional connection. Thus, for example, has the slip clutch according to the document EP694706 radially outside around two coaxially rotatable intermeshing hollow shafts around arranged frictional coupling means which slide along when an adjustable static friction against each other.

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.In electric hand tools with transverse to the tool axis arranged electric motor, the rotational movement is usually transformed via bevel gear from the rotor axis into the tool axis, wherein a conical pinion with respect to its axis of rotation on the rotor shaft, for example. According to the document DE-DM9208407, or arranged parallel to this. For the shortest possible design transverse to the tool axis interposed safety clutches are often arranged offset axially parallel in the force transmission chain and structurally integrated in intermediate gear stages, eg. According to the document US4346767. The disadvantage of such interposed safety clutches required for their storage additional bearings in the power transmission chain and the claimed housing volume in axial or staggered arrangement. More than two bearing points per shaft lead to disadvantageous tension in the drive train even at low displacements.

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.The object of the invention is to realize a safety coupling directly to the high-speed rotor shaft, which advantageously only a small axial extension of the height is due to the integration of the safety coupling. Another aspect is the active deceleration of the rotor.

Die Aufgabe wird im wesentlichen durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.The object is essentially achieved by the features of the independent claims. Advantageous developments emerge from the subclaims.

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.In essence, the safety coupling, which ensures a slip-free co-rotating during normal operation and, under critical operating conditions, a free rotation of both shafts, is formed between the rotor shaft and the pinion shaft. The rotor shaft engages axially in a coaxially rotatably mounted on this, pinion shaft, said inner bearing is advantageously designed as a sliding bearing, which further advantageously centered with a central ball with respect to the common axis of rotation and with sufficiently long axial sliding surfaces for tilt-free acquisition of the pinion provided transverse forces is provided. By way of a radial outer bearing arranged in the axial engagement region, both the rotor shaft and, mediated via the inner bearing, the pinion shaft are rotatably mounted in the housing, wherein the rotor bearing opposite the electric motor absorbs the transverse forces.

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.Advantageously, the safety coupling is designed as an electromagnetic clutch, wherein the, respectively at least in the radially outer of the facing end faces of ferromagnetic material existing, rotor rotatably on the pinion shaft as well as the armature disc rotationally fixed on the rotor shaft is arranged and in normal operation by the, via a, advantageously in the radially outward on the housing arranged, current-carrying magnetic coil generated magnetic flux against a spring force pulled axially against each other and connected with respect to the rotational movement against each other non-positively or positively. Advantageously, the hollow-cylindrical magnet coil mounted on the non-ferromagnetic end shield of the housing, which in turn is surrounded by the rotor disk for coupling the magnetic flux, has the outer bearing of the pinion shaft and the rotor shaft in the interior, whereby a nesting of this outer bearing of the pinion and the rotor shaft, the rotor disc and the magnetic coil is formed in a narrow axial region and thus only a small axial extension of the height is due to the integration of the safety coupling.

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.In a separation of the power transmission through the electromagnetic clutch reaches the braked over the tool and the transmission with high friction pinion shaft relatively quickly to a standstill. The connection of the relatively low-mass armature disk with the rotor shaft increases their rotational energy to be considered under critical operating conditions only insignificantly, whereby the electric motor expires as usual. Advantageously, the electromagnetic clutch is energized only after the electric motor has come to a standstill, whereby an unintentional power transmission to the tool is safely excluded.

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.Further advantageously, designed as a cup-shaped clutch cover, the armature disc facing, axial counter surface of the armature disc in the radially outer region on a friction lining, which in critical operating conditions, mediated by the spring force of an axially biased by the electromagnetic clutch within the armature disc spring, with the rotating armature disc comes into frictional contact and thus slows down the electric motor via the armature disc to a standstill and thereby dissipates its high rotational energy.

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.The solenoid can be mounted on the bearing plate of the housing and preassembled together with the rotor disc and the pinion shaft. In this, the rotor shaft is inserted together with the armature disk and also serving as a dust cover housing cover in a next step.

Die Erfindung wird nachfolgend als Ausführungsbeispiel näher erläutert anhand von

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

The invention will be explained in more detail as an exemplary embodiment with reference to FIG

Fig. 1 as electric hand tool and
Fig. 2 as a detail with safety coupling.

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.As shown in FIG. 1, a power hand tool 1 schematically indicated in its entirety comprises an electric motor 2 in a housing 3, a pinion 4 driving the first gear stage of a transmission, and a safety clutch 5 arranged between it and the electric motor 2.

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.According to Fig. 2 is within the power transmission chain of the electric motor 2 to the first gear stage of a transmission driving, straight toothed pinion 4, the safety clutch 5, advantageously designed as an electromagnetic clutch with a solenoid 6, with a designated as rotor disc 7 abtreibenden clutch disc and as Anchor plate 8 designated driving clutch disc arranged. The hollow cylindrical magnet coil 6 comprises a radial outer bearing 9 of a pinion shaft 10 integrally connected to the pinion 4, which receives in its interior side of the pinion 4 opposite side rotatably connected to the electric motor 2 rotor shaft 11 and coaxially rotatably supported in an inner bearing 12, which is designed as a sliding bearing, provided with a centering ball and with sufficiently long axial sliding surfaces for tilt-free acquisition of the recorded by the pinion 4 transverse forces. Both the rotor shaft 11 and, mediated via the inner bearing 12, the pinion shaft 10 are rotatably mounted in the housing 3 via the outer bearing 9 arranged in the axial engagement region, wherein a rotor bearing 13 lying opposite the electric motor 2 absorbs the transverse forces. Both the rotatably fixed on the pinion shaft 10 arranged rotor disc 7 and the non-rotatably mounted on the rotor shaft 11 arranged armature disc 8, at least in the radially outer of the facing end faces of ferromagnetic material. By a, of the radially outer arranged, current-carrying magnetic coil 6 generated, magnetic flux, the armature plate 8 is pulled against a spring force axially to the rotor 7 and connected to this with respect to the rotational movement against each other non-positively or positively. The hollow cylindrical magnet coil 6 mounted on a non-ferromagnetic bearing plate 14 for fastening the outer bearing 9 to the housing 3, which in turn is surrounded by the rotor disk 7 or the armature disk 8 for coupling the magnetic flux with respect to three free sides, comprises the outer bearing 9 in the interior the pinion shaft 10 and the rotor shaft 11, whereby a nesting of this outer bearing 9 of the pinion shaft 10 and the rotor shaft 11, the rotor disc 7 and the magnet coil 6 in a narrow axial region arises. A friction lining 15, which is arranged on the, the armature disk 8 facing, resting axial counter-surface 16 of the clutch cover in the radially outer region, via the spring force of a leaf spring designed, axially biased spring 17, with the rotor disk 7 facing away from, end face of the armature disk 8 in frictional contact. The rotor shaft 11 with the armature disk 8 and the opposing surface 16 designed as a clutch cover can be inserted in the direction of the end shield 14 in the magnetic coil 6 fastened to the end shield 14 of the housing 3 as well as in the inner bearing 12 of the pinion shaft 10 and the carrier 7 fixed thereto.

Claims

An electric hand tool (1) with an electric motor (2), of which the rotor shaft (11) - which is rigidly attached, i.e. so as to be incapable of independent rotation - drives a gear via a pinion (4) rigidly attached to a pinion shaft (10), a safety coupling (5) being provided between the rotor shaft (11) and pinion shaft (10), characterized in that, in an inner bearing arrangement (12), the rotor shaft (11) axially engages in the pinion shaft (10) which is mounted on said rotor shaft (11) so as to be coaxially rotatable.
An electric hand tool according to Claim 1, characterized in that a radial outer bearing arrangement (9) is provided in the axial area of contact of the inner bearing arrangement (12).
An electric hand tool according to one of the preceding claims, characterized in that the inner bearing arrangement (12) takes the form of a sliding bearing having sufficiently long axial sliding surfaces for the tilt-free taking-up of the transverse forces transmitted to the pinion.
An electric hand tool according to one of the preceding claims, characterized in that a rotor disc (7) is rigidly fixed to the pinion shaft (10) and an armature disc (8) is rigidly fixed to the rotor shaft (11).
An electric hand tool according to Claim 4, characterized in that, in the radial outer region, a friction lining (15) is provided on a static, axial mating surface - facing the armature disc (8) - of a clutch cover (16).
An electric hand tool according to one of the preceding claims, characterized in that the safety coupling (5) takes the form of an electromagnetic clutch.
An electric hand tool according to Claim 6, characterized in that the outer bearing arrangement (9) is disposed inside a surrounding hollow cylindrical magnet coil (6).
An electric hand tool according to Claim 6 or Claim 7, characterized in that the magnet coil (6) is fixed to a bearing plate (14) for the outer bearing arrangement (9).