EP1584422B1 - Verfahren und Einrichtung zur Reduktion von Druckspitzen in einer Handwerkzeugmaschine mit elektropneumatischem Schlagwerk - Google Patents
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- EP1584422B1 EP1584422B1 EP04101433A EP04101433A EP1584422B1 EP 1584422 B1 EP1584422 B1 EP 1584422B1 EP 04101433 A EP04101433 A EP 04101433A EP 04101433 A EP04101433 A EP 04101433A EP 1584422 B1 EP1584422 B1 EP 1584422B1
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Definitions
- the invention relates to an electro-pneumatic percussion of a power tool with an electric motor-driven excitation piston according to the preamble of claim 1.
- a power tool with an electric motor-driven excitation piston according to the preamble of claim 1.
- Such a machine is for example DE 10 348 514 B3 or JP 61095807 A known.
- a hand-held power tool is understood to mean above all an electropneumatic rotary and / or chisel hammer.
- an electric motor is an excitation piston cyclically driven back and forth via an eccentric shaft (connecting rod drive) or a swashplate.
- the exciter piston acts on a compressed air piston, which in particular compresses this directly on a tool holder and thus on a tool, optionally via an interposed further air shock pad or an anvil, which then in turn a shock wave to the tool which removes a subsoil.
- the Fig. 5 The accompanying drawings illustrate the basic principle of a conventional electropneumatic percussion, as used for example in drills and / or chisel hammers.
- an excitation piston 1 In the region of a drive-side end of a guide tube 4, an excitation piston 1 is cyclically, ie reciprocally driven, driven by an eccentric disc or shaft 2 through a connecting rod 3.
- the Fig. 5 illustrates the rear or top dead center position of the exciter piston 1.
- the excitation piston 1 begins its working stroke and compresses an air cushion or shock pad, hereinafter referred to as air spring 9, if previously Schnufö Stamm 6, which are used in particular for idle shutdown of the striking mechanism, are closed by an axially displaceable slide or valve sleeve 5.
- air spring 9 if previously Schnufö Stamm 6, which are used in particular for idle shutdown of the striking mechanism, are closed by an axially displaceable slide or valve sleeve 5.
- the exciter piston 1 acts on a flying mass 7, which is greatly accelerated and its kinetic energy acts either via a shock pad 10 or possibly directly on a striker 8, the shock wave generated thereby on a (not shown) tool holder or thus on a tool, in particular a chisel transfers.
- Fig. 5 shown basic structure of an electro-pneumatic impact mechanism is only to be understood as an example.
- So Schlagmaschinee of this type are known in which the flying mass 7 directly to a tool holder or a tool, that is without the interposition of an anvil, acts.
- the so-called idle shutdown shown here by means of Schnauflöchern 6 and valve sleeve 5, be designed completely different, for example, be replaced by a regulator arrangement by means of the pressure in the air spring 9 and thus can regulate the single impact energy.
- the basic structure of the electropneumatic impact mechanism in the Fig. 5 represented and described above corresponds.
- the flying piston 7 in a working stroke of the excitation piston 1 via the air spring 9 forward, ie accelerated in the direction of striker 8, so he meets with a terminal velocity v before on the striker 8 and is reflected at this.
- the shock generates a shock wave that propagates through the striker 8 to the tool tip and there performs the actual mining work.
- the flying mass 7 flies back at a reduced speed.
- the backward movement of the excitation piston 1 is ahead of that of the flying piston 7, so that a negative pressure is created between the excitation piston 1 and the flying piston 7, which accelerates the flying mass 7 backwards in the direction of the exciter piston 1. If the exciter piston 1 reaches the rear reversal point, then the flying piston 7 still moves in the direction of the excitation piston 1. As a result, the air spring 9 is strongly compressed. This results in both high pressure peaks, as well as high torque peaks in the bearings of the connecting rod 3 and in particular on the exciter piston shaft (not shown). These pressure spikes generate more or less intense vibrations throughout the device.
- a special problem is also the vibrations caused by the high pressure peaks, which mainly burden the hand-arm system of a device user.
- the invention is similar to DE 103 48 514 B3 or the JP 61095807 A the task of further reducing pressure peaks in the electro-pneumatic percussion of a hand tool.
- An electropneumatic percussion a hand tool with an electric motor driven exciter piston which acts on a compressed in a working stroke gas, in particular air spring on a tool drivingly driving air piston or intermediate piston, and in which between the exciter piston and the flight or intermediate piston in addition a mechanical, elastic compression spring acts, which can be attached to the excitation piston or the intermediate piston, in particular on the flying piston, according to the invention is characterized in that the exciter piston or on the intermediate piston mounted pressure spring on a respective piston skirt surrounding relative to the piston axially displaceable baffle sleeve on the intermediate piston on the one hand and the excitation piston on the other hand acts.
- the spring hardness or spring characteristics of the air spring on the one hand and the elastic compression spring on the other hand coordinated so that pressure peaks on the drive of the excitation piston compared to a pressure spring impact mechanism clearly, in particular to a minimum value can be reduced.
- the slimmer exciter piston 1 surrounds a supported on this via an annular shoulder 15 elastic compression spring 12, which may be designed in particular as a helical spring or disc spring.
- the elastic compression spring 12 acts on a guided on the outer circumference in the guide tube 4 on the tapered excitation piston 1 axially displaceable baffle sleeve 11, at the free, frontal peripheral surface, a first sealing ring 16 is inserted.
- a second, inner sealing ring 13 is seated in an annular groove in the region of the end face of the exciter piston 1 and ensures a seal between the excitation piston 1 and the axially displaceable baffle sleeve 11.
- Die Fig. 1 shows the representation in Fig. 5 corresponding neutral position; the excitation piston 1 is at the top or rear dead center; the Schnaufö réelleen 6 are released at forward or downward shifted control sleeve 5.
- the Fig. 2 illustrates an intermediate position of the exciter piston 1 in its backward stroke, namely at the time at which the subsequent flying piston 7 reaches the protruding relief spring 12 protruding sleeve 11, ie the time at which the elastic compression spring 12 begins to act.
- the air spring 9 is now trapped in the space within the protruding baffle sleeve 11.
- the integrated in the exciter piston 1 (or in the air piston 7) elastic compression spring 12 is now connected in parallel to the air spring 9 and is compressed.
- the characteristic of the air spring 9 is linearized, which causes the pressure or force peaks smoothed and reduced.
- the acceleration phase in the return stroke of the excitation piston 1 is extended and more uniform and can be relatively close to the optimum of a constant acceleration phase, so that compared to the tip-like accelerations by the compression of the air spring 9 alone a significant improvement is achieved.
- the air spring 9 is highly compressed. At the same time but also by the displacement of the baffle sleeve 11 to the rear, the elastic compression spring 12 is compressed. Even before the compression spring 12 is fully compressed, the characteristic of the air spring 9 increases so much that the latter dominates the characteristic of the two parallel-acting springs.
- Hints for an optimal dimensioning of the additional elastic compression spring 12 as well as for an adapted optimization of the flying piston acceleration with a simultaneous maximum reduction of the transmitted to the hand-arm system of a user vibrations are shown below.
- x 0 basically designates the position at which the pressure p 0 is measured. If the external pressure is applied for p 0 (1 bar), then x 0 denotes the mean percussion length, since a negative pressure is generated in the operating state at the maximum distance between excitation piston 1 and flying piston 7.
- R denotes the spring constant and F 0 the spring preload.
- the graphic representation of the Fig. 4 shows the force curve (top) of the combination of the air spring 9 and an elastic compression spring 12, designed for a pneumatic percussion of a drill and / or chisel hammer.
- the air spring 9 developed only at very small distances between flight and excitation pistons of less than, for example, 7 mm relevant forces. This can be clearly seen from the characteristic curve of the percentage increase in force as a function of the distance x between flying and exciter pistons.
- the curve c the cumulative curve from a and b, the function of the additional elastic compression spring 12, namely the long range of the interaction force between exciter piston 1 and flying piston 7 recognize. From a certain distance between excitant and flying pistons, the elastic compression spring 12 dominates via the air spring 9. In this area, the behavior is mainly determined by the elastic compression spring, d. h., the force-displacement curve is linear to a good approximation, which is clearly evident from the cumulative curve c.
- x FK denotes the position of the flying mass 7, measured from the position of the impact in the direction of the striker 8, ie x FK is negative, when a movement towards the exciter piston 1 is assumed to be a positive speed.
- u (t) denotes the acceleration of the flying mass in [m / s 2 ] and m FK the mass of the flying mass in [kg].
- V is referred to before the impact velocity of the percussion piston 7 immediately before the impact and the rebound velocity v according to the collision.
Description
- Die Erfindung betrifft ein elektropneumatisches Schlagwerk einer Handwerkzeugmaschine mit einem elektromotorisch angetriebenen Erregerkolben nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Maschine ist z.B. aus
DE 10 348 514 B3 oderJP 61095807 A - Unter Handwerkzeugmaschine wird im Zusammenhang mit der Erfindung vor allem ein elektropneumatischer Bohr- und/oder Meisselhammer verstanden. Bei diesen Geräten wird durch einen Elektromotor ein Erregerkolben über eine Exzenterwelle (Pleuelantrieb) oder eine Taumelscheibe zyklisch hin- und hergehend angetrieben. Der Erregerkolben wirkt über eine von diesem komprimierte Gas- insbesondere Luftfeder auf einen Flugkolben, der entweder direkt auf einen Werkzeughalter und damit auf ein Werkzeug prallt, gegebenenfalls über ein dazwischengeschaltetes weiteres Luft-Stoßpolster oder über einen Döpper, der dann seinerseits eine Stoßwelle auf das Werkzeug weiterleitet, mit dem der Abbau eines Untergrunds erfolgt.
- Die
Fig. 5 der beigefügten Zeichnungen veranschaulicht das grundsätzliche Prinzip eines herkömmlichen elektropneumatischen Schlagwerks, wie es beispielsweise bei Bohr- und/oder Meisselhämmern zum Einsatz kommt. Im Bereich eines antriebsseitigen Endes eines Führungsrohrs 4 wird ein Erregerkolben 1 durch einen über eine Exzenterscheibe oder -welle 2 durch einen Pleuel 3 zyklisch, d. h. hin- und hergehend, angetrieben. DieFig. 5 veranschaulicht die hintere oder obere Totpunktstellung des Erregerkolbens 1. Bei einer Drehbewegung des Pleuels 3 beginnt der Erregerkolben 1 seinen Arbeitshub und komprimiert dabei ein Luftpolster oder Stoßpolster, im Folgenden als Luftfeder 9 bezeichnet, sofern zuvor Schnauföffnungen 6, die insbesondere zur Leerlaufabschaltung des Schlagwerks dienen, durch eine axial verschiebliche Schieber- oder Ventilhülse 5 verschlossen sind. Über die Luftfeder 9 wirkt der Erregerkolben 1 auf einen Flugkolben 7, der stark beschleunigt wird und dessen kinetische Energie entweder über ein Stoßpolster 10 oder gegebenenfalls direkt auf einen Döpper 8 wirkt, der die dabei generierte Stoßwelle auf einen (nicht gezeigten) Werkzeughalter bzw. damit auf ein Werkzeug, insbesondere einen Meissel, überträgt. - Der in
Fig. 5 gezeigte prinzipielle Aufbau eines elektropneumatischen Schlagwerks ist nur beispielhaft zu verstehen. So sind auch Schlagwerke dieser Art bekannt, bei denen der Flugkolben 7 direkt auf einen Werkzeughalter bzw. ein Werkzeug, also ohne Zwischenschaltung eines Döppers, einwirkt. Auch kann die so genannte Leerlaufabschaltung, hier dargestellt mittels Schnauflöchern 6 und Ventilhülse 5, völlig anders gestaltet sein, beispielsweise ersetzt sein durch eine Regleranordnung mittels der sich der Druck in der Luftfeder 9 und damit die Einzelschlagenergie regeln lassen. Für die folgenden allgemeinen Betrachtungen, die zur Erfindung hinführen sollen, wird davon ausgegangen, dass der prinzipielle Aufbau des elektropneumatischen Schlagwerks dem inFig. 5 dargestellten und oben beschriebenen entspricht. - Wird der Flugkolben 7 bei einem Arbeitshub des Erregerkolbens 1 über die Luftfeder 9 nach vorne, d. h. in Richtung Döpper 8 beschleunigt, so trifft er mit einer Endgeschwindigkeit vvor auf den Döpper 8 auf und wird an diesem reflektiert. Der Stoß generiert eine Stoßwelle, die sich durch den Döpper 8 bis an die Werkzeugspitze fortpflanzt und dort die eigentliche Abbauarbeit leistet. Nach dem Stoß fliegt der Flugkolben 7 mit einer reduzierten Geschwindigkeit zurück. Der Quotient zwischen der Geschwindigkeit nach und vor dem Stoß am Döpper 8 wird als Stoßzahl k definiert:
- Die Rückwärtsbewegung des Erregerkolbens 1 eilt derjenigen des Flugkolbens 7 voraus, so dass zwischen Erregerkolben 1 und Flugkolben 7 ein Unterdruck entsteht, der den Flugkolben 7 nach hinten in Richtung Erregerkolben 1 beschleunigt. Erreicht der Erregerkolben 1 den hinteren Umkehrpunkt, so bewegt sich der Flugkolben 7 immer noch in Richtung Erregerkolben 1. Dadurch wird die Luftfeder 9 stark komprimiert. Es entstehen dabei sowohl hohe Druckspitzen, als auch hohe Drehmomentspitzen in den Lagern des Pleuels 3 sowie insbesondere auf der Erregerkolbenwelle (nicht gezeigt). Diese Druckspitzen erzeugen im gesamten Gerät mehr oder weniger starke Vibrationen.
- Wegen dieser hohen Druckspitzen und der dadurch erzeugten hohen Momente an der Antriebswelle ist es erforderlich, die Wellen und Zahnräder bisher bekannter elektropneumatischer Schlagwerke nach diesen Momenten auszulegen, d. h., diese Spitzenmomente mit ihren Lastwechseln definieren den Durchmesser der Wellen bzw. die Dimensionierung von Getriebeelementen.
- Diese hohen Druckspitzen stellen aber auch hohe Anforderungen an die Dichtelemente im Schlagwerk. Die grundsätzlich mögliche Leistung eines Schlagwerks der genannten Art ist u. a. auch durch die maximal erreichbaren Drücke vorgegeben.
- Ein spezielles Problem sind auch die durch die hohen Druckspitzen verursachten Vibrationen, die vor allem das Hand-Arm-System eines Gerätebenutzers belasten.
- Aufgrund dieser Beobachtungen liegt der Erfindung ähnlich wie bei
DE 103 48 514 B3 oder derJP 61095807 A - Eine verbesserte Lösung dieser Aufgabe würde nicht nur eine nachhaltige, zusätzliche Verminderung der Vibrationswerte am Hand-Arm-System mit sich bringen, sondern auch bei gleicher oder höherer Schlagleistung die Möglichkeit eröffnen, die Getriebeelemente des Geräts schlanker und damit das Gerät insgesamt leichter bauen zu können.
- Ein elektropneumatisches Schlagwerk einer Handwerkzeugmaschine mit einem elektromotorisch angetriebenen Erregerkolben, der über eine in diesem bei einem Arbeitshub komprimierte Gas- insbesondere Luftfeder auf einen am Werkzeug schlagend antreibenden Flugkolben bzw. Zwischenkolben wirkt, und bei dem zwischen dem Erregerkolben und dem Flug- oder Zwischenkolben zusätzlich eine mechanische, elastische Druckfeder wirkt, die am Erregerkolben oder am Zwischenkolben, insbesondere am Flugkolben angebracht sein kann, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die am Erregerkolben oder am Zwischenkolben angebrachte Druckfeder über eine den jeweiligen Kolbenmantel umgebende, relativ zum Kolben axial verschiebliche Prellhülse auf den Zwischenkolben einerseits bzw. den Erregerkolben andererseits einwirkt.
- Zweckmäßiger- und vorteilhafterweise sind die Federhärten bzw. Federkennlinien der Luftfeder einerseits und der elastischen Druckfeder andererseits so aufeinander abgestimmt, dass Druckspitzen auf den Antrieb des Erregerkolbens im Vergleich zu einem druckfederlosen Schlagwerk deutlich, insbesondere auf einen Minimalwert, reduziert werden. Dazu ist es vorteilhaft, die elastische Druckfeder so auszulegen, dass sie bei maximaler Einzelhubkompression der Luftfeder beim Rückflug des Zwischenkolbens, d. h. bei geringstem Abstand zwischen Erreger- und Zwischenkolben, weitgehend vollständig komprimiert wird.
- Wie sich aus der nachfolgenden Beschreibung noch ersehen lässt, ist es von besonderem Vorteil, eine Umlaufdichtung zwischen der freien Umrandungsstirnfläche der Prellhülse und der gegenüberstehenden Stirnfläche des Zwischen- bzw. des Erregerkolbens vorzusehen.
- Eine Ausführungsform der Erfindung, die labormäßig erprobt wurde und die die derzeit beste bekannte Lösungsvariante darstellt, wird nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- in einer Schnittdarstellung den prinzipiellen Aufbau eines elektropneumatischen Schlagwerks mit parallel geschalteter, elastischer, mechanischer Druckfeder in hinterer Totpunktposition des Erregerkolbens;
- Fig. 2
- eine Zwischenposition im Arbeitshub des Erregerkolbens, bei der die elastische Druckfeder zu wirken beginnt, wenn der Flugkolben und eine Prellhülse am Erregerkolben aufeinander treffen;
- Fig. 3
- eine Hubposition des Erregerkolbens, insbesondere den unteren oder vorderen Totpunkt, bei der die erfindungsgemäße elastische Druckfeder vollständig oder weitgehend vollständig komprimiert ist;
- Fig. 4
- die Zunahme der Kraft zwischen Flug- und Erregerkolben, d. h. die durch die Druckkraft der Luftfeder aufgebaute Kraft (oben) bzw. die Zunahme der Kraft (unten), beides aufgetragen über dem Abstand zwischen Flugkolben und Erregerkolben bei zurückfahrendem Erregerkolben und nachfolgendem Flugkolben.
- Die anhand der
Fig. 5 erläuterten Bauteile bzw. die grundsätzliche Funktionsweise des elektropneumatischen Schlagwerks werden nicht erneut erläutert. In denFig. 1 bis 3 sind insoweit die gleichen Bezugshinweise eingetragen. - Anhand der Schnittdarstellungen eines elektropneumatischen Schlagwerks mit gemäß der Erfindung parallel geschalteter Druckfeder, wie in unterschiedlichen Arbeitspositionen in den
Fig. 1 bis 3 dargestellt, werden nachfolgend die erfindungssignifikanten Merkmale besonders erläutert. - Wie beispielsweise die
Fig. 1 zeigt, umgibt den verschlankten Erregerkolben 1 eine an diesem über eine Ringschulter 15 abgestützte elastische Druckfeder 12, die insbesondere als Schraubenfeder oder Tellerfeder ausgeführt sein kann. Andererseits wirkt die elastische Druckfeder 12 auf eine am Außenumfang im Führungsrohr 4 geführte auf dem verjüngten Erregerkolben 1 axial verschiebliche Prellhülse 11, an deren freier, stirnseitiger Umlauffläche ein erster Dichtring 16 eingesetzt ist. Ein zweiter, innerer Dichtring 13 sitzt in einer Ringnut im Bereich der Stirnfläche des Erregerkolbens 1 und sorgt für eine Abdichtung zwischen dem Erregerkolben 1 und der axial verschieblichen Prellhülse 11. DieFig. 1 zeigt die der Darstellung inFig. 5 entsprechende Leerlaufstellung; der Erregerkolben 1 steht im oberen oder hinteren Totpunkt; die Schnauföffnungen 6 sind bei nach vorne oder unten verschobener Steuerhülse 5 freigegeben. - Die
Fig. 2 veranschaulicht eine Zwischenposition des Erregerkolbens 1 bei dessen Rückwärtshub, und zwar zu dem Zeitpunkt, zu dem der nachfolgende Flugkolben 7 die bei entlasteter Druckfeder 12 vorstehende Prellhülse 11 erreicht, also dem Zeitpunkt, zu dem die elastische Druckfeder 12 zu wirken beginnt. Die Luftfeder 9 ist jetzt im Raum innerhalb der vorstehenden Prellhülse 11 gefangen. Die in den Erregerkolben 1 (oder auch in den Flugkolben 7) integrierte elastische Druckfeder 12 ist jetzt parallel zur Luftfeder 9 geschaltet und wird komprimiert. Dadurch wird die Kennlinie der Luftfeder 9 linearisiert, was bewirkt, dass die Druck- bzw. Kraftspitzen geglättet und reduziert werden. Die Beschleunigungsphase beim Rückwärtshub des Erregerkolbens 1 wird verlängert und gleichmäßiger und kann dem Optimum einer konstanten Beschleunigungsphase relativ nahe kommen, so dass gegenüber den spitzenartigen Beschleunigungen durch die Kompression der Luftfeder 9 allein eine wesentliche Verbesserung erreicht wird. - Mit zunehmender Annäherung des Flugkolbens 7 an den Erregerkolben 1 wird, wie die
Fig. 3 zeigt, die Luftfeder 9 stark komprimiert. Gleichzeitig wird aber auch durch die Verschiebung der Prellhülse 11 nach hinten die elastische Druckfeder 12 zusammengepresst. Noch bevor die Druckfeder 12 vollständig komprimiert ist, steigt die Kennlinie der Luftfeder 9 so stark an, dass letztere die Kennlinie der beiden parallel wirkenden Federn dominiert. - Anhaltspunkte für eine optimale Dimensionierung der zusätzlichen elastischen Druckfeder 12 sowie für eine angepasste Optimierung der Flugkolbenbeschleunigung mit einer gleichzeitigen maximalen Reduzierung der auf das Hand-Arm-System eines Benutzers übertragenen Vibrationen werden nachfolgend dargestellt.
-
- Dabei bedeutet p den Druck in der Luftfeder 9 und κ den Isentropen-Koeffizienten, der für Luft etwa κ = 1,4 beträgt. V bezeichnet das Volumen der Luftfeder, d. h. dieses Volumen ist abhängig vom Abstand x zwischen der dem Erregerkolben 1 zugewandten Hinterfläche 17 des Flugkolbens 7 und der gegenüberliegenden Vorderfläche 18 des Erregerkolbens 1. Es gilt:
- x:
- der variable Kompressionweg der Luftfeder oder der Abstand zwischen der Vorderfläche 18 des Erregerkolbens 1 und der Hinterfläche 17 des Flugkolbens 7;
- A:
- die Querschnittsfläche des Flugkolbens (bzw. Erregerkolbens);
- d:
- der Durchmesser des Flugkolbens (bzw. Erregerkolbens).
-
- Darin bezeichnet x0 zunächst grundsätzlich die Position, bei der der Druck p0 gemessen wird. Wird für p0 der Außendruck angesetzt (1 bar), so bezeichnet x0 die mittlere Schlagwerkslänge, da im Betriebszustand bei maximalem Abstand zwischen Erregerkolben 1 und Flugkolben 7 ein Unterdruck erzeugt wird.
-
- Darin bezeichnet R die Federkonstante und F0 die Federvorspannung. Die graphische Darstellung der
Fig. 4 zeigt die Kraftkennlinie (oben) der Kombination der Luftfeder 9 und einer elastischen Druckfeder 12, ausgelegt für ein pneumatisches Schlagwerk eines Bohr- und/oder Meisselhammers. - Für die beiden Kurvendarstellungen der
Fig. 4 gelten folgende Parameter:Führungsrohrdurchmesser: d = 30 mm Maximaler Kompressionsweg der Luftfeder: x0 = 35 mm Außendruck: p0 = 1 bar Isotropenkoeffizient für Luft: κ = 1.4 Federkonstante der zusätzlichen Druckfeder: R = 30 N/mm Wirkabstand der zusätzlichen Druckfeder: a = 25 mm Vorspannung der zusätzlichen Druckfeder: F0 = 10N. - Beim ersten Blick auf das obere Diagramm in
Fig. 4 scheint die elastische Druckfeder 12 (Kurve a) nur einen geringen Einfluss zu haben. Bei näherer Betrachtung jedoch sieht man, dass die elastische Druckfeder 12 eher langreichweitig wirkt und dort auch härter ist als die Luftfeder (Kurve b). Der Grund liegt darin, dass die Härte der Luftfeder 9 invers zum Abstand, d. h. hyperbolisch abnimmt, die der elastischen Druckfeder 12 aber nur linear. Das untere Diagramm derFig. 4 verdeutlicht das Kräfteverhältnis der beiden Federn. - Die Luftfeder 9 entwickelt erst bei sehr geringen Abständen zwischen Flug-und Erregerkolben von kleiner als beispielsweise 7 mm relevante Kräfte. Dies erkennt man gut aus der Kennlinie der prozentualen Kraftzunahme als Funktion des Abstands x zwischen Flug- und Erregerkolben. Die Kurve c, die Summenkurve aus a und b lässt die Funktion der zusätzlichen elastischen Druckfeder 12, nämlich die Langreichweitigkeit der Wechselwirkungskraft zwischen Erregerkolben 1 und Flugkolben 7 erkennen. Ab einer gewissen Distanz zwischen Erreger- und Flugkolben dominiert die elastische Druckfeder 12 über die Luftfeder 9. In diesem Bereich wird das Verhalten hauptsächlich durch die elastische Druckfeder bestimmt, d. h., die Kraft-Weg-Kennlinie ist in guter Näherung linear, was aus der Summenkurve c gut ersichtlich ist.
- Unter Bezug auf die am Ende der Beschreibung angegebenen Literaturstellen Lit. [1] und Lit. [2] wird nachfolgend ein mathematisches Modell für die optimale Erregung eines pneumatischen Schlagwerks für den beschriebenen Anwendungsfall erläutert.
-
- Darin bezeichnet xFK die Position des Flugkolbens 7, gemessen von der Position des Aufpralls in Richtung des Döppers 8, d. h. xFK ist negativ, wenn eine Bewegung in Richtung Erregerkolben 1 als positive Geschwindigkeit angenommen wird. u(t) bezeichnet die Beschleunigung des Flugkolbens in [m/s2] und mFK die Masse des Flugkolbens in [kg].
-
- Darin bezeichnet vvor die Aufprallgeschwindigkeit des Flugkolbens 7 unmittelbar vor dem Stoß und vnach die Rückprallgeschwindigkeit nach dem Stoß.
-
-
- Auf der rechten Seite der Gl. (4) stehen bekannte Größen. Die linke Seite beinhaltet den (noch) unbekannten Verlauf der Beschleunigung.
-
- Die mathematische Grundlage für die Lösung des Problems ist grundsätzlich in Lit. [1] und Lit. [2] beschrieben. Wendet man diesen bekannten mathematischen Ansatz auf das hier untersuchte Problem an, so erhält man für die optimale Beschleunigung u(t) des Flugkolbens, d. h. für eine Minimierung der Beziehung, nach Gl. (5):
-
-
-
- Als vorteilhaftes Ergebnis der Erfindung ergibt sich also bei einer Optimierung der Flugkolbenbeschleunigung auch eine Optimierung, also eine Minimierung, der Hand-Arm-Vibrationen.
-
- Lit. [1]:
- Babitsky, V. I.: Theory of Vibro Impact Systems and Applications. Springer Verlag, Berlin 1998.
- Lit. [2]:
- Babitsky, V. I.: Handheld Percussion Machine as a discrete nonlinear converter. Journal of Sound and Vibration, 214(1): 165-182, 1998.
Claims (5)
- Elektropneumatisches Schlagwerk einer Handwerkzeugmaschine mit einem elektromotorisch angetriebenen Erregerkolben (1), der über eine von diesem bei einem Arbeitshub komprimierte Gasfeder (9) auf einen ein Werkzeug schlagend antreibenden Flugkolben (7) wirkt, und mit einer zwischen dem Erregerkolben (1) und dem Flugkolben (7), am Erregerkolben (1) oder am Flugkolben (7) angebrachten und zusätzlich zwischen diesen beiden Kolben wirkenden elastischen, mechanischen Druckfeder (12), dadurch gekennzeichnet, dass die am Erregerkolben (1) oder am Flugkolben (7) angebrachte Druckfeder (12) über eine den Erregerkolbenmantel umgebende, relativ zum Erregerkolben (1) axial verschiebliche Prellhülse (11) auf den Flugkolben (7) einerseits bzw. den Erregerkolben (1) andererseits wirkt.
- Elektropneumatisches Schlagwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Federhärten bzw. Federkennlinien der Luftfeder (9) einerseits und der elastischen Druckfeder (12) andererseits so aufeinander abgestimmt sind, dass Druckspitzen auf den Antrieb des Erregerkolbens (1) gegenüber einem druckfederlosen Schlagwerk deutlich reduziert sind.
- Elektropneumatisches Schlagwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Druckfeder (12) so ausgelegt ist, dass sie bei maximaler Einzelhubkompression der Luftfeder (9), d. h. bei geringstem Abstand zwischen Erreger- und Flugkolben, weitgehend vollständig komprimiert ist.
- Elektropneumatisches Schlagwerk nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Umlaufdichtung (12, 13) zwischen der freien Umrandungsstirnfläche der Prellhülse (11) und der gegenüberstehenden Stirnfläche des Flug- bzw. des Erregerkolbens.
- Bohr- und/oder Meisselhammer, ausgerüstet mit einem elektropneumatischen Schlagwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4.
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