EP1864760A2

EP1864760A2 - Handwerkzeugmaschine mit kurbelgetriebenem Luftfederschlagwerk

Info

Publication number: EP1864760A2
Application number: EP07109179A
Authority: EP
Inventors: Reinhard Schulz; Stefan Hammerstingl; Damir Cehajic
Original assignee: Hilti AG
Current assignee: Hilti AG
Priority date: 2006-06-08
Filing date: 2007-05-30
Publication date: 2007-12-12
Also published as: US20080047720A1; DE102006000279A1; EP1864760A3; JP2007326215A

Abstract

Eine Handwerkzeugmaschine mit einem zur Erzeugung von axialen Schlägen eines längs einer Schlagachse hin- und herbewegten Schlagkolbens geeigneten Luftfederschlagwerk, welches über einen Kurbelzapfen (4) eines drehend gelagerten Exzenters (5) angetrieben ist, dessen Masseverteilung bezüglich einer Exzenterachse (E) eine Unwucht (U) aufweist, die in der zur Exzenterachse (E) senkrechten Exzenterebene um einen Unwuchtwinkel ([phi]) zum im Kurbelradius (K) beabstandeten Kurbelzapfen (4) versetzt ist, der im Bereich von 70° bis 90° liegt.

Description

Die Erfindung bezeichnet eine Handwerkzeugmaschine mit einem kurbelgetriebenem Luftfederschlagwerk, insbesondere einen Kombihammer oder Meisselhammer.
Eine übliche derartige Handwerkzeugmaschine weist nach der DE2511083 ein von einem Elektromotor angetriebenes Kurbelgetriebe mit einem zum Kurbelradius spiegelsymmetrisch unwuchtkompensierten Exzenter auf, welches über eine Luftfeder einen Schlagkolben schwingend hin- und herbewegt, der direkt auf ein Schlagwerkzeug schlägt.
Ein derartiges Luftfederschlagwerk erregt hohe Schlagenergien nahezu rückwirkungsfrei. Dennoch werden die dabei erregten Schwingungen zu einem geringen Teil auch auf das Aussengehäuse der Handwerkzeugmaschine übertragen, wo sie schliesslich über den Handgriff vom Hand-Arm-System des Nutzers aufgenommen werden.
Zur Verminderung derartiger Vibrationen am Handgriff werden bei derartigen Handwerkzeugmaschinen oft passive, bspw. nach der DE19503526 , oder bei leistungsfähigen Handwerkzeugmaschinen auch aktive, bspw. nach der EP1221359 , Vibrationsdämpfungen eingesetzt.
Nach dem Superpositionsprinzip von Kräften kann mit entsprechend gegenphasigen Gegenkräften die Vibration theoretisch bis auf Null, praktisch nur zu einem Teil aktiv kompensiert werden. Bei üblichen nichtharmonischen, d.h. insbesondere zeitlich nicht sinusförmigen, Vibrationen kann dies durch eine hinreichend grosse Anzahl von harmonischen Gegenschwingungen unterschiedlicher Frequenz, Amplitude und Phase erzielt werden, wenn diese entsprechend gegenphasig zur Fourierzerlegung der Vibration gewählt werden.
Dazu geeignete Gegenkräfte entstehen bspw. bei beschleunigten Gegenschwingmassen. So wird nach der GB969215 bei einer Handwerkzeugmaschine die Vibration des Schlagwerks über Gegenschwingungen von mehreren gegenphasigen, jeweils harmonisch schwingenden Massen von rotierenden Exzentern kompensiert.
Da bei Luftfederschlagwerken die Hauptquelle der Vibrationen die rein axial orientierte, nichtharmonische Luftfederkraft ist, eignen sich zur Kompensation ebenfalls rein axial schwingende Massen. Die harmonische Grundschwingung der Luftfederkraft ist phasenversetzt zur Kurbelbewegung. So wird nach der EP1475190 bei einer Handwerkzeugmaschine mit einem kurbelgetriebenem Luftfederschlagwerk das den Schlagkolben führende Führungsrohr über einen weiteren Exzenter um 270° phasenversetzt zum Erregerkolben angetrieben und dadurch die axial orientierte harmonische Grundschwingung der Vibration teilweise kompensiert.
Zudem wird nach der GB474902 bei einer Handwerkzeugmaschine mit einem kurbelgetriebenen Federschlagwerk das den Schlagkolben führende Führungsrohr über eine unrunde Kurvenscheibe, welche an dem den Erregerkolben antreibenden Exzenter des Kurbelgetriebes ausgebildet ist, gegenphasig zum Erregerkolben bewegt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der konstruktiv einfachen Realisierung einer aktiven Vibrationsminderung für eine Handwerkzeugmaschine mit einem kurbelgetriebenem Luftfederschlagwerk.
Die Aufgabe wird im Wesentlichen durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
So weist eine Handwerkzeugmaschine ein zur Erzeugung von axialen Schlägen eines längs einer Schlagachse hin- und herbewegten Schlagkolbens geeignetes Luftfederschlagwerk auf, welches über einen Kurbelzapfen eines drehend gelagerten Exzenters angetrieben ist, dessen Masseverteilung bezüglich einer Exzenterachse eine Unwucht aufweist, die in der zur Exzenterachse senkrechten Exzenterebene um einen Unwuchtwinkel zum im Kurbelradius beabstandeten Kurbelzapfen versetzt ist, der in Drehrichtung im Bereich von 70° bis 90° liegt.
Durch die zum Kurbelzapfen geeignet unsymmetrisch angeordnete Unwucht wird ein Teil der harmonischen Grundschwingung der vom Luftfederschlagwerk erzeugten Vibration kompensiert. Da der Exzenter notwendiger Teil des Kurbelgetriebes ist, werden im Prinzip keine weiteren Bauteile benötigt, wodurch diese aktive Vibrationsminderung konstruktiv einfach und ökonomisch ist.
Vorteilhaft liegt die auf den Kurbelradius und die Flugkolbenmasse bezogene Unwucht im Bereich von 0.3 bis 1.0, wodurch die Unwucht geeignet dimensioniert ist
Vorteilhaft liegt bei einer Schlagfrequenz im Bereich von 5 Hz bis 25 Hz die auf den Kurbelradius und die Flugkolbenmasse bezogene Unwucht im Bereich von 0.4 bis 1.0.
Alternativ vorteilhaft liegt bei einer Schlagfrequenz im Bereich von 25 Hz bis 60 Hz die auf den Kurbelradius und die Flugkolbenmasse bezogene Unwucht im Bereich von 0.35 bis 0.9.
Alternativ vorteilhaft liegt bei einer Schlagfrequenz im Bereich von 60 Hz bis 100 Hz die auf den Kurbelradius und die Flugkolbenmasse bezogene Unwucht im Bereich von 0.3 bis 0.8.
Vorteilhaft weist (in Zylinderkoordinaten betrachtet) der Exzenter eine dem Kurbelzapfen längs der Exenterachse direkt benachbarte Kurbelscheibe mit einer in der Exzenterebene nicht rotationssymmetrischen Massenverteilung auf, die bezüglich des (vektoriellen) Kurbelradius nicht spiegelsymmetrisch ist, wodurch ein nahe an der Schlagachse angeordneter Exzenter mit dieser Unwucht nur geringe Kippmomente erzeugt. Zudem ist ein derartig geformter Exzenter einfach über ein Giessverfahren oder Schmiedeverfahren herstellbar.
Alternativ vorteilhaft weist (in Zylinderkoordinaten betrachtet) der Exzenter längs der Exenterachse zusätzlich zu einer dem Kurbelzapfen direkt benachbarten Kurbelscheibe eine beabstandete Zusatzmasse mit einer in der Exzenterebene nicht rotationssymmetrischen Massenverteilung auf, die bezüglich des (vektoriellen) Kurbelradius nicht spiegelsymmetrisch ist, wodurch ein nahe an der Schlagachse angeordneter Exzenter mit dieser Unwucht zusätzliche Kippmomente erzeugt, was insbesondere für Handwerkzeugmaschinen mit einem Schwerpunkt ausserhalb der Schlagachse geeignet ist.
Vorteilhaft ist der Exzenter mehrteilig ausgebildet und eine Exzenterwelle mit der Kurbelscheibe (9, 9') oder der, weiter vorteilhaft als ein exzentrischer Ring ausgeführten, Zusatzmasse (11) fest verbundenen ist, wodurch der Exzenter aus geometrisch einfachen Komponenten zusammensetzbar ist.
Die Erfindung wird bezüglich eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels näher erläutert mit:

Fig. 1 als Handwerkzeugmaschine
Fig. 2 als Einzelheit des Exzenters in Aufsicht
Fig. 3 als Variante des Exzenters im Längsschnitt
Fig. 4 als Variante des Exzenters im Querschnitt

Nach Fig. 1 weist eine drehschlagbohrende Handwerkzeugmaschine 1 ein axiale Schläge eines längs einer Schlagachse A hin- und herbewegten Schlagkolbens 2 auf ein Schlagwerkzeug 12 ausführendes Luftfederschlagwerk 3 auf, wobei an einem vom Aussengehäuse 7 ausgeformten Handgriff 8 eine geringe Vibration V auftritt, die (im allgemeinen zeitlich periodisch) schräg zur Schlagachse A orientiert ist. Der das Luftfederschlagwerk 3 erregende, längs der Schlagachse A hin- und herbewegte Erregerkolben 13 ist über ein Pleuel 14 mit einem im Kurbelradius K beabstandeten Kurbelzapfen 4 eines um eine Exzenterache E drehend in einem Lager 15 gelagerten Exzenters 5 verbunden, der über ein Zahnritzel 16 von einem Elektromotor 6 angetrieben ist. Der Exzenter 5 weist längs der Exenterachse E eine dem Kurbelzapfen 4 direkt benachbarte Kurbelscheibe 9 auf, die mit einer Exzenterwelle 10 fest verbunden ist.
Nach Fig. 2 weist die in der senkrecht zur Exenterachse E orientierten Exzenterebene dargestellte, mit der Exzenterwelle 10 fest verbundene Kurbelscheibe 9 eine nicht rotationssymmetrische Kontur und entsprechende Massenverteilung auf, die bezüglich des zum Kurbelzapfen 4 (vektoriell) gerichteten Kurbelradius K nicht spiegelsymmetrisch ist, wodurch der Exzenter 5 eine resultierende Unwucht U ausbildet (welche physikalisch äquivalent als eine im Betrag des Kurbelradius K beabstandeter Massenpunkt des ansonsten als masselos betrachteten Exzenters 5 dargestellt ist), die um einen Unwuchtwinkel [phi] von 80° zum (vektoriell) gerichteten Kurbelradius K zum Kurbelzapfen 4 versetzt ist.
Nach Fig. 3 weist ein alternativer Exzenter 5' zusätzlich zu einem Zahnrad 16' und einer im Lager 15 drehbar gelagerten Exzenterwelle 10' mit einer einstückig angeformten Kurbelscheibe 9', die direkt benachbart den im Kurbelradius K beabstandeten Kurbelzapfen 4' trägt, eine Zusatzmasse 11 auf, die längs der Exenterachse E von der Kurbelscheibe 9' beabstandet ist.
Nach Fig. 4 weist die als ein exzentrischer Ring ausgeführte Zusatzmasse 11 eine in der Exzenterebene zur Exzenterwelle 10' nicht rotationssymmetrischen Kontur und entsprechende Massenverteilung auf, die bezüglich zum Kurbelzapfen 4' gerichteten (vektoriellen) Kurbelradius K nicht spiegelsymmetrisch ist, wodurch der Exzenter 5' eine resultierende Unwucht U ausbildet (welche physikalisch äquivalent als eine im Betrag des Kurbelradius K beabstandeter Massenpunkt des ansonsten als masselos betrachteten Exzenters 5' dargestellt ist) die um einen Unwuchtwinkel [phi] von 80° zum (vektoriell) gerichteten Kurbelradius K zum Kurbelzapfen 4' versetzt ist. Der Exzenter 5' ist mit der Kurbelscheibe 5' und der Zusatzmasse 11 mehrteilig ausgebildet und über einen Presssitz mit Nut-Federpassung fest mit der Exzenterwelle 10 verbundenen.
Die nachfolgenden Dimensionierungen sind besonders geeignet:

1) Schlagfrequenz: 14 Hz; Flugkolbenmasse: 1400 g;
Kurbelradius: 4.7 cm; Unwucht: 4000 g cm
2) Schlagfrequenz: 50 Hz; Flugkolbenmasse: 170 g;
Kurbelradius: 1,7 cm; Unwucht: 150 g cm
3) Schlagfrequenz: 70 Hz; Flugkolbenmasse: 70 g;
Kurbelradius: 1,1 cm; Unwucht: 40 g cm

Claims

Handwerkzeugmaschine mit einem zur Erzeugung von axialen Schlägen eines längs einer Schlagachse (A) hin- und herbewegten Schlagkolbens (2) geeigneten Luftfederschlagwerks (3), welches über einen Kurbelzapfen (4, 4') eines drehend gelagerten Exzenters (5, 5') angetrieben ist, dessen Masseverteilung bezüglich einer Exzenterachse (E) eine Unwucht (U) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Unwucht (U) in der zur Exzenterachse (E) senkrechten Exzenterebene um einen Unwuchtwinkel ([phi]) zum im Kurbelradius (K) beabstandeten Kurbelzapfen (4, 4') versetzt ist, der in Drehrichtung im Bereich von 70° bis 90° liegt.
Handwerkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Schlagfrequenz im Bereich von 5 Hz bis 25 Hz die auf den Kurbelradius (K) und die Flugkolbenmasse bezogene Unwucht (U) im Bereich von 0.4 bis 1.0 liegt.
Handwerkzeugmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Schlagfrequenz im Bereich von 25 Hz bis 60 Hz die auf den Kurbelradius und die Flugkolbenmasse bezogene Unwucht (U) im Bereich von 0.35 bis 0.9 liegt.
Handwerkzeugmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Schlagfrequenz im Bereich von 60 Hz bis 100 Hz die auf den Kurbelradius und die Flugkolbenmasse bezogene Unwucht (U) im Bereich von 0.3 bis 0.8 liegt.
Handwerkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Exzenter (5) eine dem Kurbelzapfen (4) längs der Exenterachse (E) direkt benachbarte Kurbelscheibe (9) mit einer in der Exzenterebene nicht rotationssymmetrischen Massenverteilung aufweist, die bezüglich des Kurbelradius (K) nicht spiegelsymmetrisch ist.
Handwerkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Exzenter (5') längs der Exenterachse (E) zusätzlich zu einer dem Kurbelzapfen (4') direkt benachbarten Kurbelscheibe (9') eine beabstandete Zusatzmasse (11) mit einem in der Exzenterebene nicht rotationssymmetrischen Massenverteilung aufweist, die bezüglich des Kurbelradius (K) nicht spiegelsymmetrisch ist.
Handwerkzeugmaschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Exzenter (5, 5') mehrteilig ausgebildet und eine Exzenterwelle (10, 10') mit der Kurbelscheibe (9, 9') oder der Zusatzmasse (11) fest verbundenen ist.