EP2002086B1 - Druckluftmotor für drehangetriebene werkzeuge - Google Patents

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EP2002086B1
EP2002086B1 EP07702822A EP07702822A EP2002086B1 EP 2002086 B1 EP2002086 B1 EP 2002086B1 EP 07702822 A EP07702822 A EP 07702822A EP 07702822 A EP07702822 A EP 07702822A EP 2002086 B1 EP2002086 B1 EP 2002086B1
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air
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air motor
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Jan Sitzler
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Schmid and Wezel GmbH and Co
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01D15/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of engines with devices driven thereby
    • F01D15/06—Adaptations for driving, or combinations with, hand-held tools or the like control thereof
    • F01D15/062—Controlling means specially adapted therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B23/00—Portable grinding machines, e.g. hand-guided; Accessories therefor
    • B24B23/02—Portable grinding machines, e.g. hand-guided; Accessories therefor with rotating grinding tools; Accessories therefor
    • B24B23/026—Fluid driven
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D15/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of engines with devices driven thereby
    • F01D15/06—Adaptations for driving, or combinations with, hand-held tools or the like control thereof
    • F01D15/065—Adaptations for driving, or combinations with, hand-held tools or the like control thereof with pressure-velocity transformation exclusively in rotor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/50—Intrinsic material properties or characteristics
    • F05D2300/501—Elasticity

Definitions

  • the invention relates to a compressed air motor for rotary-driven tools, for example grinding equipment with a controller for speed limitation according to the preamble of the protection claim 1.
  • a compressed air motor is from the US Pat. No. 3,578,872 A1 known.
  • air motors are turbines, vane motors and gear motors into consideration.
  • Pneumatic drives with a controller are for example from DE 43 20 532 C1 and the DE 44 28 039 C1 known.
  • the object underlying the invention is to provide a controller in such a motor, which makes reliably a speed limit to a certain value possible.
  • FIG. 1 shows a powered with a pneumatic motor according to the invention grinder, which in reality has about 1.3 to 1.5 times the size as in the drawing and is held in the hand of the person working with it. But there are also a tool spindle or a robot tool into consideration.
  • the grinder has two housing parts 1 and 2 bolted together. At the right end a cover 9 is screwed onto the housing part 1. Between the housing parts 1 and 2 is a bearing plate 3 (see. FIG. 3 [c] ), which is provided along its circumference with openings 4. In its interior, the bearing plate 3 holds a ball bearing 5, in which the spindle 6 is rotatably mounted. At the left end of the spindle 6 carries a receptacle 100, in which, for example, a grinding tool can be clamped.
  • a controller 10 ( FIG. 3 [g] ) formed by a first plate 11, a second plate 12 (FIG. Figure 3 [e] ) and an air baffle 13 ( FIG. 3 [d] ).
  • the plate 12 has a hub 14. On the hub 14 sits an elastic and circular in cross-section ring 15, in principle, an O-ring, which forms the actual control element.
  • the plate 12 has a flange 16 which is provided with openings 17 along a circle. The arrangement is such that a compressed air flow entering through the openings 17 in the space 25 is directed to the ring 15 and is deflected in the position shown by this upwards.
  • the plate 11 has openings 18 (see Figure 3 [e] ), which are also on a circular line, but the radius is slightly larger than the radius on which the openings 17 are located.
  • the holes 18 are provided in part in the bottom 19 of this cup-shaped plate 11 and partly in the edge 20 of the plate 20. Between the bottom 19 and the edge 20 of the cup-shaped first plate 11 and the flange 16 of the second plate 12 on the other hand, there is a space 25. A through the openings 17 in the space 25 incoming air flow can therefore, if the ring 15, the position shown flows past this past the openings 17 to the openings 18.
  • Through the openings 18 in the plate 11 then enters the air flow in a chamber 26 in the baffle plate 13 (see FIG. 3 [d] ) one.
  • the air flow then flows via openings 28 into the bore 30, which is provided axially in the spindle 6 via three radial channels 27 distributed along the circumference.
  • the route of the air flow from the openings 17 into the bore 30 has been described.
  • the air flow passes through the central air inlet channel 40 in the housing part 1 and a conically widening chamber 35, which is formed between the likewise conical separating sleeve 41 and the controller 10.
  • the separating sleeve 41 is clamped between the housing part 1 and the bearing plate 3.
  • the air flow passes through the bore 45 in four nozzles 85, 86, 87 and 88, which are formed between the four air vanes 81, 82, 83 and 84.
  • two air guide vanes each on one of the two mirror-image halves 51, 52 (see FIG FIGS. 3 [a] and [b] ) of the turbine wheel 50.
  • the halves 51, 52 are offset by 90 ° into one another and by tightening the with the Thread 7 provided plate 11 at the end of the spindle 6 held together (see FIG. 2 ).
  • the nozzles 85, 86, 87 and 88 extend in a direction perpendicular to the spindle 6 level.
  • the air flow passes tangentially to the circular shape of the turbine wheels from the nozzles and thus drives by recoil the spindle 6 and with her a tool recorded by it.
  • the elastic ring 15 due flattening the centrifugal force acting on it and the support at the openings 18 and the edge 20 and thereby assumes an oval shape with a horizontal position of the longer axis.
  • the ring 15 closes the openings 18 with increasing speed (cf. FIG. 2a ).
  • the possible intermediate positions depend on the speed and thus the centrifugal force. In this way, sets a certain speed, which is less than the maximum achievable. If the speed drops, the ring 15 releases the holes 18 again.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Druckluftmotor für drehangetriebene Werkzeuge, zum Beispiel Schleifgeräte mit einem Regler zur Drehzahlbegrenzung nach dem Oberbegriff des Schutzanspruches 1. Ein solcher Druckluftmotor ist aus der US 3 578 872 A1 bekannt. Als Druckluftmotoren kommen Turbinen, Lamellenmotoren und Zahnradmotoren in Betracht. Druckluftantriebe mit einem Regler sind zum Beispiel aus der DE 43 20 532 C1 und der DE 44 28 039 C1 bekannt.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, bei einem solchen Motor einen Regler zu schaffen, der zuverlässig eine Drehzahlbegrenzung auf einen bestimmten Wert möglich macht.
  • Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale nach dem Kennzeichen des Schutzanspruches 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es stellen dar:
    • Figur 1
    einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel;
    Figur 2
    den rechten Teil in Figur 1 in vergrößerter Darstellung;
    Figur 2a
    den elastischen Ring 15 mit den unmittelbar umgebenden Bauteilen in einer Stellung, in der er die Öffnungen 18 verschließt;
    Figuren 3(a) bis (g)
    die Hälften 51 und 52 des Turbinenrades 50, die Lagerplatte 3, die Luftleitplatte 13, die Lochplatten 11 und 12 sowie den Regler 10, jeweils in perspektivischer Darstellung;
    Figur 4
    einen Schnitt in Richtung der Pfeile IV-IV in Figur 2.
  • Figur 1 zeigt ein mit einem Druckluftmotor gemäß der Erfindung betriebenes Schleifgerät, das in der Realität etwa die 1,3- bis 1,5-fache Größe wie in der Zeichnung aufweist und von der Person, die damit arbeitet, in der Hand gehalten wird. Es kommen aber auch eine Werkzeugspindel beziehungsweise ein Roboterwerkzeug in Betracht.
  • Das Schleifgerät weist zwei miteinander verschraubte Gehäuseteile 1 und 2 auf. Am rechten Ende ist auf das Gehäuseteil 1 ein Deckel 9 aufgeschraubt. Zwischen die Gehäuseteile 1 und 2 ist eine Lagerplatte 3 (vgl. Figur 3[c]) eingespannt, die entlang ihres Umfanges mit Öffnungen 4 versehen ist. In ihrem Inneren hält die Lagerplatte 3 ein Kugellager 5, in dem die Spindel 6 drehbar gelagert ist. Am linken Ende trägt die Spindel 6 eine Aufnahme 100, in die zum Beispiel ein Schleifwerkzeug eingespannt werden kann.
  • Mit der Spindel 6 mittels eines Gewindes 7 fest verschraubt ist ein Regler 10 (Figur 3[g]), gebildet durch eine erste Platte 11, eine zweite Platte 12 (Figur 3[e]) und eine Luftleitplatte 13 (Figur 3[d]). Die Platte 12 weist eine Nabe 14 auf. Auf der Nabe 14 sitzt ein elastischer und im Querschnitt kreisförmiger Ring 15, im Prinzip ein O-Ring, der das eigentliche Regelungselement bildet. Im Anschluss an die Nabe 14 weist die Platte 12 einen Flansch 16 auf, der entlang eines Kreises mit Öffnungen 17 versehen ist. Die Anordnung ist derart, dass ein durch die Öffnungen 17 in den Raum 25 eintretender Druckluftstrom auf den Ring 15 gerichtet ist und in der gezeigten Stellung durch diesen nach oben abgelenkt wird.
  • Die Platte 11 weist Öffnungen 18 auf (vergleiche Figur 3[e]), die ebenfalls auf einer Kreislinie liegen, deren Radius jedoch etwas größer ist als der Radius, auf dem die Öffnungen 17 liegen. Die Löcher 18 sind zum Teil in den Boden 19 dieser topfartig ausgebildeten Platte 11 und zum Teil im Rand 20 der Platte 20 vorgesehen. Zwischen dem Boden 19 und dem Rand 20 der topfartig ausgebildeten ersten Platte 11 und dem Flansch 16 der zweiten Platte 12 andererseits befindet sich ein Raum 25. Ein durch die Öffnungen 17 in den Raum 25 eintretender Luftstrom kann also, sofern der Ring 15 die gezeigte Stellung einnimmt, an diesem vorbei von den Öffnungen 17 zu den Öffnungen 18 hindurchfließen. Durch die Öffnungen 18 in der Platte 11 tritt dann der Luftstrom in eine Kammer 26 in der Luftleitplatte 13 (vergleiche Figur 3[d]) ein. Über drei entlang des Umfangs verteilte radiale Kanäle 27 fließt dann der Luftstrom über Öffnungen 28 in die Bohrung 30, die axial in der Spindel 6 vorgesehen ist.
  • Vorstehend wurde der Weg des Luftstroms von den Öffnungen 17 in die Bohrung 30 beschrieben. Zu den Öffnungen 17 gelangt der Luftstrom über den zentralen Lufteintrittskanal 40 im Gehäuseteil 1 und eine sich konisch erweiternde Kammer 35, die zwischen der ebenfalls konischen Trennhülse 41 und dem Regler 10 ausgebildet ist. Die Trennhülse 41 ist zwischen Gehäuseteil 1 und Lagerplatte 3 eingespannt.
  • Aus der Bohrung 30 in der Spindel 6 tritt der Luftstrom durch die Bohrung 45 in vier Düsen 85, 86, 87 und 88 ein, die zwischen den vier Luftleitschaufeln 81, 82, 83 und 84 ausgebildet sind. Um dies zu erreichen, sind je zwei Luftleitschaufeln an einer der beiden spiegelbildlich ausgebildeten Hälften 51, 52 (vergleiche Figur 3[a] und [b]) des Turbinenrades 50 vorgesehen. Die Hälften 51, 52 werden um 90° versetzt ineinander gefügt und durch Anziehen der mit dem Gewinde 7 versehenen Platte 11 am Ende der Spindel 6 zusammengehalten (siehe Figur 2). Die Düsen 85, 86, 87 und 88 verlaufen in einer senkrecht zur Spindel 6 liegenden Ebene. Der Luftstrom tritt tangential zur Kreisform der Turbinenräder aus den Düsen aus und treibt damit durch Rückstoß die Spindel 6 und mit ihr ein von ihr aufgenommenes Werkzeug an.
  • Fließt der Luftstrom von der Kammer 35 über die Öffnungen 17, die Kammern 25, die Öffnungen 18, die Kammern 26, die Kanäle 27 und die Öffnungen 28 in die Bohrung 30, so erfolgt eine drehzahlabhängige Regelung dadurch, dass sich der elastische Ring 15 infolge der auf ihn wirkenden Fliehkraft und der Abstützung an den Öffnungen 18 und dem Rand 20 abplattet und dabei eine ovale Form mit horizontaler Lage der längeren Achse annimmt. Derart verschließt der Ring 15 mit zunehmender Drehzahl die Öffnungen 18 (vgl. Figur 2a). Die möglichen Zwischenstellungen hängen von der Drehzahl und damit der Fliehkraft ab. Auf diese Weise stellt sich eine bestimmte Drehzahl ein, die geringer als die maximal erreichbare ist. Fällt die Drehzahl ab, gibt der Ring 15 die Löcher 18 wieder frei.
  • Der Rückfluss der Luft erfolgt über den Raum 60, der sich zwischen den Turbinenrädern 51, 52 und dem Gehäuseteil 2 ergibt, ferner über die Öffnungen 4 in der Lagerplatte 3 und den ringförmigen Raum 61 zwischen Trennhülse 41 und dem Gehäuseteil 1. Von dort fließt der Luftstrom durch die Auslasskanäle 70 im Gehäuseteil 1 und den Durchlass 71 zwischen Deckel 9 und dem stutzenartigen Ende des Gehäuses 1.
  • Auf diese Weise wird eine zuverlässige und einfache Drehzahlbegrenzung, zum Beispiel auf etwa 45.000 U/min im Bereich optimaler Ausnutzung der im Luftstrom enthaltenen Energie erreicht. Sie hängt insbesondere von den Dimensionen der Öffnungen 17, 18 der Größe des Ringes 15 und seiner Elastizität ab. Üblicherweise beträgt der Druck, der an industriellen Arbeitsplätzen, wo derartige Geräte eingesetzt werden, bereit steht und mit dem derartige Schleifgeräte betrieben werden, ca. 6 - 7 bar.

Claims (11)

  1. Druckluftmotor für ein drehangetriebenes Werkzeug, beispielsweise ein Schleifgerät, bei dem die Druckluft eine Spindel, die an ihrem Ende eine Aufnahme für ein Werkzeug trägt, in Drehrichtung antreibt, und der ein unter dem Einfluss der Fliehkraft seine Form und/oder seine Lage veränderndes Regelungselement aufweist, das durch einen elastischen Ring (15) gebildet wird, der in Strömungsrichtung der Druckluft vor Öffnungen (18) angeordnet ist, die auf einer Lochplatte (11) entlang einer Kreislinie angeordnet sind und der durch die Fliehkraft so verformt wird, dass er die Öffnungen (18) in Abhängigkeit von der Drehzahl mehr oder weniger abdeckt beziehungsweise freigibt, wobei er die Öffnungen (18) bei zunehmender Drehzahl zunehmend verschließt, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (15) in einer Kammer (25) angeordnet ist, in die die Druckluft über weitere Öffnungen (17) in einer weiteren Lochplatte (12) zuströmt und aus der sie durch die erstgenannten Öffnungen (18) abströmt, wobei diese weiteren Öffnungen (17) entlang einer Kreislinie angeordnet sind, deren Radius geringer ist als der Radius der Kreislinie, entlang der die erstgenannten Löcher (18) angeordnet sind, und der Ring (15) in nicht verformter Lage einen Durchlass zwischen den weiteren Öffnungen (17) und den erstgenannten Öffnungen (18) freigibt.
  2. Druckluftmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erstgenannte Lochplatte (11) und die zweitgenannte Lochplatte (12) sich im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse der Spindel (6) erstrecken und zwischen sich die Kammer (25) bilden.
  3. Druckluftmotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (17), über die die Druckluft in die Kammer (25) zuströmt, auf den Ring (15) gerichtet sind.
  4. Druckluftmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluft aus den erstgenannten Öffnungen (18) in das Innere einer Luftleitplatte (13) übertritt, aus der sie durch eine Bohrung (28) gelangt, die in der Spindel (6) einen Kanal (30) bildet, aus dem sie in das die Düsen (85 - 88) aufweisende Turbinenrad (50) eintritt.
  5. Druckluftmotor nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (10), bestehend aus den beiden mit Öffnungen (17, 18) versehenen Lochplatten (11, 12) und der Luftleitplatte (13) fest mit der Spindel (6) verbunden ist.
  6. Druckluftmotor nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (85, 86, 87, 88) durch Luftleitschaufeln (81, 82, 83, 84) gebildet werden, die auf mindestens einer Hälfte (51, 52) eines Turbinenrades (51, 52) angeordnet sind und dass das Turbinenrad (50) mit der Spindel (6) mitdreht.
  7. Druckluftmotor nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung der Druckluft zu dem Regler (10) durch eine im Wesentlichen konische, sich in Strömungsrichtung erweiternde Trennhülse (41) erfolgt, die den Regler (10) umgibt, und dass der Kanal zum Rückfluss der Druckluft nach Austritt aus den Düsen (85, 86, 87, 88) durch den Raum (61) zwischen Trennhülse (41) und Gehäuse (1) erfolgt.
  8. Druckluftmotor nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindel (6) in dem Gehäuse (1, 2) in einem Lager (5) gelagert ist, das von einer Lagerplatte (3) gehalten wird, wobei das die Düsen (85, 86, 87, 88) aufweisende Turbinenrad (50) auf einer Seite der Lagerplatte (3) und der mit der Spindel (6) mitdrehende Regler (10) auf der anderen Seite der Lagerplatte (3) angeordnet sind, und dass die Lagerplatte (3) Öffnungen (4) zum Durchtritt der rückfließenden Druckluft aufweist.
  9. Druckluftmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (50) durch zwei Hälften gebildet wird, die je mit zwei Luftleitschaufeln (81, 82; 83, 84) versehen sind, die beim Zusammenfügen miteinander die Düsen (85, 86, 87, 88) bilden.
  10. Druckluftmotor nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (85, 86, 87, 88) durch Luftleitschaufeln (80 - 83) gebildet werden, die zwischen zwei Hälften (51, 52) des Turbinenrades (50) angeordnet sind.
  11. Druckluftmotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Hälften (51, 52) des Turbinenrades (50) an ihren die Luftleitschaufeln (81, 82, 83, 84) tragenden Seiten spiegelbildlich ausgebildet sind.
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