EP2210711B1 - Schlagwerk und Handwerkzeugmaschine - Google Patents

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EP2210711B1
EP2210711B1 EP09178155A EP09178155A EP2210711B1 EP 2210711 B1 EP2210711 B1 EP 2210711B1 EP 09178155 A EP09178155 A EP 09178155A EP 09178155 A EP09178155 A EP 09178155A EP 2210711 B1 EP2210711 B1 EP 2210711B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
anvil
hammer mechanism
mechanism according
electromagnet
magnetic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP09178155A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2210711A1 (de
Inventor
Hanspeter Schad
Christoph Hakenholt
Serhey Khandozhko
Jochen Kuntner
Günther Sanchen
Chafic Abu Antoun
Johann Dorfmeister
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hilti AG
Original Assignee
Hilti AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hilti AG filed Critical Hilti AG
Publication of EP2210711A1 publication Critical patent/EP2210711A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2210711B1 publication Critical patent/EP2210711B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25D—PERCUSSIVE TOOLS
    • B25D11/00—Portable percussive tools with electromotor or other motor drive
    • B25D11/06—Means for driving the impulse member
    • B25D11/064—Means for driving the impulse member using an electromagnetic drive
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25D—PERCUSSIVE TOOLS
    • B25D2250/00—General details of portable percussive tools; Components used in portable percussive tools
    • B25D2250/345—Use of o-rings
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25D—PERCUSSIVE TOOLS
    • B25D2250/00—General details of portable percussive tools; Components used in portable percussive tools
    • B25D2250/371—Use of springs

Definitions

  • the present invention relates to a striking mechanism according to the preamble of claim 1 and a striking machine tool with such a hammer mechanism.
  • the impact mechanisms based on an acceleration of a striking body directly by magnetic fields have the advantage of a higher control of the impact behavior, in particular also the possibility to switch off the impact mechanism immediately.
  • FR 2 240 797 A1 describes an electric chisel containing a ram driven by two coils. The impactor runs against the direction of impact on a spring-based damper.
  • An analogous structure is from the EP 1 016 503 A2 known, which discloses a striking mechanism according to the preamble of claim 1.
  • EP 1 958 733 A2 describes an electric chisel containing a two-coil driven exciter.
  • the pathogen is connected via a loose coupling with a racket, which, depending on the pressure or tension phase of the bat in the direction of impact or against the direction of impact force.
  • FR 2 430 827 A1 describes an electric chisel whose bat is driven by a solenoid.
  • the racket is suspended from a coil spring which pulls the racket partially out of the solenoid coil to a rest position.
  • One object is to provide a striking mechanism based on two solenoids with increased impact force. This object is achieved by a hammer mechanism with the features of claim 1.
  • Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
  • the percussion mechanism comprises: a working space whose first section is surrounded by a first electromagnet and whose second section is surrounded by a second electromagnet; a striker, which is movable within the working space along a striking axis and has a magnetizable material; and an anvil which projects into the first electromagnet and whose impact surface limits the working space in the direction of impact.
  • a spring element is provided which acts on the striker in each position in the working space with a force towards the anvil. When moving away from the anvil, the spring element is biased accordingly.
  • the impactor bounces off the anvil and retains some of its kinetic energy.
  • the energy is transferred and stored in the return movement in the spring element.
  • the spring element accelerates the striker in addition to the forces due to the magnetic fields. This achieves a more efficient utilization of the energy contained in the system.
  • the spring element is a mechanical spring or an air spring.
  • the air spring may be formed by a pneumatic space.
  • the pneumatic space may be formed by a portion of the working space defined by the impactor from the anvil.
  • the spring element may have a progressive characteristic, in which the spring constant increases in the opposite direction of impact.
  • the tensile force which the second electromagnet can exert on the striker increases with decreasing distance of the impactor from the turning point away from the striking surface. An efficient use of this increasing force is achieved by the rising characteristic against the direction of impact.
  • the anvil is made of a soft magnetic material and that a diameter of the impactor and a diameter of the anvil differ by less than 20%, preferably by less than 10%.
  • the similar or equal cross-sections of impactor and striking surface of the anvil cause the field lines substantially only run from the striker to the club face without unnecessary stretches in the air. It is believed that thereby higher forces can be generated for accelerating the impactor by the magnetic field.
  • an embodiment provides that the anvil protrudes into the first magnet coil or the first electromagnet for at least one distance, which is greater than the deflection of the anvil in the event of impact with the impactor.
  • the distance may for example also have at least one tenth of the length of the magnetic coil in the magnetic coil.
  • the immersion of the anvil into the first electromagnet is so deep that at least half of the magnetic flux of the first electromagnet flows laterally into the anvil, and then exits the impact surface.
  • An embodiment provides that the electromagnet has a magnetic coil and a magnetic field guide, wherein the magnetic field guide surrounds the magnetic coil on its outer side.
  • An embodiment provides that the working space is limited on a side facing away from the anvil by a stop which projects into the second magnetic coil and is made of a soft magnetic material.
  • the first or the second magnetic coil has a length and a winding thickness, wherein a ratio of length to winding thickness is less than 1.25. This optimizes a ratio of acceleration work done by the magnet coils to ohmic losses.
  • the impactor has on its surface longitudinal grooves or the impactor through holes.
  • a machine tool according to the invention in particular a hand-held power tool, has the striking mechanism according to the invention.
  • Fig. 1 shows an embodiment of a striking mechanism 1 in a partial section.
  • the impact mechanism 1 has a striking group with a striking body 2 and an anvil 3, a primary drive with magnetic coils 4, 5 and an energy buffer with a spring element 6.
  • the impactor 2 is arranged in a working space 10 movable along a striking axis 11.
  • the working space 10 is limited in the direction of impact 12 by the anvil 3. Contrary to the impact direction 12, a housing 13 bounds the working space 10.
  • the striking body 2 can be guided in the working space 10 by a rod 14 along a striking axis 11.
  • the rod 14 is fixedly connected to the impactor 2 and guided for example by a bearing 15 of the housing 13.
  • the working space 10 may be bounded laterally by a sleeve 16, which additionally guides the impactor 2.
  • the working space 10 has a constant cross-sectional area along the striking axis 11, which is adapted to the dimensions of the striking body 2.
  • a cross-sectional area of the impactor 2 can be just so much lower that a movement is possible.
  • the working space 10 and the impactor 2 are cylindrical.
  • the anvil 3 has a striking surface 17.
  • the striking surface 17 is defined by an end piece 18 of substantially constant cross-section, e.g. cylindrical cross section, formed.
  • the cross-sectional area of the end piece 18 and thus also that of the striking face 17 are preferably the same size as the cross-sectional area of the striking body 2.
  • both the impact surface 17 of the anvil and the corresponding impact surface 19 of the impactor 2 are mutually positively.
  • both impact surfaces 17, 19 are planar.
  • one of the two striking surfaces 17, 19 may be curved convexly, wherein the other of the striking surfaces 19, 17 is correspondingly concave.
  • the anvil 3 is mounted in a guide 20.
  • the guide 20 has a stop 21 against the impact direction 12.
  • a stop 25 is provided which limits the working space 10.
  • the stop 25 may be formed by the housing 13.
  • the working space 10 is surrounded by at least two magnetic coils 4, 5.
  • the two magnetic coils 4, 5 are arranged offset from one another along the striking axis 11.
  • the first magnetic coil 4 covers a first portion 30 of the working space 10 and the end portion 18 of the anvil 3.
  • the second magnetic coil 5 covers a second portion 31 of the working space 10 and the stopper 25th
  • the two magnetic coils 4, 5 are connected to a power source.
  • a control device allows alternating current flow through the two magnetic coils 4, 5.
  • the first section 30 and the second section 31 alternately flow through a magnetic field.
  • the impactor 2 is made of a magnetic material or has inserts of a magnetic material.
  • the respective magnetic field acts on the impactor 2 and accelerates the impactor 2.
  • the anvil 3 is made of a magnetic material.
  • the anvil 3 acts like a pole piece.
  • the magnetic field in the first section 30 emerges vertically from the anvil 3.
  • the forces on the impact body 2 act accordingly parallel to the direction of movement of the impactor 2, i. parallel to the striking axis.
  • the magnetic, e.g. ferromagnetic, material of the anvil 3 preferably loses its magnetization when no magnetic field in the first portion 30 is applied. Accordingly, the anvil 3 is preferably made of a soft magnetic material having a low coercive force of less than 1000 A / m.
  • the magnetic field largely flows directly between the two impact surfaces 17, 19. This minimizes magnetic flux which flows over a longer distance than the distance between impact body 2 and anvil 3 got to. This is of particular interest because, as the distance between the striking surfaces 17, 19 decreases, the magnetic force increases.
  • the impact surface 17 of the anvil 3 can be adapted in shape and curvature such that an exit of the magnetic field over the impact surface 17 is optimized.
  • the tail 18 of the anvil 3 protrudes for at least a distance 50 in the first solenoid 4, which is greater than the distance traveled by the anvil 3 in a stroke. Further, the distance 50 may be between one-tenth and one-fourth the length 51 of the first solenoid 4, e.g. at least a sixth or at most a sixth.
  • the stopper 25 is also formed of a magnetic material, e.g. a ferromagnetic material.
  • the design of the stop 25 can be made equal to the previously performed designs of the anvil 3.
  • the depth 52 for the stop 25 protrudes into the second magnetic coil 5 may be between one tenth and one quarter of the length 53 of the second magnetic coil 5.
  • the further design of stop 25 and anvil 3 may differ in one embodiment.
  • a magnetic field guide 60 can surround the magnetic coils 4, 5 from the outside.
  • the magnetic field guide 60 is formed of a soft magnetic material, e.g. from iron sheets.
  • the magnetic field guide 60 may have a web 61 between the two magnetic coils 4, 5, which adjoins the working space 10.
  • an outer web 62 extends to the first magnetic coil 4 to the anvil 3 to initiate the magnetic field in the anvil 3.
  • another web 63 may be in contact with the stop 25 or form the stop 25.
  • the spring element 6 may, for example, have a spiral spring 70 or another mechanical spring.
  • the rod 14 has a projection or a plate 71, which engages in the coil spring 70.
  • the travel of the coil spring 70 is designed such that the impactor 2 is pressed in any position within the working space 10 by the coil spring 70 in the direction of impact 12.
  • a spring constant of the coil spring 70 is preferably designed such that a movement of the impactor 2 is completely decelerated when the impactor 2 adjacent to the stop 25. This avoids that the striking body 2 mechanically strikes against the housing 13.
  • the spring constant of the spring element 6 preferably increases with increasing compression of the spring element 6.
  • the dependence of the spring constant of the position of the impactor body 2 can be selected to be dependent on the dependence of a tensile force of the second magnetic coil 5 of the position of the impactor body 2, for example both dependencies are proportional to each other. As a result, the work that the second solenoid 5 may perform is efficiently utilized.
  • the spring element 6 may have a linear characteristic, ie a spring constant which is independent of the compression of the spring 6.
  • the impactor 2 may have grooves 90 on its surface.
  • the grooves 90 serve to allow an exchange of air between the stopper 25 and the anvil 3 during a movement of the impactor 2.
  • the grooves 90 and holes can be provided in the impactor 2.
  • a further embodiment provides for a ventilation system in which ventilation openings 92, 93 lead into the first and second sections 30, 31 of the working space 10.
  • the ventilation openings 92, 93 may be connected to each other by a channel system or connected to the environment.
  • FIG. 2 an embodiment of a striking mechanism 1 is shown, in which a pneumatic space 80 is disposed within the working space 10.
  • the pneumatic space 80 is limited by the impactor 2, the stopper 25 and the sleeve 16 pressure-tight.
  • the pneumatic space can also be arranged outside of the working space 10 coupled by the rod 14.
  • the magnetic coils 4, 5 are produced in a conventional manner, e.g. through a wrapped, painted wire.
  • the length 51, 53 of the magnetic coils 4, 5 is at most 30% greater than a winding height 100 of the magnetic coils 4, 5.
  • the acceleration work per traveled distance of the impactor 2 is not constant due to the non-linear force curve, but increases with decreasing distance the anvil 3 or stop 25 too.
  • a longer solenoid coil 4, 5 therefore causes only a slightly higher acceleration work.
  • the ohmic power dissipation of the magnetic coils 4, 5, however, is proportional to their length 51. Therefore, it seems advantageous to use short magnetic coils 4, 5.
  • the impactor 2 can be made of a ferromagnetic material with a high coercive force (> 1000 A / m). The impactor 2 thus remains Permanently magnetized.
  • the polarity of the magnetic fields generated by the magnetic coils 4, 5 is set depending on the polarization direction of the impactor 2. Further, the polarity of the magnetic coils 4, 5 can be rotated during a movement cycle of the impactor 2 to make both a pulling and a pushing force act on the impactor 2.
  • Fig. 3 shows a further embodiment of the striking mechanism 1.
  • a first and second magnetic coil 104, 105 are surrounded by a magnetic field guide 60, 162, 163 and each form a first and second electromagnet.
  • the magnetic field guide 162 adjoins the anvil 3.
  • the magnetic field guide 162 may extend along the striking axis 11 by a distance which is comparable to the length 51 of the first magnetic coil 104. By way of example, the distance is one third to one half of the length 51 of the first magnetic coil 104. Over the entire distance, the magnetic field guide 162 adjoins the striking space.
  • the armature 3 penetrates for a depth 150 in the first electromagnet, speak in the magnetic field guide 162 a.
  • the depth 150 is preferably selected such that at least half of the magnetic flux from the first magnetic coil 104 flows through the anvil 3.

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Description

    GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schlagwerk gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine schlagende Werkzeugmaschine mit einem solchen Schlagwerk.
    • BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
  • Zwar sind bereits seit Anfang des 20. Jahrhunderts (z.B. aus der US 2,892,140 ) Schlagwerke mit zwei Magnetspulen bekannt, deren Schlagleistung blieb jedoch bisher hinter der Schlagleistung anderer zur gleichen Zeit bekannten Schlagwerken anderen Bautyps zurück.
  • Die Schlagwerke basierend auf einer Beschleunigung eines Schlagkörpers unmittelbar durch magnetische Felder haben den Vorteil einer höheren Kontrolle des Schlagverhaltens, insbesondere auch der Möglichkeit das Schlagwerk sofort abzuschalten.
  • FR 2 240 797 A1 beschreibt einen Elektromeißel, der einen von zwei Spulen angetriebenen Schlagkörper enthält. Der Schlagkörper läuft entgegen der Schlagrichtung auf einen federbasierten Dämpfer auf. Ein analoger Aufbau ist aus der EP 1 016 503 A2 bekannt, die ein Schlagwerk gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 offenbart.
  • EP 1 958 733 A2 beschreibt einen Elektromeißel, der einen von zwei Spulen angetriebenen Erreger enthält. Der Erreger ist über eine lose Kopplung mit einem Schläger verbunden, welche je nach Druck- oder Zugphase den Schläger in Schlagrichtung oder entgegen der Schlagrichtung kraftbeaufschlagt.
  • FR 2 430 827 A1 beschreibt einen Elektromeißel, dessen Schläger von einer Magnetspule angetrieben wird. Der Schläger ist an einer Schraubenfeder aufgehängt, welche den Schläger in eine Ruheposition teilweise außerhalb der Magnetspule zieht.
    • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Eine Aufgabe besteht darin ein Schlagwerk basierend auf zwei Magnetspulen mit einer erhöhten Schlagkraft bereitzustellen. Diese Aufgabe ist durch ein Schlagwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhaften Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüchen.
  • Das erfindungsgemässe Schlagwerk beinhaltet: einen Arbeitsraum, dessen erster Abschnitt von einem ersten Elektromagneten und dessen zweiter Abschnitt von einem zweiten Elektromagneten umgeben sind; einen Schlagkörper, der innerhalb des Arbeitsraums entlang einer Schlagachse beweglich ist und ein magnetisierbares Material aufweist; und einen Amboss, der in den ersten Elektromagneten hineinragt und dessen Schlagfläche den Arbeitsraum in Schlagrichtung begrenzt. Ein Federelement ist vorgesehen, das den Schlagkörper in jeder Stellung in dem Arbeitsraum mit einer Kraft in Richtung zu dem Amboss beaufschlagt. Bei der Bewegung weg von dem Amboss wird das Federelement entsprechend vorgespannt.
  • Der Schlagkörper prallt von dem Amboss ab und behält einen Teil seiner kinetischen Energie. Die Energie wird bei der Rückbewegung in das Federelement übertragen und gespeichert. Bei der nächsten Vorwärtsbewegung in Richtung zu dem Amboss, beschleunigt das Federelement den Schlagkörper zusätzlich zu den aufgrund der Magnetfelder wirkenden Kräfte. Hierdurch wird eine effizientere Ausnutzung der in dem System enthaltenen Energie erreicht.
  • Gemäss einer Ausgestaltung ist das Federelement eine mechanische Feder oder eine Luftfeder. Die Luftfeder kann durch einen pneumatischen Raum gebildet sein. Der pneumatische Raum kann ein durch einen Abschnitt des Arbeitsraums gebildet sein, der durch den Schlagkörper von dem Amboss abgegrenzt ist.
  • Das Federelement kann eine progressive Kennlinie aufweisen, bei der die Federkonstante entgegen der Schlagrichtung ansteigt. Die Zugkraft, die der zweite Elektromagnet auf den Schlagkörper ausüben kann, steigt mit abnehmender Distanz des Schlagkörpers von dem von der Schlagfläche abgewandten Umkehrpunkt. Eine effiziente Nutzung dieser steigenden Kraft wird durch die steigende Kennlinie entgegen der Schlagrichtung erreicht.
  • Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Amboss aus einem weichmagnetischen Material ist und dass ein Durchmesser des Schlagkörpers und ein Durchmesser des Amboss sich um weniger als 20%, vorzugsweise um weniger als 10% unterscheiden. Die ähnlich oder gleichgrossen Querschnitte von Schlagkörper und Schlagfläche des Amboss bewirken, dass die Feldlinien im Wesentlichen nur von dem Schlagkörper zu der Schlagfläche verlaufen ohne unnötige Strecken in der Luft zurückzulegen. Es wird angenommen, dass hierdurch höhere Kräfte zum Beschleunigen des Schlagkörpers durch das magnetische Feld erzeugt werden können.
  • Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Amboss für wenigstens eine Distanz in die erste Magnetspule oder den ersten Elektromagneten hineinragt, die grösser als die Auslenkung des Ambosses bei einem Schlag mit dem Schlagkörper ist. Die Distanz kann beispielsweise auch wenigstens ein Zehntel der Länge der Magnetspule in die Magnetspule aufweisen. Vorzugsweise ist das Eintauchen des Ambosses in den ersten Elektromagneten derart tief, dass wengstens die Hälfte des Magnetflusses des ersten Elektromagneten seitlich in den Amboss fliesst, um dann aus der Schlagfläche auszutreten.
  • Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Elektromagneten eine Magnetspule und eine Magnetfeldführung aufweist, wobei die Magnetfeldführung die Magnetspule an seiner Aussenseite umgibt.
  • Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Arbeitsraum an einer dem Amboss abgewandten Seite durch einen Anschlag begrenzt ist, der in die zweite Magnetspule hineinragt und aus einem weichmagnetischen Material gefertigt ist.
  • Gemäss einer Ausgestaltung weist die erste oder die zweite Magnetspule eine Länge und eine Wicklungsstärke auf, wobei ein Verhältnis von Länge zu Wicklungsstärke kleiner als 1,25 ist. Hierdurch wird ein Verhältnis von durch die Magnetspulen geleisteter Beschleunigungsarbeit zu ohmschen Verlusten optimiert.
  • Gemäss einer Ausgestaltung weist der Schlagkörper an seiner Oberfläche Längsrillen oder der Schlagkörper durchgehende Bohrungen auf.
  • Eine erfindungsgemässe Werkzeugmaschine, insbesondere eine Handwerkzeugmaschine weist das erfindungsgemässe Schlagwerk auf.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Die nachfolgende Beschreibung erläutert die Erfindung anhand von exemplarischen Ausführungsformen und Figuren. In den Figuren zeigen:
    • Fig. 1 einen Teilquerschnitt eines Schlagwerks,
    • Fig. 2 einen Teilquerschnitt eines weiteren Schlagwerks und
    • Fig. 3 einen Teilquerschnitt eines weiteren Schlagwerks.
  • Gleiche oder funktionsgleiche Elemente werden durch gleiche Bezugszeichen in den Figuren indiziert, soweit nicht anders angegeben.
    • AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
  • Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform eines Schlagwerks 1 in einem Teilschnitt. Das Schlagwerk 1 weist eine schlagende Gruppe mit einem Schlagkörper 2 und einem Amboss 3, einen primären Antrieb mit Magnetspulen 4, 5 und einen Energiepuffer mit einem Federelement 6 auf.
  • Der Schlagkörper 2 ist in einem Arbeitsraum 10 beweglich längs einer Schlagachse 11 angeordnet. Der Arbeitsraum 10 ist in Schlagrichtung 12 durch den Amboss 3 begrenzt. Entgegen der Schlagrichtung 12 begrenzt ein Gehäuse 13 den Arbeitsraum 10.
  • Der Schlagkörper 2 kann in dem Arbeitsraum 10 durch eine Stange 14 längs einer Schlagachse 11 geführt werden. Die Stange 14 ist mit dem Schlagkörper 2 fest verbunden und beispielsweise durch ein Lager 15 des Gehäuses 13 geführt. Der Arbeitsraum 10 kann seitlich durch eine Hülse 16 begrenzt sein, die den Schlagkörper 2 zusätzlich führt.
  • Der Arbeitsraum 10 weist eine längs der Schlagachse 11 konstante Querschnittsfläche auf, die an die Abmessungen des Schlagkörpers 2 angepasst ist. Eine Querschnittsfläche des Schlagkörpers 2 kann gerade soviel geringer sein, dass eine Bewegung möglich ist. Beispielsweise sind der Arbeitsraum 10 und der Schlagkörper 2 zylindrisch.
  • Der Amboss 3 weist eine Schlagfläche 17 auf. Die Schlagfläche 17 wird durch ein Endstück 18 mit im Wesentlichen gleichbleibendem Querschnitt, z.B. zylindrischem Querschnitt, gebildet. Die Querschnittsfläche des Endstücks 18 und damit auch die der Schlagfläche 17 sind vorzugsweise gleich gross wie die Querschnittsfläche des Schlagkörpers 2.
  • In einer besonderen Ausgestaltung sind sowohl die Schlagfläche 17 des Ambosses und die entsprechende Schlagfläche 19 des Schlagkörpers 2 zueinander formschlüssig. In einer Variante sind beide Schlagflächen 17, 19 planar. Alternativ kann eine der beiden Schlagflächen 17, 19 konvex gewölbt sein, wobei die andere der Schlagflächen 19, 17 entsprechend konkav gewölbt ist.
  • Der Amboss 3 ist in einer Führung 20 gelagert. Die Führung 20 weist einen Anschlag 21 entgegen der Schlagrichtung 12 auf. Ein Rückstellelement 22, beispielsweise ein Dämpfungsring oder eine Rückstellfeder, drückt den Amboss 3 entgegen der Schlagrichtung 12 gegen den Anschlag 21. Hierdurch gelangt der Amboss 3 nach einer Auslenkung in Schlagrichtung 12 aufgrund eines Stosses mit dem Schlagkörper 2 wieder in eine definierte Ausgangsstellung.
  • Auf der dem Amboss 3 abgewandten Seite des Arbeitsraums 10 ist ein Anschlag 25 vorgesehen, der den Arbeitsraum 10 begrenzt. Der Anschlag 25 kann durch das Gehäuse 13 gebildet sein.
  • Der Arbeitsraum 10 ist von wenigstens zwei Magnetspulen 4, 5 umgeben. Die beiden Magnetspulen 4, 5 sind entlang der Schlagachse 11 zueinander versetzt angeordnet. Die erste Magnetspule 4 überdeckt einen ersten Abschnitt 30 des Arbeitsraums 10 und das Endstück 18 des Ambosses 3. Die zweite Magnetspule 5 überdeckt einen zweiten Abschnitt 31 des Arbeitsraums 10 und den Anschlag 25.
  • Die beiden Magnetspulen 4, 5 sind an eine Stromquelle angeschlossen. Eine Steuerungseinrichtung lässt alternierend Strom durch die beiden Magnetspulen 4, 5 fliessen. In Folge ist in dem Arbeitsraum 10 in Folge abwechselnd der erste Abschnitt 30 und der zweite Abschnitt 31 von einem Magnetfeld durchflossen.
  • Der Schlagkörper 2 ist aus einem magnetischen Material oder weist Einsätze aus einem magnetischen Material auf. Das jeweilige Magnetfeld wirkt auf den Schlagkörper 2 ein und beschleunigt den Schlagkörper 2.
  • Der Amboss 3 ist aus einem magnetischen Material. Der Amboss 3 wirkt wie ein Polschuh. Das Magnetfeld in dem ersten Abschnitt 30 tritt senkrecht aus dem Amboss 3 heraus. Die Kräfte auf den Schlagköper 2 wirken entsprechend parallel zur Bewegungsrichtung des Schlagkörpers 2, d.h. parallel zur Schlagachse.
  • Das magnetische, z.B. ferromagnetische, Material des Ambosses 3 verliert vorzugsweise seine Magnetisierung, wenn kein Magnetfeld in dem ersten Abschnitt 30 anliegt. Dementsprechend ist der Amboss 3 vorzugsweise aus einem weichmagnetischen Material mit einer niedrigen Koerzitivfeldstärke von weniger als 1000 A/m hergestellt.
  • Aufgrund der aneinander wenigstens teilweise formschlüssig angepassten Schlagflächen 17, 19 von Schlagkörper 2 und Amboss 3 fliesst das Magnetfeld weitgehend direkt zwischen den beiden Schlagflächen 17, 19. Hierdurch wird ein Magnetfluss minimiert, der über eine längere Distanz als den Abstand Schlagkörper 2 zu Amboss 3 fliessen muss. Dies ist insbesondere deshalb von Interesse, da bei geringer werdendem Abstand zwischen den Schlagflächen 17, 19 die magnetische Kraft ansteigt.
  • Die Schlagfläche 17 des Ambosses 3 kann in ihrer Form und Wölbung derart angepasst werden, dass ein Austritt des Magnetfeldes über die Schlagfläche 17 optimiert wird.
  • Das Endstück 18 des Ambosses 3 ragt für wenigstens eine Distanz 50 in die erste Magnetspule 4, die grösser ist als der zurückgelegte Weg des Ambosses 3 bei einem Schlag. Ferner kann die Distanz 50 zwischen einem Zehntel und einem Viertel der Länge 51 der ersten Magnetspule 4 betragen, z.B. wenigstens ein Sechstel oder höchstens ein Sechstel.
  • Der Anschlag 25 ist ebenfalls aus einem magnetischen Material gebildet, z.B. einem ferromagnetischen Material. Die Gestaltung des Anschlags 25 kann gleich den zuvor ausgeführten Gestaltungen des Ambosses 3 erfolgen. Die Tiefe 52 für die der Anschlag 25 in die zweite Magnetspule 5 hineinragt, kann zwischen einem Zehntel und einem Viertel der Länge 53 der zweiten Magnetspule 5 betragen. Die weitere Gestaltung von Anschlag 25 und Amboss 3 können sich in einer Ausführung jedoch unterscheiden.
  • Eine Magnetfeldführung 60 kann die Magnetspulen 4, 5 von aussen umschliessen. Die Magnetfeldführung 60 ist aus einem weichmagnetischen Material gebildet, z.B. aus Eisenblechen. Die Magnetfeldführung 60 kann einen Steg 61 zwischen den beiden Magnetspulen 4, 5 aufweisen, der bis an den Arbeitsraum 10 angrenzt. Vorzugsweise reicht ein äusserer Steg 62 an der ersten Magnetspule 4 bis zu dem Amboss 3, um das Magnetfeld in den Amboss 3 einzuleiten. Gleichermassen kann ein weiterer Steg 63 in Berührung mit dem Anschlag 25 sein oder den Anschlag 25 bilden.
  • Das Federelement 6 kann beispielsweise eine Spiralfeder 70 oder eine sonstige mechanische Feder aufweisen. Die Stange 14 weist einen Vorsprung oder einen Teller 71 auf, der in die Spiralfeder 70 eingreift. Der Federweg der Spiralfeder 70 ist derart ausgelegt, dass der Schlagkörper 2 in jeder Stellung innerhalb des Arbeitsraums 10 durch die Spiralfeder 70 in Schlagrichtung 12 gedrückt wird. Eine Federkonstante der Spiralfeder 70 ist vorzugsweise derart ausgelegt, dass eine Bewegung des Schlagkörpers 2 vollständig abgebremst ist, wenn der Schlagkörper 2 an den Anschlag 25 angrenzt. Hierdurch wird vermieden, dass der Schlagkörper 2 gegen das Gehäuse 13 mechanisch schlägt.
  • Die Federkonstante des Federelements 6 nimmt vorzugsweise mit zunehmender Kompression des Federelements 6 zu. Die Abhängigkeit der Federkonstante von der Stellung des Schlagkörpers 2 kann an die Abhängigkeit einer Zugkraft der zweiten Magnetspule 5 von der Stellung des Schlagkörpers 2 angepasst gewählt werden, z.B. sind beide Abhängigkeiten zueinander proportional. Hierdurch wird die Arbeit, welche die zweite Magnetspule 5 zu verrichten mag, effizient ausgenutzt. Alternativ kann das Federelement 6 eine lineare Kennlinie, d.h. eine Federkonstante aufweisen, die unabhängig von der Kompression der Feder 6 ist.
  • Der Schlagkörper 2 kann an seiner Oberfläche Rillen 90 aufweisen. Die Rillen 90 dienen dazu einen Luftaustausch zwischen dem Anschlag 25 und dem Amboss 3 während einer Bewegung des Schlagkörpers 2 zu ermöglichen. Anstelle oder zusätzlich zu den Rillen 90 können auch Bohrungen in dem Schlagkörper 2 vorgesehen sein.
  • Eine weitere Ausgestaltung sieht ein Belüftungssystem vor, bei dem Belüftungsöffnungen 92, 93 in den ersten und zweiten Abschnitt 30, 31 des Arbeitsraums 10 führen. Die Belüftungsöffnungen 92, 93 können miteinander durch ein Kanalsystem verbunden sein oder mit der Umgebung verbunden sein.
  • Anstelle oder zusätzlich zu der Spiralfeder 70 kann auch eine Luftfeder verwendet werden. In Fig. 2 ist eine Ausführung eines Schlagwerks 1 dargestellt, bei der ein pneumatischer Raum 80 innerhalb des Arbeitsraums 10 angeordnet ist. Der pneumatische Raum 80 wird durch den Schlagkörper 2, den Anschlag 25 und die Hülse 16 druckdicht begrenzt. Bei der Bewegung des Schlagkörpers 2 gegen Schlagrichtung wird der pneumatische Raum 80 komprimiert. Sobald die Bewegungsenergie des Schlagkörpers 2 vollständig in Kompressionsarbeit des pneumatischen Raums 80 übertragen ist, setzt die Umkehrbewegung in Schlagrichtung 12 ein. Der pneumatische Raum kann auch ausserhalb des Arbeitsraums 10 angekoppelt durch die Stange 14 angeordnet werden.
  • Die Magnetspulen 4, 5 sind in gängiger Weise hergestellt, z.B. durch eine gewickelten, lackierten Draht. Die Länge 51, 53 der Magnetspulen 4, 5 ist maximal 30% grösser als eine Wicklungshöhe 100 der Magnetspulen 4, 5. Die Beschleunigungsarbeit pro zurückgelegter Wegstrecke des Schlagkörpers 2 ist aufgrund der nicht-linearen Kraftkennlinie nicht konstant, sondern nimmt mit geringer werdendem Abstand zu dem Amboss 3 oder Anschlag 25 zu. Eine längere Magnetspule 4, 5 bewirkt daher nur eine geringfügig höhere Beschleunigungsarbeit. Die ohmsche Verlustleistung der Magnetspulen 4, 5 hingegen ist proportional zu deren Länge 51. Daher erscheint es vorteilhaft, kurze Magnetspulen 4, 5 einzusetzen.
  • Der Schlagkörper 2 kann aus einem ferromagnetischen Werkstoff mit einer hohen Koerzitivfeldstärke (>1000 A/m) hergestellt werden. Der Schlagkörper 2 bleibt somit dauerhaft magnetisiert. Die Polarität der von den Magnetspulen 4, 5 erzeugten Magnetfelder ist in Abhängigkeit der Polarisierungsrichtung des Schlagkörpers 2 einzustellen. Ferner kann die Polarität der Magnetspulen 4, 5 während eines Bewegungszykluses des Schlagkörpers 2 gedreht werden, um sowohl eine ziehende als auch eine schiebende Kraft auf den Schlagkörper 2 wirken zu lassen.
  • Fig. 3 zeigt eine weitere Ausgestaltung des Schlagwerks 1. Eine erste und zweite Magnetspule 104, 105 sind von einer Magnetfeldführung 60, 162, 163 umgeben und bilden jeweils einen ersten und zweiten Elektromagneten. Die Magnetfeldführung 162 grenzt an den Amboss 3 an. Die Magnetfeldführung 162 kann sich längs der Schlagachse 11 um eine Distanz erstrecken, die vergleichbar mit der Länge 51 der ersten Magnetspule 104 ist. Beispielsweise beträgt die Distanz ein Drittel bis zur Hälfte der Länge 51 der ersten Magnetspule 104. Über die gesamte Distanz grenzt die Magnetfeldführung 162 an den Schlagraum an. Der Anker 3 dringt für eine Tiefe 150 in den ersten Elektromagneten, sprich in die Magnetfeldführung 162 ein. Die Tiefe 150 ist vorzugsweise derart gewählt, dass wenigstens die Hälfte des Magnetflusses aus der ersten Magnetspule 104 durch den Amboss 3 fliesst.

Claims (14)

  1. Schlagwerk (1) mit
    einem Arbeitsraum, dessen erster Abschnitt (30) von einem ersten Elektromagneten (4; 104, 162) und dessen zweiter Abschnitt (31) von einem zweiten Elektromagneten (5; 105, 163) umgeben sind,
    einem Schlagkörper (2), der innerhalb des Arbeitsraums (10) entlang einer Schlagachse (11) beweglich ist und ein magnetisierbares Material aufweist,
    einem Amboss (3), dessen Schlagfläche (17) den Arbeitsraum (10) in Schlagrichtung (12) begrenzt
    wobei ein Federelement (70, 80) vorgesehen ist, das den Schlagkörper in jeder Stellung in dem Arbeitsraum mit einer Kraft in Richtung zu dem Amboss derart beaufschlagt, dass der Schlagkörper (2) in jeder Stellung innerhalb des Arbeitsraums (10) durch das Federelement (70, 80) in Schlagrichtung (12) gedrückt ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Amboss (3) in den ersten Elektromagneten (4; 104, 162) hineinragt.
  2. Schlagwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (70, 80) eine mechanische Feder (70) und/oder eine Luftfeder (80) ist.
  3. Schlagwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftfeder (80) durch einen pneumatischen Raum gebildet ist.
  4. Schlagwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der pneumatische Raum durch einen Abschnitt des Arbeitsraums (10) gebildet ist, der durch den Schlagkörper (2) von dem Amboss (3) abgegrenzt ist.
  5. Schlagwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (70, 80) eine progressive Kennlinie aufweist, bei der eine Federkonstante entgegen der Schlagrichtung (12) zunimmt.
  6. Schlagwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Elektromagnet (104, 162) eine erste Magnetspule (104) und eine erste Magnetfeldführung (60, 61, 162) aufweist, die die erste Magnetspule (104) an seiner Aussenseite umgibt und die Magnetfeldführung (60, 61, 162) an den Amboss (3) angrenzt und/oder der zweite Elektromagnet (105, 163) eine zweite Magnetspule (105) und eine zweite Magnetfeldführung (60, 162, 163) aufweist, die die zweite Magnetspule (105) an seiner Aussenseite umgibt und die Magnetfeldführung (60, 162, 163) an den Amboss (3) angrenzt
  7. Schlagwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Amboss (3) aus einem weichmagnetischen Material ist, und dass ein Durchmesser einer Schlagfläche (19) des Schlagkörpers (2) und der Durchmesser einer Schlagfläche (17) des Amboss (3) sich um weniger als 20% unterscheiden.
  8. Schlagwerk nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Amboss (3) in die erste Magnetspule (4) hineinragt.
  9. Schlagwerk nach der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Amboss (3) derart in den ersten Elektromagneten (4; 104, 162) hineinragt, dass wenigstens die Hälfte des Magnetflusses des ersten Elektromagneten (4; 104, 162) durch den Amboss (3) fliesst.
  10. Schlagwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum (10) an einer dem Amboss (3) abgewandten Seite durch einen Anschlag (25) begrenzt ist, der in den zweiten Elektromagneten (5; 105, 163) hineinragt und aus einem weichmagnetischen Material gefertigt ist.
  11. Schlagwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Magnetspule (4; 104, 162) eine Länge (51) aufweist und der Amboss (3) für wenigstens ein Zehntel der Länge (51) der ersten Magnetspule (4; 104, 62) in den ersten Elektromagneten (4; 104, 62) oder erste Magnetspule (4; 104) hineinragt.
  12. Schlagwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste oder die zweite Magnetspule (4, 5; 104, 105) eine Länge (51, 53) und eine Wicklungshöhe (100) aufweist, wobei ein Verhältnis von Länge (51, 53) zu Wicklungshöhe kleiner als 1,25 ist.
  13. Schlagwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlagkörper (2) an seiner Oberfläche Längsrillen (90) oder der Schlagkörper (2) durchgehende Bohrungen aufweist.
  14. Werkzeugmaschine mit einem Schlagwerk (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13.
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