EP2213423B1 - Pneumatic striking mechanism - Google Patents

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EP2213423B1
EP2213423B1 EP09179004.8A EP09179004A EP2213423B1 EP 2213423 B1 EP2213423 B1 EP 2213423B1 EP 09179004 A EP09179004 A EP 09179004A EP 2213423 B1 EP2213423 B1 EP 2213423B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
mass
flying
impact
pneumatic
Prior art date
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Revoked
Application number
EP09179004.8A
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German (de)
French (fr)
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EP2213423A1 (en
Inventor
Alexander John
Reinhard Schulz
Eduard Pfeiffer
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
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Filing date
Publication date
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First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=42091566&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=EP2213423(B1) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Hilti AG filed Critical Hilti AG
Publication of EP2213423A1 publication Critical patent/EP2213423A1/en
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Publication of EP2213423B1 publication Critical patent/EP2213423B1/en
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Anticipated expiration legal-status Critical

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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25DPERCUSSIVE TOOLS
    • B25D11/00Portable percussive tools with electromotor or other motor drive
    • B25D11/06Means for driving the impulse member
    • B25D11/12Means for driving the impulse member comprising a crank mechanism
    • B25D11/125Means for driving the impulse member comprising a crank mechanism with a fluid cushion between the crank drive and the striking body
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25DPERCUSSIVE TOOLS
    • B25D2250/00General details of portable percussive tools; Components used in portable percussive tools
    • B25D2250/245Spatial arrangement of components of the tool relative to each other

Definitions

  • the present invention relates to a pneumatic impact device according to the preamble of claim 1, in particular an electrically driven, pneumatic impact mechanism, for a machine tool, in particular a hand tool, e.g. a chisel hammer.
  • Such a percussion goes for example from the DE 39 10 598 A1 out.
  • An electrically driven chisel hammer with a pneumatic impact mechanism is among others from the EP 1 779 980 A2 known, the schematic representation of the percussion 501 from Fig. 6 is in Fig. 1 accepted.
  • a flying piston 569 is arranged between an excitation piston 520 and an end piece of a tool 599.
  • the flying piston 569 and the excitation piston 520 close airtight with a wall of the guide tube, so that an airtight closed space 580 between the flying piston 569 and the excitation piston 520 is formed.
  • the space 580 is hereinafter referred to as the pneumatic space 580.
  • the excitation piston 520 driven by an eccentric drive 522, 523, 531, periodically moves in the guide tube 530 back and forth. Due to its coupling to the excitation piston 520 by means of the pneumatic space 580, the flying mass 569 is likewise excited to a periodic movement between the excitation piston 520 and the end piece of the tool 599.
  • Fig. 2 shows schematically the course of the movement of exciter piston 520 and free piston 580 over the time t; the course is inter alia in Fig. 13A of EP 1 779 980 A2 shown.
  • the location axis x indicates the distance to the end piece of the tool 599.
  • the pneumatic chamber 569 is strongly compressed and accelerates in succession the flying piston 569 in the direction of the tool 599.
  • the flying piston 569 then strikes unattenuated on the tail of the tool 599 on. Part of the kinetic energy of the flying piston 569 is transferred to the tool.
  • the flying mass 569 reverses its direction of motion and moves at reduced speed towards the excitation piston 520.
  • the stroke H of the excitation piston 520, the angular velocity of the exciter piston 520, and the maximum length a of the pneumatic space 580 are matched to one another such that the movement of the flying piston 569, as shown, is excited resonantly by the excitation piston 520.
  • the hammering effect of the chisel hammer essentially results from the energy released in a workpiece during a blow.
  • the power consumption results from the product of the energy delivered per beat and the beat frequency of the beats. Consequently, the beat frequency of the beats must be lowered.
  • the energy released per impact depends on the kinetic energy that 569 receives up to the collision.
  • the acceleration work is done by the exciter pistons 520, which increases with increasing velocity of the exciter piston 520 in the guide tube 530.
  • the speed of the excitation piston 520 is determined by the angular velocity and the stroke H of the exciter piston 520.
  • increasing the angular velocity is not suitable due to the thus increasing impact frequency of the impacts, the stroke H of the excitation piston 520 can be increased. However, this requires a greater maximum length a of the pneumatic space 580 and thus a longer impact mechanism to ensure a resonant excitation of the flying piston 569.
  • the kinetic energy of the air piston 569 can also be achieved by increasing its mass, but then an operator experiences a higher kickback when accelerating the air piston 569 by the exciter piston 520.
  • the pneumatic striking mechanism comprises: a flying piston which is movable along a striking axis; a striking surface which limits a movement of the flying piston along the striking axis a direction of impact; an excitation piston which limits movement of the flying piston along the striking axis opposite to the direction of impact; a pneumatic space between the air piston and the excitation piston; a drive for periodically moving the excitation piston with a stroke H along the striking axis, whereby the flying piston is excited to a periodic movement between the striking surface and a minimum approach to the exciting piston.
  • An aspect ratio of the maximum length of the pneumatic space to the stroke H is set smaller than 1.55.
  • the maximum length of the pneumatic space is the distance of the excitation piston to the flying mass when the exciter piston is in its position remote from the tool holder and the flying mass is arranged adjacent to the striking surface.
  • the maximum length serves as a size for laying out and characterizing the impact mechanism.
  • the pneumatic space usually takes at no time the maximum length.
  • Circulation of the flying bucket in the striking mechanism is composed of a first phase with a movement from the minimum approach to the exciting piston to the beat and a second phase with a movement from the striking position to the next minimum approach to the exciting piston.
  • the first phase and the second phase are completed together within a period of time dictated by the period of movement of the exciter piston. Due to the deceleration of the flying piston until the momentary standstill, the duration of the second phase increases at the expense of the duration of the first phase.
  • the flying piston manages the distance between minimum approach and the stroke in a shorter time, ergo, as desired, with a higher speed.
  • the deceleration of the air piston during the second phase takes place when the dimensions of stroke and maximum length of the pneumatic space are suitably selected.
  • the pneumatic space is compressed because the excitation piston still moves in the direction of impact after the impact or the flying piston initially moved at a greater speed against the direction of impact than the exciter piston. This results in a pressure increase in the pneumatic space, which slows down the flying mass.
  • the pressure increase is greater, the smaller the volume of the pneumatic space or the greater the remaining stroke movement of the excitation piston in the direction of clubface.
  • the stroke is selected in dependence on the maximum length of the pneumatic space such that the flying piston changes the direction of movement at least once during the movement between the striking surface and a following minimum approach to the exciter piston.
  • a ratio of less than 1.50 may be advantageous.
  • a change in the direction of movement during the second phase results in a longer path traveled by the flying piston during one revolution.
  • the velocity of the flying piston during the first phase is higher, also taking into account the boundary condition of the given period of time for one revolution.
  • An embodiment provides that the stroke is selected in dependence on the maximum length of the pneumatic space such that the flying piston touches the striking surface at least twice between two successive minimum approaches to the excitation piston. For this, a ratio of less than 1.40 may be advantageous.
  • the reversal of the direction of movement by the second impact leads to a high velocity of the flying mass at the end of the second phase.
  • the flying piston can therefore approach the exciter piston strongly and experiences a higher acceleration in the direction of the striking surface due to the pneumatic space thereafter.
  • One embodiment provides that if the mass of the flying mass is greater than 400 g, the aspect ratio is selected smaller than 1.55 and if the mass of the flying piston is less than 400 g, the aspect ratio is selected less than 1.40.
  • An embodiment provides that when a ratio of the mass of the beatipel to the mass of the flying mass is less than 1.2, the aspect ratio is chosen smaller than 1.40.
  • Fig. 3 shows schematically as an example of a striking hand tool an electro-pneumatic chisel hammer 1, other examples not shown are, inter alia, rotary hammers, combi hammers.
  • a drive train with a primary drive 3, a drive shaft 4 and a striking mechanism 5 is arranged. Between the primary drive 3 and the drive shaft 4, a transmission 7 may be connected.
  • the primary drive 3 is preferably an electric motor, for example a universal motor or a brushless motor.
  • the drive shaft 4 is rotated at speeds in the range between 1 Hz and 100 Hz, for example at 10 Hz to 60 Hz.
  • the rotational movement of the drive shaft 4 is through the Schlagtechnik 5 transferred in a periodic impact movement along a striking axis 8.
  • a held in a tool holder 9 tool is driven out of the chisel hammer 1 by the periodic beats along the striking axis 8 in the direction of impact 99 out.
  • a return of the tool in the chisel hammer 1 against the direction of impact 99 is effected by pressing the chisel hammer 1 to a workpiece.
  • Fig. 4 shows an exemplary construction of the striking mechanism. 5
  • the striking mechanism 5 has an excitation piston 12 and a flying piston 13 which are movable along the striking axis 8.
  • the excitation piston 12 and the flying piston are guided through a wall 11 of a guide tube 10.
  • a striker 20 is mounted in an anvil guide 21.
  • a tool-facing end 22 is in contact with a tool 8 which is held in the tool holder 9.
  • a tool-facing end 23 of the striker 20 protrudes from the anvil guide 21 in the interior of the guide tube 10. In the beating operation of the striker 20 abuts a tool facing away from the end 24 of the striker 21. In this position, the tool facing away from end 23 of the striker 20 defines the position of the striking surface 27 of the impact mechanism. 5
  • the striker 20 may be provided as an intermediary between the flying mass 13 and a tool 8 in the impact mechanism 5. This allows in particular a design of the impact mechanism 5, which is independent of a mass of the tool 8 used.
  • the striker 20 can be chosen much heavier than the typical mass of the tool 8 for this purpose.
  • no striker 20 is provided.
  • the flying mass 13 strikes directly on an end face of the tool 8.
  • the end face forms the striking surface 27 in this case.
  • the tool 8 is engaged in the tool holder 9 as far as possible in the direction of the impact mechanism 5. In this position, the tool 8 defines the clubface.
  • the exciter piston 12 is forced by the drive shaft 4 to a periodic movement along the striking axis 14.
  • the drive shaft 4 is rotated about its axis of rotation 30 and thereby moves an axis of rotation 30 eccentrically arranged wobble finger 31.
  • the wobble finger 31 is connected via a linkage 32 with the exciter piston 12.
  • a stroke H of the excitation piston 12 is defined as the distance between the two positions, in which the exciter piston 12 of the striking surface 27 is closest to or furthest away.
  • the stroke H of the excitation piston 12 is predetermined by the distance 33 of the wobble finger 31 from the rotation axis 30 and corresponds approximately to twice the crank radius 33 of the wobble finger 31.
  • the movement of the exciter piston 12 is periodic and depending on the design of the eccentric drive 4, the movement is sinusoidal or, to a good approximation, sinusoidal.
  • the excitation piston 12 and the flying mass 13 define an air-tightly sealed space between them, the pneumatic space 19.
  • a cross-sectional area A of the pneumatic space 19 corresponds approximately to a cross-sectional area of the flying piston 13 and the exciter piston 12.
  • An airtight termination may e.g. be achieved by sealing rings 15, 16.
  • the pneumatic space 19 has a maximum length L when the excitation piston 12 is at the maximum distance to the impact surface 27 and the flying mass 13 is adjacent to the impact surface 27.
  • a simple model of the trajectory of the flying piston 13 is explained below with reference to a conventional impact mechanism and a striking mechanism 5 according to one embodiment.
  • the model is used to find parameters of the percussion mechanism 5, in which the flying mass 13 is decelerated at least to a standstill between a blow to the striking surface 27 and a next minimum distance to the excitation piston 12 or even changes its direction of movement.
  • Fig. 5 shows a trajectory 100 of the flying piston 13 for a conventional, long impact mechanism, plotted over the time t.
  • the trajectory 100 is determined by means of an ad-initio simulation.
  • the trajectory 101 of the excitation piston 12 is also shown.
  • the trajectory 100 of the long impact mechanism can be subdivided into two phases 102, 103 limited by reversal points 104, 105 of the trajectory 100.
  • the first turning point 104 results at the minimum distance of the flying piston 13 to the exciting piston 12
  • second reversal point 105 results from the impact of the flying mass 13 on the striking surface 27.
  • the trajectory in the region of the first reversing point 104 can be described by a collision of the flying piston 13 on the moving exciter piston 12.
  • the effective mass of the excitation piston 12 is assumed to be infinite, because the exciter piston 12 is rigidly coupled to the drive.
  • the first reversal point 104 coincides with the maximum velocity of the exciter piston 12.
  • the amount of speed v 2 of the flying piston 13 after the impact is less than the speed v 1 before the shock, since a part of the kinetic energy of the flying piston 12 in the striker 20th is transmitted.
  • the form factor e has values from 0 to 1; for short squat mating partners near 1 and for more elongated mating partners near 0.
  • Exemplary values for the strike number k are in the range of 0.05 to 0.35.
  • the impact number (q) may be selected to be 0.22 if a ratio m 1 / m 2 of the mass (m 1 ) of the striker to the mass (m 2 ) of the flying mass (13) is greater than 1.2 and otherwise the number of impacts (q) should be 0.12.
  • the volume V of the pneumatic space 19 changes.
  • the pressure p within the pneumatic space 19 also changes.
  • a force on the flying mass 13 results due to the pressure difference of the surroundings (approx bar) and the pressure p within the pneumatic space 19.
  • the flying mass 13 thus also experiences an acceleration between the two reversal points 104, 105, which increases or decreases its velocity v 1 , v 2 .
  • the volume of the pneumatic space 2 in the first and second phases 102, 103 changes only slightly compared to the neutral volume V 0 . This is partly due to the, compared to the maximum length L, low stroke H. Correspondingly, there are only minimal deviations from the ambient pressure p 0 and low forces on the flying mass 13. The influence of the pneumatic space 19 on the movement of the flying mass 13 in the long impact mechanism is negligible.
  • the velocity v 1 remains approximately constant during the first phase 102 and the velocity v 2 during the second phase 103.
  • the trajectory 200 likewise has the two reversal points 204, 205, which result from a minimal approach to the exciter piston 13 and a subsequent impact on the striking surface 27.
  • the flying mass 13 moves from the first turning point 204 to the second turning point 205, similarly to a long striking mechanism.
  • v 3 is the velocity short of the first reversal point 204.
  • the second phase 203 of the short impact mechanism 5 differs from the second phase 103 of the long impact mechanism.
  • the velocity of the flying mass 13 is reduced to zero, in the illustrated example the movement of the flying mass 13 even reverses.
  • the driving force for the braking results from the strong coupling of the flying piston 13 to the exciting piston 12 by means of the pneumatic space 19.
  • parameters of the percussion mechanism 5 are estimated, in which the speed v 2 of the flying piston 13 is braked to at least zero after the second reversal point 205.
  • the braking force results from the overpressure ( pp 0 ) of the pneumatic space 19 with respect to the environment, which acts on the cross-sectional area A of the pneumatic space 19. Due to the movement of the flying piston 13 in the direction of the excitation piston 12 also reduces the volume V of the pneumatic chamber 19 and correspondingly increases the pressure ( pp 0 ).
  • T 1 ⁇ 4 f -1
  • the driving piston 12 moves slowly.
  • a change in the pressure p in the pneumatic chamber 19 is dominated during the period T by the movement of the flying piston 13.
  • the excitation piston 12 reaches a speed which is significantly greater than the speed v 2 of the flying piston 13.
  • the relative distance increases rapidly and is soon greater than 1 ⁇ 2 L , which is why the flying mass 13 is accelerated again in the direction of the exciter piston 12.
  • the flying mass 12 takes about a period of time from 1 ⁇ 8 f -1 to 1 ⁇ 4 f -1 for its movement to the striking surface 27.
  • the braking can take place within a period of time from 1 ⁇ 8 f -1 to 1 ⁇ 4 f -1 , for which reason N is at least 4, preferably 6 or 8.
  • N is at least 4, preferably 6 or 8.
  • the parameters of the impact mechanism 5 can be determined according to the above inequality with the selected N.
  • the parameters of the percussion mechanism 5 are selected such that the flying mass 13 in the percussion mechanism 5 after the second reversal point 205 again touches the striking surface 27 (point 206) before the flying mass 13 flies up to the first reversal point 204.
  • the extension of the trajectory of the flying piston 13 allows a higher speed while maintaining the beat frequency f.
  • the impact mechanism 5 can be designed according to the above inequality, wherein N is greater than 5, preferably greater than 8 or 10 is selected.
  • the parameter N may be chosen to be greater than 8 for the two times hitting during one revolution of the flying piston.
  • FIGS. 7 to 9 show further embodiments.
  • the for the interpretation of the percussion of Fig. 4 The above rules can also be applied to these percussion types.

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Description

GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION

Die vorliegende Erfindung betrifft ein pneumatischesSchlagwerk gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, insbesondere ein elektrisch angetriebenes, pneumatisches Schlagwerk, für eine Werkzeugmaschine, insbesondere eine Handwerkzeugmaschine, z.B. einen Meisselhammer.The present invention relates to a pneumatic impact device according to the preamble of claim 1, in particular an electrically driven, pneumatic impact mechanism, for a machine tool, in particular a hand tool, e.g. a chisel hammer.

Ein derartiges Schlagwerk geht beispielsweise aus der DE 39 10 598 A1 hervor.Such a percussion goes for example from the DE 39 10 598 A1 out.

BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIKDESCRIPTION OF THE PRIOR ART

Ein elektrisch betriebener Meisselhammer mit einem pneumatischen Schlagwerk ist unter Anderem aus der EP 1 779 980 A2 bekannt, deren schematische Darstellung des Schlagwerks 501 aus Fig. 6 ist in Fig. 1 übernommen.An electrically driven chisel hammer with a pneumatic impact mechanism is among others from the EP 1 779 980 A2 known, the schematic representation of the percussion 501 from Fig. 6 is in Fig. 1 accepted.

In einem Führungsrohr 530 ist ein Flugkolben 569 zwischen einem Erregerkolben 520 und einem Endstück eines Werkzeugs 599 angeordnet. Der Flugkolben 569 und der Erregerkolben 520 schliessen luftdicht mit einer Wandung des Führungsrohrs ab, so dass sich ein luftdicht geschlossener Raum 580 zwischen dem Flugkolben 569 und dem Erregerkolben 520 ausbildet. Der Raum 580 wird nachfolgend pneumatischer Raum 580 genannt.In a guide tube 530, a flying piston 569 is arranged between an excitation piston 520 and an end piece of a tool 599. The flying piston 569 and the excitation piston 520 close airtight with a wall of the guide tube, so that an airtight closed space 580 between the flying piston 569 and the excitation piston 520 is formed. The space 580 is hereinafter referred to as the pneumatic space 580.

Der Erregerkolben 520 bewegt sich, getrieben durch einen Exzenterantrieb 522, 523, 531, periodisch in dem Führungsrohr 530 hin- und her. Der Flugkolben 569 wird aufgrund seiner Kopplung an den Erregerkolben 520 mittels des pneumatischen Raums 580 ebenfalls zu einer periodischen Bewegung zwischen dem Erregerkolben 520 und dem Endstück des Werkzeugs 599 angeregt.The excitation piston 520, driven by an eccentric drive 522, 523, 531, periodically moves in the guide tube 530 back and forth. Due to its coupling to the excitation piston 520 by means of the pneumatic space 580, the flying mass 569 is likewise excited to a periodic movement between the excitation piston 520 and the end piece of the tool 599.

Fig. 2 zeigt schematisch den Verlauf der Bewegung von Erregerkolben 520 und Flugkolben 580 über die Zeit t; der Verlauf ist unter Anderem auch in der Fig. 13A der EP 1 779 980 A2 dargestellt. Die Ortsachse x gibt den Abstand zum Endstück des Werkzeugs 599 an. Wenn sich der Erregerkolben 520 mit seiner höchsten Geschwindigkeit in Richtung zu dem Werkzeug 599 bewegt (zu kleinen x-Werten), kommen sich der Erregerkolben 520 und der Flugkolben 569 am nächsten. Der pneumatische Raum 569 wird dabei stark komprimiert und beschleunigt in Folge den Flugkolben 569 in Richtung zu dem Werkzeug 599. Der Flugkolben 569 schlägt danach ungedämpft auf dem Endstück des Werkzeugs 599 auf. Ein Teil der kinetischen Energie des Flugkolbens 569 wird dabei auf das Werkzeug übertragen. Wie bei einem teilelastischen Stoss mit einem schweren Stosspartner kehrt der Flugkolben 569 seine Bewegungsrichtung um und bewegt sich mit verminderter Geschwindigkeit in Richtung zu dem Erregerkolben 520. Der Hub H des Erregerkolbens 520, die Winkelgeschwindigkeit des Erregerkolbens 520 und die maximale Länge a des pneumatischen Raums 580 sind derart aufeinander abgestimmt, dass die Bewegung des Flugkolbens 569, wie dargestellt, resonant durch den Erregerkolben 520 angeregt wird. Fig. 2 shows schematically the course of the movement of exciter piston 520 and free piston 580 over the time t; the course is inter alia in Fig. 13A of EP 1 779 980 A2 shown. The location axis x indicates the distance to the end piece of the tool 599. As the exciter piston 520 moves toward the tool 599 at its highest speed (to low x values), the excitation piston 520 and the flying piston 569 come closest to each other. The pneumatic chamber 569 is strongly compressed and accelerates in succession the flying piston 569 in the direction of the tool 599. The flying piston 569 then strikes unattenuated on the tail of the tool 599 on. Part of the kinetic energy of the flying piston 569 is transferred to the tool. As with a partial elastic shock with a heavy shock partner, the flying mass 569 reverses its direction of motion and moves at reduced speed towards the excitation piston 520. The stroke H of the excitation piston 520, the angular velocity of the exciter piston 520, and the maximum length a of the pneumatic space 580 are matched to one another such that the movement of the flying piston 569, as shown, is excited resonantly by the excitation piston 520.

Es besteht der Bedarf die Schlagwirkung des Meisselhammers weiter zu erhöhen, ohne dabei eine Leistungsaufnahme des Meisselhammers zu erhöhen. Die Schlagwirkung des Meisselhammers ergibt sich im Wesentlichen aus der bei einem Schlag in ein Werkstück abgegebene Energie. Die Leistungsaufnahme ergibt sich aus dem Produkt der pro Schlag abgegebenen Energie und der Schlagfrequenz der Schläge. Folglich muss die Schlagfrequenz der Schläge abgesenkt werden.There is a need to further increase the impact of the chisel hammer without increasing the power consumption of the chisel hammer. The hammering effect of the chisel hammer essentially results from the energy released in a workpiece during a blow. The power consumption results from the product of the energy delivered per beat and the beat frequency of the beats. Consequently, the beat frequency of the beats must be lowered.

Die abgegebene Energie pro Schlag ist abhängig von der kinetischen Energie, die der Flugkolben 569 bis zum Stoss aufnimmt. Die Beschleunigungsarbeit wird von den Erregerkolben 520 geleistet, die mit zunehmender Geschwindigkeit des Erregerkolbens 520 in dem Führungsrohr 530 steigt. Die Geschwindigkeit des Erregerkolbens 520 ist durch die Winkelgeschwindigkeit und den Hub H des Erregerkolbens 520 vorgeben. Zwar ist ein Erhöhen der Winkelgeschwindigkeit aufgrund der damit steigenden Schlagfrequenz der Schläge nicht geeignet, jedoch kann der Hub H des Erregerkolbens 520 erhöht werden. Dies erfordert allerdings eine grössere maximale Länge a des pneumatischen Raums 580 und somit ein längeres Schlagwerk, um eine resonante Anregung des Flugkolbens 569 zu gewährleisten.The energy released per impact depends on the kinetic energy that 569 receives up to the collision. The acceleration work is done by the exciter pistons 520, which increases with increasing velocity of the exciter piston 520 in the guide tube 530. The speed of the excitation piston 520 is determined by the angular velocity and the stroke H of the exciter piston 520. Although increasing the angular velocity is not suitable due to the thus increasing impact frequency of the impacts, the stroke H of the excitation piston 520 can be increased. However, this requires a greater maximum length a of the pneumatic space 580 and thus a longer impact mechanism to ensure a resonant excitation of the flying piston 569.

Damit der Meisselhammer im Betrieb von einem Anwender ergonomisch gehalten werden kann, sind jedoch die Abmessungen des Meisselhammers und damit auch des Schlagwerks begrenzt.In order for the chisel hammer to be ergonomically held by a user during operation, however, the dimensions of the chisel hammer and thus also of the impact mechanism are limited.

Die kinetische Energie des Flugkolbens 569 kann auch durch ein Erhöhen seiner Masse erreicht werden, jedoch erfährt dann ein Bediener einen höheren Rückschlag beim Beschleunigen des Flugkolbens 569 durch den Erregerkolben 520.The kinetic energy of the air piston 569 can also be achieved by increasing its mass, but then an operator experiences a higher kickback when accelerating the air piston 569 by the exciter piston 520.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNGDISCLOSURE OF THE INVENTION

Eine Aufgabe besteht darin, eine schlagende Werkzeugmaschine bereitzustellen, die eine verbesserte Schlagwirkung unter Berücksichtigung der ergonomischen Gesichtspunkte ermöglicht. Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein pneumatisches Schlagwerk gemäß Anspruch 1. Das pneumatische Schlagwerk weist auf: einen Flugkolben der längs einer Schlagachsebeweglich ist; eine Schlagfläche die eine Bewegung des Flugkolbens längs der Schlagachse ein Schlagrichtung begrenzt; einen Erregerkolben der eine Bewegung des Flugkolbens längs der Schlagachse entgegengesetzt der Schlagrichtung begrenzt; einen pneumatischen Raum zwischen Flugkolben und Erregerkolben; einen Antrieb zum periodischen Bewegen des Erregerkolbens mit einem Hub H längs der Schlagachse, wodurch der Flugkolben zu einer periodischen Bewegung zwischen der Schlagfläche und einer minimalen Annäherung an den Erregerkolbenangeregt ist. Ein Längenverhältnis der maximalen Länge des pneumatischen Raums zu dem Hub H ist kleiner als 1,55 gewählt.One object is to provide a beating machine tool that allows for improved impact performance while taking ergonomic considerations into account. The object is achieved by a pneumatic striking mechanism according to claim 1. The pneumatic striking mechanism comprises: a flying piston which is movable along a striking axis; a striking surface which limits a movement of the flying piston along the striking axis a direction of impact; an excitation piston which limits movement of the flying piston along the striking axis opposite to the direction of impact; a pneumatic space between the air piston and the excitation piston; a drive for periodically moving the excitation piston with a stroke H along the striking axis, whereby the flying piston is excited to a periodic movement between the striking surface and a minimum approach to the exciting piston. An aspect ratio of the maximum length of the pneumatic space to the stroke H is set smaller than 1.55.

Die maximale Länge des pneumatischen Raums ist der Abstand des Erregerkolbens zu dem Flugkolben, wenn der Erregerkolben in seiner der Werkzeugaufnahme entfernten Stellung und der Flugkolben angrenzend an die Schlagfläche angeordnet ist. Die maximale Länge dient als Grösse zum Auslegen und Charakterisieren des Schlagwerks. Während des Betriebs nimmt der pneumatische Raum in der Regel zu keinem Zeitpunkt die maximale Länge ein.The maximum length of the pneumatic space is the distance of the excitation piston to the flying mass when the exciter piston is in its position remote from the tool holder and the flying mass is arranged adjacent to the striking surface. The maximum length serves as a size for laying out and characterizing the impact mechanism. During operation, the pneumatic space usually takes at no time the maximum length.

Ein Umlauf des Flugkolbens in dem Schlagwerk setzt sich aus einer ersten Phase mit einer Bewegung von der minimalen Annäherung an den Erregerkolben zu dem Schlag und einer zweiten Phase mit einer Bewegung von der Schlagposition zu der nächsten minimalen Annäherung an den Erregerkolben zusammen. Die erste Phase und die zweite Phase werden zusammen innerhalb einer Zeitspanne abgeschlossen, die durch die Periodendauer der Bewegung des Erregerkolbens vorgegeben ist. Aufgrund des Abbremsens des Flugkolbens bis zum kurzeitigen Stillstand, erhöht sich die Dauer der zweiten Phase zu Lasten der Dauer der ersten Phase. Der Flugkolben bewältigt den Abstand zwischen minimaler Annäherung und dem Schlag in kürzerer Zeit, ergo, wie gewünscht, mit einer höheren Geschwindigkeit.Circulation of the flying bucket in the striking mechanism is composed of a first phase with a movement from the minimum approach to the exciting piston to the beat and a second phase with a movement from the striking position to the next minimum approach to the exciting piston. The first phase and the second phase are completed together within a period of time dictated by the period of movement of the exciter piston. Due to the deceleration of the flying piston until the momentary standstill, the duration of the second phase increases at the expense of the duration of the first phase. The flying piston manages the distance between minimum approach and the stroke in a shorter time, ergo, as desired, with a higher speed.

Das Abbremsen des Flugkolbens während der zweiten Phase erfolgt, wenn die Abmessungen von Hub und maximaler Länge des pneumatischen Raums geeignet gewählt sind. Am Anfang der zweiten Phase wird der pneumatische Raum komprimiert, da sich der Erregerkolben nach dem Schlag noch in Schlagrichtung bewegt oder der Flugkolben sich anfänglich mit einer grösseren Geschwindigkeit entgegen der Schlagrichtung bewegt als der Erregerkolben. Hierbei ergibt sich ein Druckanstieg in dem pneumatischen Raum, welcher den Flugkolben abbremst. Der Druckanstieg ist umso grösser, je kleiner das Volumen des pneumatischen Raums oder je grösser die noch verbleibende Hubbewegung des Erregerkolbens in Richtung Schlagfläche ist.The deceleration of the air piston during the second phase takes place when the dimensions of stroke and maximum length of the pneumatic space are suitably selected. At the beginning of the second phase, the pneumatic space is compressed because the excitation piston still moves in the direction of impact after the impact or the flying piston initially moved at a greater speed against the direction of impact than the exciter piston. This results in a pressure increase in the pneumatic space, which slows down the flying mass. The pressure increase is greater, the smaller the volume of the pneumatic space or the greater the remaining stroke movement of the excitation piston in the direction of clubface.

Gestützt durch realisierte Schlagwerke und numerische Simulationen wurde erkannt, dass bei typischen Parametern hinsichtlich der Masse des Flugkolbens, eines Durchmessers des pneumatischen Raums und einer Schlagfrequenz im Betrieb das genannte Verhältnis 1,55 eine Erhöhung der Schlagenergie aufgrund einer langsamen Bewegung des Flugkolbens in der zweiten Phase erreicht wird.Supported by realized percussion and numerical simulations, it has been found that with typical parameters of mass of the air piston, diameter of the pneumatic space and impact frequency during operation, said ratio 1.55 increases the impact energy due to slow movement of the air piston in the second phase is reached.

In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen des Schlagwerks beschrieben.In the dependent claims embodiments of the impact mechanism are described.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Hub in Abhängigkeit der maximalen Länge des pneumatischen Raums derart gewählt ist, dass der Flugkolben bei der Bewegung zwischen der Schlagfläche und einer nächstfolgenden minimalen Annäherung an den Erregerkolben wenigstens einmal die Bewegungsrichtung ändert. Hierfür kann ein Verhältnis von weniger als 1,50 vorteilhaft sein. Eine Änderung der Bewegungsrichtung während der zweiten Phase führt zu einem längeren Weg, den der Flugkolben während eines Umlaufs zurücklegt. Die Geschwindigkeit des Flugkolbens während der ersten Phase ist höher, auch unter Berücksichtigung der Randbedingung der vorgegebenen Zeitspanne für einen Umlauf.One embodiment provides that the stroke is selected in dependence on the maximum length of the pneumatic space such that the flying piston changes the direction of movement at least once during the movement between the striking surface and a following minimum approach to the exciter piston. For this purpose, a ratio of less than 1.50 may be advantageous. A change in the direction of movement during the second phase results in a longer path traveled by the flying piston during one revolution. The velocity of the flying piston during the first phase is higher, also taking into account the boundary condition of the given period of time for one revolution.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Hub in Abhängigkeit der maximalen Länge des pneumatischen Raums derart gewählt ist, dass der Flugkolben zwischen zwei aufeinanderfolgenden minimalen Annäherungen an den Erregerkolben wenigstens zweimal die Schlagfläche berührt. Hierfür kann ein Verhältnis von weniger als 1,40 vorteilhaft sein. Die Umkehr der Bewegungsrichtung durch den zweiten Schlag führt zu einer hohen Geschwindigkeit des Flugkolbens am Ende der zweiten Phase. Der Flugkolben kann sich daher dem Erregerkolben stark annähern und erfährt aufgrund des pneumatischen Raums danach eine höhere Beschleunigung in Richtung zu der Schlagfläche.An embodiment provides that the stroke is selected in dependence on the maximum length of the pneumatic space such that the flying piston touches the striking surface at least twice between two successive minimum approaches to the excitation piston. For this, a ratio of less than 1.40 may be advantageous. The reversal of the direction of movement by the second impact leads to a high velocity of the flying mass at the end of the second phase. The flying piston can therefore approach the exciter piston strongly and experiences a higher acceleration in the direction of the striking surface due to the pneumatic space thereafter.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass wenn die Masse des Flugkolbens grösser als 400 g ist, das Längenverhältnis kleiner 1,55 gewählt ist und wenn die Masse des Flugkolbens kleiner als 400 g ist, das Längenverhältnis kleiner 1,40 gewählt ist.One embodiment provides that if the mass of the flying mass is greater than 400 g, the aspect ratio is selected smaller than 1.55 and if the mass of the flying piston is less than 400 g, the aspect ratio is selected less than 1.40.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass wenn ein Verhältnis der Masse des Döppers zu der Masse des Flugkolbens geringer als 1,2 ist, das Längenverhältnis kleiner 1,40 gewählt ist.An embodiment provides that when a ratio of the mass of the beatipel to the mass of the flying mass is less than 1.2, the aspect ratio is chosen smaller than 1.40.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

Die nachfolgende Beschreibung erläutert die Erfindung anhand von exemplarischen Ausführungsformen und Figuren. In den Figuren zeigen:

Fig. 1
einen Schnitt durch ein bekanntes Schlagwerk;
Fig. 2
eine Flugbahn eines Flugkolbens in dem bekannten Schlagwerk;
Fig. 3
einen Schnitt einer Ausführungsform einer schlagenden Handwerkzeugmaschine;
Fig. 4
einen Schnitt einer Ausführungsform eines Schlagwerks;
Fig. 5
eine Flugbahn eines Flugkolbens mit bekannten Parametern des Schlagwerks;
Fig. 6
eine Flugbahn des Flugkolbens einer Ausführungsform des Schlagwerks;
Fig. 7 bis 9
weitere Handwerkzeugmaschinen mit Schlagwerken.
The following description explains the invention with reference to exemplary embodiments and figures. In the figures show:
Fig. 1
a section through a known percussion;
Fig. 2
a trajectory of a flying piston in the known percussion;
Fig. 3
a section of an embodiment of a striking hand tool;
Fig. 4
a section of an embodiment of a striking mechanism;
Fig. 5
a trajectory of a flying piston with known parameters of the impact mechanism;
Fig. 6
a trajectory of the flying piston of an embodiment of the striking mechanism;
Fig. 7 to 9
other hand tool machines with striking mechanisms.

Gleiche oder funktionsgleiche Elemente werden durch gleiche Bezugszeichen in den Figuren indiziert, soweit nicht anders angegeben.Identical or functionally identical elements are indicated by the same reference numerals in the figures, unless stated otherwise.

AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNGEMBODIMENTS OF THE INVENTION

Fig. 3 zeigt schematisch als Beispiel für eine schlagende Handwerkzeugmaschine einen elektropneumatischen Meisselhammer 1, andere nicht dargestellte Beispiele sind unter anderem Bohrhämmer, Kombihämmer. Fig. 3 shows schematically as an example of a striking hand tool an electro-pneumatic chisel hammer 1, other examples not shown are, inter alia, rotary hammers, combi hammers.

In einem Maschinengehäuse 2 ist ein Antriebsstrang mit einem primären Antrieb 3, einer Antriebswelle 4 und einem Schlagwerk 5 angeordnet. Zwischen den primären Antrieb 3 und die Antriebswelle 4 kann ein Getriebe 7 geschaltet sein. Der primäre Antrieb 3 ist vorzugsweise ein Elektromotor, beispielsweise ein Universalmotor oder ein bürstenloser Motor. Die Antriebswelle 4 wird mit Drehzahlen im Bereich zwischen 1 Hz und 100 Hz, zum Beispiel mit 10 Hz bis 60 Hz gedreht. Die Drehbewegung der Antriebswelle 4 wird durch das Schlagwerk 5 in eine periodische Schlagbewegung längs einer Schlagachse 8 übertragen. Ein in einer Werkzeughalterung 9 gehaltenes Werkzeug wird durch die periodischen Schläge längs der Schlagachse 8 in Schlagrichtung 99 aus dem Meisselhammer 1 heraus getrieben. Ein Rückholen des Werkzeuges in den Meisselhammer 1 gegen die Schlagrichtung 99 erfolgt durch Anpressen des Meisselhammers 1 an ein Werkstück.In a machine housing 2, a drive train with a primary drive 3, a drive shaft 4 and a striking mechanism 5 is arranged. Between the primary drive 3 and the drive shaft 4, a transmission 7 may be connected. The primary drive 3 is preferably an electric motor, for example a universal motor or a brushless motor. The drive shaft 4 is rotated at speeds in the range between 1 Hz and 100 Hz, for example at 10 Hz to 60 Hz. The rotational movement of the drive shaft 4 is through the Schlagwerk 5 transferred in a periodic impact movement along a striking axis 8. A held in a tool holder 9 tool is driven out of the chisel hammer 1 by the periodic beats along the striking axis 8 in the direction of impact 99 out. A return of the tool in the chisel hammer 1 against the direction of impact 99 is effected by pressing the chisel hammer 1 to a workpiece.

Fig. 4 zeigt einen beispielhaften Aufbau des Schlagwerks 5. Fig. 4 shows an exemplary construction of the striking mechanism. 5

Das Schlagwerk 5 weist einen Erregerkolben 12 und einen Flugkolben 13 auf, die längs der Schlagachse 8 bewegbar sind. In der dargestellten Ausführung sind der Erregerkolben 12 und der Flugkolben durch eine Wand 11 eines Führungsrohrs 10 geführt.The striking mechanism 5 has an excitation piston 12 and a flying piston 13 which are movable along the striking axis 8. In the illustrated embodiment, the excitation piston 12 and the flying piston are guided through a wall 11 of a guide tube 10.

An einem Werkzeug-seitigen Ende des Führungsrohrs 10 ist ein Döpper 20 in einer Döpperführung 21 gelagert. Ein Werkzeug-zugewandtes Ende 22 ist in Kontakt mit einem Werkzeug 8, das in der Werkzeughalterung 9 gehalten wird. Ein Werkzeug-abgewandtes Ende 23 des Döppers 20 ragt aus der Döpperführung 21 in den Innenraum des Führungsrohrs 10. Im schlagenden Betrieb liegt der Döpper 20 an einem Werkzeugabgewandten Ende 24 der Döpperführung 21 an. In dieser Stellung definiert das Werkzeugabgewandte Ende 23 des Döppers 20 die Position der Schlagfläche 27 des Schlagwerks 5.At a tool-side end of the guide tube 10, a striker 20 is mounted in an anvil guide 21. A tool-facing end 22 is in contact with a tool 8 which is held in the tool holder 9. A tool-facing end 23 of the striker 20 protrudes from the anvil guide 21 in the interior of the guide tube 10. In the beating operation of the striker 20 abuts a tool facing away from the end 24 of the striker 21. In this position, the tool facing away from end 23 of the striker 20 defines the position of the striking surface 27 of the impact mechanism. 5

Der Döpper 20 kann wie ausgeführt als Mittler zwischen dem Flugkolben 13 und einem Werkzeug 8 in dem Schlagwerk 5 vorgesehen sein. Dies ermöglicht insbesondere eine Auslegung des Schlagwerks 5, die einer Masse des eingesetzten Werkzeugs 8 unabhängig ist. Der Döpper 20 kann hierfür deutlich schwerer als die typische Masse des Werkzeugs 8 gewählt werden.As indicated, the striker 20 may be provided as an intermediary between the flying mass 13 and a tool 8 in the impact mechanism 5. This allows in particular a design of the impact mechanism 5, which is independent of a mass of the tool 8 used. The striker 20 can be chosen much heavier than the typical mass of the tool 8 for this purpose.

In einer anderen Ausgestaltung ist kein Döpper 20 vorgesehen. Der Flugkolben 13 schlägt unmittelbar auf eine Endfläche des Werkzeugs 8. Die Endfläche bildet in diesem Fall die Schlagfläche 27. Das Werkzeug 8 ist in der Werkzeugaufnahme 9 soweit als möglich in Richtung zu dem Schlagwerk 5 eingerückt. In dieser Stellung definiert das Werkzeug 8 die Schlagfläche.In another embodiment, no striker 20 is provided. The flying mass 13 strikes directly on an end face of the tool 8. The end face forms the striking surface 27 in this case. The tool 8 is engaged in the tool holder 9 as far as possible in the direction of the impact mechanism 5. In this position, the tool 8 defines the clubface.

Der Erregerkolben 12 wird durch die Antriebswelle 4 zu einer periodischen Bewegung längs der Schlagachse 14 gezwungen. Die Antriebswelle 4 wird um ihre Drehachse 30 gedreht und bewegt dabei einen zur Drehachse 30 exzentrisch angeordneten Taumelfinger 31. Der Taumelfinger 31 ist über ein Gestänge 32 mit dem Erregerkolben 12 verbunden. Ein Hub H des Erregerkolbens 12 wird als der Abstand zwischen den beiden Stellungen definiert, in welchen der Erregerkolben 12 der Schlagfläche 27 am nächsten bzw. am weitesten entfernt ist. Der Hub H des Erregerkolbens 12 ist durch den Abstand 33 des Taumelfingers 31 von der Drehachse 30 vorgegeben und entspricht näherungsweise dem Doppelten des Kurbelradius 33 des Taumelfingers 31. Die Bewegung des Erregerkolbens 12 ist periodisch und je nach Gestaltung des exzentrischen Antriebs 4 ist die Bewegung sinusförmig oder in guter Näherung sinusförmig.The exciter piston 12 is forced by the drive shaft 4 to a periodic movement along the striking axis 14. The drive shaft 4 is rotated about its axis of rotation 30 and thereby moves an axis of rotation 30 eccentrically arranged wobble finger 31. The wobble finger 31 is connected via a linkage 32 with the exciter piston 12. A stroke H of the excitation piston 12 is defined as the distance between the two positions, in which the exciter piston 12 of the striking surface 27 is closest to or furthest away. The stroke H of the excitation piston 12 is predetermined by the distance 33 of the wobble finger 31 from the rotation axis 30 and corresponds approximately to twice the crank radius 33 of the wobble finger 31. The movement of the exciter piston 12 is periodic and depending on the design of the eccentric drive 4, the movement is sinusoidal or, to a good approximation, sinusoidal.

Der Erregerkolben 12 und der Flugkolben 13 begrenzen einen zwischen ihnen liegenden luftdicht abgeschlossenen Raum, den pneumatischen Raum 19. Eine Querschnittsfläche A des pneumatischen Raums 19 entspricht in etwa einer Querschnittsfläche des Flugkolbens 13 und des Erregerkolbens 12. Ein luftdichter Abschluss kann z.B. durch Dichtungsringe 15, 16 erreicht werden. Der pneumatische Raum 19 hat eine maximale Länge L, wenn der Erregerkolben 12 in maximaler Distanz zu der Schlagfläche 27 ist und der Flugkolben 13 an die Schlagfläche 27 angrenzt.The excitation piston 12 and the flying mass 13 define an air-tightly sealed space between them, the pneumatic space 19. A cross-sectional area A of the pneumatic space 19 corresponds approximately to a cross-sectional area of the flying piston 13 and the exciter piston 12. An airtight termination may e.g. be achieved by sealing rings 15, 16. The pneumatic space 19 has a maximum length L when the excitation piston 12 is at the maximum distance to the impact surface 27 and the flying mass 13 is adjacent to the impact surface 27.

Ein einfaches Modell der Flugbahn des Flugkolbens 13 wird nachfolgend anhand eines herkömmlichen Schlagwerks und eines Schlagwerk 5 gemäss einer Ausführungsform erläutert. Das Modell dient dazu Parameter des Schlagwerks 5 aufzufinden, bei denen der Flugkolben 13 zwischen einem Schlag auf die Schlagfläche 27 und einem nächstfolgenden minimalen Abstand zu dem Erregerkolben 12 wenigstens zum Stillstand abgebremst wird oder sogar seine Bewegungsrichtung ändert.A simple model of the trajectory of the flying piston 13 is explained below with reference to a conventional impact mechanism and a striking mechanism 5 according to one embodiment. The model is used to find parameters of the percussion mechanism 5, in which the flying mass 13 is decelerated at least to a standstill between a blow to the striking surface 27 and a next minimum distance to the excitation piston 12 or even changes its direction of movement.

Fig. 5 zeigt dazu eine Flugbahn 100 des Flugkolbens 13 für ein herkömmliches, langes Schlagwerk, aufgetragen über die Zeit t. Die Flugbahn 100 ist mittels einer ad-initio Simulation ermittelt. Die Parameter des Schlagwerks sind: Schlagfrequenz f = 14,5 Hz; Masse des Döppers m1 = 2,119 kg; Masse des Flugkolbens m2 = 1,248 kg; Hub H = 0,094 m; maximale Länge des pneumatischen Raums L = 0,204 m; Querschnittsfläche des pneumatischen Raums A = 0,0034 m2; Schlagzahl q = 0,25. Die Bahnkurve 101 des Erregerkolbens 12 ist ebenfalls eingezeichnet. Fig. 6 zeigt eine Flugbahn 200 des Flugkolbens 13 für ein kurzes Schlagwerk 5 gemäss einer Ausführungsform. Der einzig gegenüber Fig. 5 geänderte Parameter ist die maximale Länge L des pneumatischen Raums: L = 0,139 m. Fig. 5 shows a trajectory 100 of the flying piston 13 for a conventional, long impact mechanism, plotted over the time t. The trajectory 100 is determined by means of an ad-initio simulation. The parameters of the impact mechanism are: beat frequency f = 14.5 Hz; Mass of the striker m 1 = 2,119 kg; Mass of the flying mass m 2 = 1,248 kg; Stroke H = 0.094 m; maximum length of the pneumatic space L = 0.204 m; Cross sectional area of the pneumatic space A = 0.0034 m 2 ; Beat number q = 0.25. The trajectory 101 of the excitation piston 12 is also shown. Fig. 6 shows a trajectory 200 of the flying piston 13 for a short striking mechanism 5 according to one embodiment. The only one opposite Fig. 5 changed parameter is the maximum length L of the pneumatic space: L = 0.139 m.

Die Flugbahn 100 des langen Schlagwerks kann in zwei Phasen 102, 103 begrenzt durch Umkehrpunkte 104, 105 der Flugbahn 100 unterteilt werden. Der erste Umkehrpunkt 104 ergibt sich bei dem minimalen Abstand des Flugkolbens 13 an den Erregerkolben 12. Der zweite Umkehrpunkt 105 ergibt sich durch den Schlag des Flugkolbens 13 auf die Schlagfläche 27.The trajectory 100 of the long impact mechanism can be subdivided into two phases 102, 103 limited by reversal points 104, 105 of the trajectory 100. The first turning point 104 results at the minimum distance of the flying piston 13 to the exciting piston 12 second reversal point 105 results from the impact of the flying mass 13 on the striking surface 27.

Die Flugbahn im Bereich des ersten Umkehrpunkts 104 kann durch einen Stoss des Flugkolbens 13 an dem bewegten Erregerkolben 12 beschrieben werden. Die effektive Masse des Erregerkolbens 12 wird als unendlich angenommen, weil der Erregerkolben 12 an den Antrieb starr angekoppelt ist. Typisch für eine resonante Anregung fällt der erste Umkehrpunkt 104 mit der maximalen Geschwindigkeit des Erregerkolbens 12 zusammen. Die Geschwindigkeit v1 des Flugkolbens 13 nach dem ersten Umkehrpunkt 104 ist somit näherungsweise v 1 = 2π·H·f+v 3 , wobei v2 die Geschwindigkeit vor dem ersten Umkehrpunkt 104 bezeichnet.The trajectory in the region of the first reversing point 104 can be described by a collision of the flying piston 13 on the moving exciter piston 12. The effective mass of the excitation piston 12 is assumed to be infinite, because the exciter piston 12 is rigidly coupled to the drive. Typically for a resonant excitation, the first reversal point 104 coincides with the maximum velocity of the exciter piston 12. The velocity v 1 of the flying mass 13 after the first turning point 104 is thus approximately v 1 = 2π * H * f + v 3 , where v 2 denotes the velocity before the first turning point 104.

Bei dem Stoss des Flugkolbens 13 mit dem Döpper 20 bzw. dem Werkzeug ist der Betrag der Geschwindigkeit v2 des Flugkolbens 13 nach dem Stoss geringer als die Geschwindigkeit v1 vor dem Stoss, da ein Teil der kinetischen Energie des Flugkolbens 12 in den Döpper 20 übertragen wird. Das Verhältnis (Schlagzahl q) der Geschwindigkeiten v2 / v1 ist durch die Masse m2 des Flugkolbens 13, die Masse m1 des Döppers 20 und einen Formfaktor e der Stosspartner vorgegeben: k = e m 2 m 1 m 2 + m 1 .

Figure imgb0001
Der Formfaktor e weist Werte von 0 bis 1 auf; für kurze gedrungene Stosspartner in der Nähe von 1 und für eher länglich aufgebaute Stosspartner in der Nähe von 0. Beispielhafte Werte für den Schlagzahl k liegen im Bereich von 0,05 bis 0,35. Beispielhaft kann die Stosszahl (q) zu 0,22 gewählt sein, wenn ein Verhältnis m 1/m 2 der Masse (m1) des Döppers zu der Masse (m2) des Flugkolbens (13) grösser als 1,2 ist und andernfalls die Stosszahl (q) zu 0,12 gewählt sein.In the impact of the flying piston 13 with the striker 20 and the tool, the amount of speed v 2 of the flying piston 13 after the impact is less than the speed v 1 before the shock, since a part of the kinetic energy of the flying piston 12 in the striker 20th is transmitted. The ratio (impact number q) of the speeds v 2 / v 1 is given by the mass m 2 of the flying mass 13, the mass m 1 of the striker 20 and a form factor e of the mating partners: k = e m 2 - m 1 m 2 + m 1 ,
Figure imgb0001
The form factor e has values from 0 to 1; for short squat mating partners near 1 and for more elongated mating partners near 0. Exemplary values for the strike number k are in the range of 0.05 to 0.35. By way of example, the impact number (q) may be selected to be 0.22 if a ratio m 1 / m 2 of the mass (m 1 ) of the striker to the mass (m 2 ) of the flying mass (13) is greater than 1.2 and otherwise the number of impacts (q) should be 0.12.

Während der ersten Phase 102 und der zweiten Phase 103 ändert sich das Volumen V des pneumatischen Raums 19. In Folge ändert sich auch der Druck p innerhalb des pneumatischen Raums 19. Eine Kraft auf den Flugkolben 13 ergibt aufgrund des Druckunterschieds der Umgebung (ca. 1 bar) und dem Druck p innerhalb des pneumatischen Raums 19. Der Flugkolben 13 erfährt also auch zwischen den beiden Umkehrpunkten 104, 105 eine Beschleunigung, die seine Geschwindigkeit v1, v2 erhöht oder verringert.During the first phase 102 and the second phase 103, the volume V of the pneumatic space 19 changes. As a result, the pressure p within the pneumatic space 19 also changes. A force on the flying mass 13 results due to the pressure difference of the surroundings (approx bar) and the pressure p within the pneumatic space 19. The flying mass 13 thus also experiences an acceleration between the two reversal points 104, 105, which increases or decreases its velocity v 1 , v 2 .

Der Druck p kann durch eine adiabatische Näherung abgeschätzt werden, bei der (p·V)κ konstant ist, wobei κ (kappa) den Isentropenexponenten (etwa 1,4 für Luft in dem vorherschenden Druckbereich von 0,5 bar bis 10 bar) und V das Volumen des pneumatischen Raums 19 bezeichnet. Es wird angenommen, dass ein neutrales Volumen V0 bei dem ein Druck p in dem pneumatischen Raum 19 etwa dem Normaldruck p0 der Umgebung (etwa 1 bar) entspricht, der Hälfte der maximalen Länge des pneumatischen Raums 19 entspricht, d.h. wenn der Abstand x des Flugkolbens 13 zum Erregerkolben 12 x = L/2 ist.The pressure p can be estimated by an adiabatic approximation, κ at the (p · V) is constant, κ (kappa) the isentropic exponent (approximately 1.4 for air in the prevailing pressure range of 0.5 bar to 10 bar) and V the volume of referred to pneumatic space 19. It is assumed that a neutral volume V 0 at which a pressure p in the pneumatic space 19 corresponds approximately to the normal pressure p 0 of the environment (about 1 bar) corresponds to half the maximum length of the pneumatic space 19, ie if the distance x of the flying piston 13 to the excitation piston 12 x = L / 2.

Bei dem langen Schlagwerk ändert sich das Volumen des pneumatischen Raums 2 in der ersten und zweiten Phase 102, 103 verglichen zu dem neutralen Volumen V0 nur geringfügig. Dies ist zum Teil durch den, zur maximalen Länge L verglichen, geringen Hub H bedingt. Entsprechend ergeben sich auch nur minimale Abweichungen zu dem Umgebungsdruck p0 und geringe Kräfte auf den Flugkolben 13. Der Einfluss des pneumatischen Raums 19 auf die Bewegung des Flugkolbens 13 bei dem langen Schlagwerk ist vernachlässigbar. Die Geschwindigkeit v1 bleibt während der ersten Phase 102 und die Geschwindigkeit v2 während der zweiten Phase 103 näherungsweise konstant.In the long percussion mechanism, the volume of the pneumatic space 2 in the first and second phases 102, 103 changes only slightly compared to the neutral volume V 0 . This is partly due to the, compared to the maximum length L, low stroke H. Correspondingly, there are only minimal deviations from the ambient pressure p 0 and low forces on the flying mass 13. The influence of the pneumatic space 19 on the movement of the flying mass 13 in the long impact mechanism is negligible. The velocity v 1 remains approximately constant during the first phase 102 and the velocity v 2 during the second phase 103.

Näherungsweise wird angenommen, der Flugkolben 13 und der Erregerkolben 12 berühren sich beim ersten Umkehrpunkt 14, im Abstand x = L-½H von der Schlagfläche 27. Unter der Randbedingung, dass innerhalb einer Periode, also der Zeitspanne f -1, die Strecke LH von dem Flugkolben 13 einmal mit der ersten Geschwindigkeit v1 und einmal mit der zweiten Geschwindigkeit v2 zurückgelegt wird, ergibt sich für die erste Geschwindigkeit: v 1 = 2 π f H 1 q .

Figure imgb0002
Approximately it is assumed that the flying mass 13 and the exciter piston 12 touch each other at the first turning point 14, at a distance x = L- ½ H from the striking surface 27. Under the boundary condition that within a period, ie the time span f -1 , the distance LH is traveled by the flying mass 13 once at the first speed v 1 and once at the second speed v 2 , the following results for the first speed: v 1 = 2 π f H 1 - q ,
Figure imgb0002

Bei dem kurzen Schlagwerk 5 weist die Flugbahn 200 ebenfalls die beiden Umkehrpunkte 204, 205 auf, welche sich durch eine minimale Annäherung an den Erregerkolben 13 und einen nachfolgenden Schlag auf die Schlagfläche 27 ergeben.In the case of the short percussion mechanism 5, the trajectory 200 likewise has the two reversal points 204, 205, which result from a minimal approach to the exciter piston 13 and a subsequent impact on the striking surface 27.

Während der ersten Phase 202 bewegt sich der Flugkolben 13 von dem ersten Umkehrpunkt 204 zum zweiten Umkehrpunkt 205, in ähnlicher Weise wie bei einem langen Schlagwerk. Die Geschwindigkeit v1 ist näherungsweise konstant und beträgt etwa v 1 = 2π·H·f+v 3, wobei v3 die Geschwindigkeit kurz vor dem ersten Umkehrpunkt 204 ist. Für eine Schätzung der Geschwindigkeit v 3 = 2f·(aH) kann angenommen werden, dass die Bewegung von der Schlagfläche 27 bis zum ersten Umkehrpunkt 203 in etwa während einer halben Periode (½f -1) erfolgt.During the first phase 202, the flying mass 13 moves from the first turning point 204 to the second turning point 205, similarly to a long striking mechanism. The velocity v 1 is approximately constant and is approximately v 1 = 2π * H * f + v 3 , where v 3 is the velocity short of the first reversal point 204. For an estimate of the velocity v 3 = 2 f · ( aH ), it can be assumed that the movement from the face 27 to the first turning point 203 occurs approximately during half a period (½ f -1 ).

Die zweite Phase 203 des kurzen Schlagwerks 5 unterscheidet sich von der zweiten Phase 103 des langen Schlagwerks. Die Geschwindigkeit des Flugkolbens 13 wird auf Null herabgebremst, in dem dargestellten Beispiel kehrt die Bewegung des Flugkolbens 13 sogar um. Die treibende Kraft für das Abbremsen ergibt sich durch die starke Kopplung des Flugkolbens 13 an den Erregerkolben 12 mittels des pneumatischen Raums 19.The second phase 203 of the short impact mechanism 5 differs from the second phase 103 of the long impact mechanism. The velocity of the flying mass 13 is reduced to zero, in the illustrated example the movement of the flying mass 13 even reverses. The driving force for the braking results from the strong coupling of the flying piston 13 to the exciting piston 12 by means of the pneumatic space 19.

Nachfolgenden werden Parameter des Schlagwerks 5 geschätzt, bei denen die Geschwindigkeit v2 des Flugkolbens 13 nach dem zweiten Umkehrpunkt 205 wenigstens auf Null abgebremst wird.Subsequently, parameters of the percussion mechanism 5 are estimated, in which the speed v 2 of the flying piston 13 is braked to at least zero after the second reversal point 205.

Die abbremsende Kraft ergibt sich durch den Überdruck (p-p 0) des pneumatischen Raums 19 gegenüber der Umgebung, der auf die Querschnittsfläche A des pneumatischen Raums 19 wirkt. Aufgrund der Bewegung des Flugkolbens 13 in Richtung zu dem Erregerkolben 12 verkleinert sich zudem das Volumen V des pneumatischen Raums 19 und entsprechend erhöht sich der Überdruck (p-p 0). Die Druckänderung kann basierend auf der adiabatischen Näherung p·V κ = p 0·V 0 κ bestimmt werden.The braking force results from the overpressure ( pp 0 ) of the pneumatic space 19 with respect to the environment, which acts on the cross-sectional area A of the pneumatic space 19. Due to the movement of the flying piston 13 in the direction of the excitation piston 12 also reduces the volume V of the pneumatic chamber 19 and correspondingly increases the pressure ( pp 0 ). The pressure change can be determined based on the adiabatic approximation p * V K = p 0 * V 0 κ .

Das Abbremsen erfolgt typischerweise spätestens innerhalb einem Viertel einer Periode (T = ¼ f -1) nach dem zweiten Umkehrpunkt 205. Während dieser Zeitspanne T bewegt sich der Erregerkolben 12 langsam. Eine Änderung des Drucks p in dem pneumatischen Raum 19 wird während der Zeitspanne T durch die Bewegung des Flugkolbens 13 dominiert. Nach der Zeitspanne T erreicht der Erregerkolben 12 eine Geschwindigkeit, die deutlich grösser als die Geschwindigkeit v2 des Flugkolbens 13 ist. Der relative Abstand vergrössert sich rasch und ist bald grösser als ½L, weshalb der Flugkolben 13 wieder in Richtung zum Erregerkolben 12 beschleunigt wird.The deceleration is typically carried out at the latest within a quarter of a period (T = ¼ f -1) to the second reversal point 205. During this period of time T, the driving piston 12 moves slowly. A change in the pressure p in the pneumatic chamber 19 is dominated during the period T by the movement of the flying piston 13. After the time period T, the excitation piston 12 reaches a speed which is significantly greater than the speed v 2 of the flying piston 13. The relative distance increases rapidly and is soon greater than ½ L , which is why the flying mass 13 is accelerated again in the direction of the exciter piston 12.

Während der Zeitspanne T wird die Position x1 des Erregerkolbens 12 als näherungsweise konstant gleich dem minimal möglichen Abstand zu der Schlagfläche 27 (x 1 = L-H) angenommen. Das Volumen des pneumatischen Raums V während der Zeitspanne T ergibt sich zu: V = A(L-H-v 2 ·t), wobei die Geschwindigkeit v2 zur Berechnung des Volumens V als konstant angenommen wird.During the time period T, the position x1 of the excitation piston 12 is assumed to be approximately constant equal to the minimum possible distance to the striking surface 27 ( x 1 = LH ). The volume of the pneumatic space V during the period T is given by: V = A ( LHv 2 * t ) , where the velocity v 2 for calculating the volume V is assumed to be constant.

Der Flugkolben 13 stoppt, wenn das Integral der abbremsenden Kraft über die Zeitspanne T dem Impuls des Flugkolbens 13, d.h. v 2·m 2 , nach dem zweiten Umkehrpunkt 204 entspricht: v 2 m 2 < ! 0 T A p 0 V 0 / V κ 1 dt .

Figure imgb0003
Unter Einsetzen der obig beschriebenen Beziehungen und einer Reihenentwicklung nach der Zeit bis zur ersten Ordnung ergibt sich mit T = (N f)-1: L κ 2 L H κ κ L H + L κ 2 L H κ 1 1 q q N 2 π H ! m 2 A p 0 N 2 f 2
Figure imgb0004
Aus der Ungleichung wird ersichtlich, dass ein Erhöhen der Querschnittsfläche A, des Hubs H und/oder ein Verringern der Masse m2 des Flugkolbens 13, der maximalen Länge L des pneumatischen Raums 19, der Schlagfrequenz f tendenziell zu einem Schlagwerk 5 führen, bei dem die Bewegung des Flugkolbens 13 bis zum Stillstand abgebremst wird.The flying mass 13 stops when the integral of the decelerating force over the time period T corresponds to the momentum of the flying mass 13, ie v 2 · m 2 , after the second turning point 204: v 2 m 2 < ! 0 T A p 0 V 0 / V κ - 1 dt ,
Figure imgb0003
Substituting the relationships described above and a series expansion to time to first order, T = ( N f ) -1 : L κ 2 L - H κ κ L - H + L κ 2 L - H κ - 1 1 - q q N 2 π H ! m 2 A p 0 N 2 f 2
Figure imgb0004
It can be seen from the inequality that increasing the cross-sectional area A, stroke H and / or decreasing the mass m 2 of the flying mass 13, the maximum length L of the pneumatic space 19, the beat frequency f tends to result in a percussion mechanism 5 in which the movement of the flying piston 13 is braked to a standstill.

Der Parameter N ist vorzugsweise grösser als 4, aufgrund der beschriebenen Annahme, dass ein Abbremsen innerhalb einer Viertel Periode T = ¼f -1 erfolgt.The parameter N is preferably greater than 4, based on the described assumption that deceleration occurs within a quarter period T = ¼ f -1 .

In der Einführung ist ausgeführt, dass einer Wahl der Schlagfrequenz f und der Masse m2 des Flugkolbens 13 durch enge Grenzen aufgelegt sind. Die Querschnittsfläche A des pneumatischen Raums 19 ist eng mit der Form und Schlageigenschaften des Flugkolbens 13 gekoppelt. Die äusseren Randbedingungen können jedoch eine weitgehend freie Wahl der maximalen Länge L des pneumatischen Raums 19 und der Hub H des Erregerkolbens 13 erlauben.In the introduction it is stated that a choice of the beat frequency f and the mass m 2 of the flying piston 13 are imposed by narrow limits. The cross-sectional area A of the pneumatic space 19 is closely coupled with the shape and impact characteristics of the flying piston 13. However, the outer boundary conditions may allow a largely free choice of the maximum length L of the pneumatic chamber 19 and the stroke H of the exciter piston 13.

Für schwere Schlagwerke 5 mit einem Flugkolben 13 der Masse m2 grösser als 400 g deren sonst typischen Parametern, wie einer grossen Stosszahl (q > 0,2) eignet sich beispielsweise eine Wahl des Verhältnisses der maximalen Länge L zu dem Hub H von: L/H<1,55 ; und für leichte Schlagwerke 5 mit der Masse m2 geringer als 400 g eine Wahl des Verhältnisses von:L/H<1,40.For heavy impact mechanisms 5 with a flying mass 13 of mass m 2 greater than 400 g of their otherwise typical parameters, such as a large number of impacts (q> 0.2), for example, a choice of the ratio of the maximum length L to the stroke H of: L / H <1.55; and for light impactors 5 of mass m 2 less than 400 g, a choice of the ratio of: L / H <1.40.

Das Schlagwerk 5 wird vorzugsweise derart resonant betrieben, dass der erste Umkehrpunkt 204 und die höchsten Geschwindigkeit des Erregerkolbens 12 zusammenfallen, d.h. eine Differenz der jeweiligen Zeitpunkte geringer als 2% der Periodendauer (T = f -1) ist.The striking mechanism 5 is preferably operated in such a resonant manner that the first turning point 204 and the highest speed of the exciting piston 12 coincide, ie a difference between the respective times is less than 2% of the period ( T = f -1 ).

Bei dem resonanten Betrieb wird gestützt auf Untersuchungen an Simulationen und Prototypen angenommen, dass ein vollständiges Abbremsen innerhalb einer Zeitpanne T 0 = ⅜f -1 nach dem ersten Umkehrpunkt 204 erfolgt. Nach der Zeitspanne T0 erhöht sich die Geschwindigkeit des Erregerkolbens auf 70% ihres Maximalwerts, wodurch ein rascher Abbau des bremsenden Überdrucks zu einem beschleunigenden Unterdruck erfolgt.In resonant mode, based on studies on simulations and prototypes, it is assumed that a complete deceleration within a period of time T 0 = ⅜ f -1 after the first reversal point 204 takes place. After the time period T 0 , the speed of the exciter piston increases to 70% of its maximum value, whereby a rapid reduction of the braking overpressure to an accelerating negative pressure takes place.

Der Flugkolben 12 benötigt etwa eine Zeitspanne von ⅛f -1 bis ¼f -1 für seine Bewegung zu der Schlagfläche 27. Das Abbremsen kann innerhalb einer Zeitspanne von ⅛f -1 bis ¼f -1 erfolgen, weshalb N wenigstens 4, vorzugsweise 6 oder 8 beträgt. Für einen resonanten Betrieb können die Parameter des Schlagwerks 5 gemäss obiger Ungleichung bestimmt werden mit dem gewählten N.The flying mass 12 takes about a period of time from ⅛ f -1 to ¼ f -1 for its movement to the striking surface 27. The braking can take place within a period of time from ⅛ f -1 to ¼ f -1 , for which reason N is at least 4, preferably 6 or 8. For a resonant operation, the parameters of the impact mechanism 5 can be determined according to the above inequality with the selected N.

In einer weiteren Ausgestaltung werden die Parameter des Schlagwerks 5 derart gewählt, dass der Flugkolben 13 in dem Schlagwerk 5 nach dem zweiten Umkehrpunkt 205 ein weiteres Mal die Schlagfläche 27 berührt (Punkt 206), bevor der Flugkolben 13 bis zu dem ersten Umkehrpunkt 204 fliegt. Die Verlängerung der Flugbahn des Flugkolbens 13 erlaubt eine höhere Geschwindigkeit unter Beibehaltung der Schlagfrequenz f.In a further embodiment, the parameters of the percussion mechanism 5 are selected such that the flying mass 13 in the percussion mechanism 5 after the second reversal point 205 again touches the striking surface 27 (point 206) before the flying mass 13 flies up to the first reversal point 204. The extension of the trajectory of the flying piston 13 allows a higher speed while maintaining the beat frequency f.

Damit der Flugkolben 13 bis zu der Schlagfläche 27 zurückgekehrt, muss das Abbremsen bis zum Stillstand frühzeitig erfolgen. Danach muss noch für eine ausreichend lange Zeitspanne ein Überdruck in dem pneumatischen Raum 19 vorherrschen, um den Flugkolben in Richtung der Schlagfläche 27 zu beschleunigen. Aus Untersuchungen wurde erkannt, dass dies bei einer Zeitspanne T0 kleiner 2/6f -1 erreicht wird. Die Geschwindigkeit des Erregerkolbens 12 erreicht innerhalb der Zeitspanne T0 nur 50% ihrer maximalen Geschwindigkeit. Das Schlagwerk 5 kann entsprechend der obigen Ungleichung ausgelegt werden, wobei N grösser als 5, vorzugsweise grösser als 8 oder 10 gewählt wird. Der Parameter N kann für das zweimalige Schlagen während eines Umlaufs des Flugkolbens grösser als 8 gewählt sein.In order for the flying mass 13 to return to the striking surface 27, the braking must take place to a standstill early. Thereafter, a positive pressure in the pneumatic chamber 19 must prevail for a sufficiently long period of time in order to accelerate the flying piston in the direction of the impact surface 27. Investigations have shown that this is achieved at a time T 0 less than 2/6 f -1 . The speed of the exciter piston 12 reaches within the time period T 0 only 50% of its maximum speed. The impact mechanism 5 can be designed according to the above inequality, wherein N is greater than 5, preferably greater than 8 or 10 is selected. The parameter N may be chosen to be greater than 8 for the two times hitting during one revolution of the flying piston.

Die Anordnung der Elemente eines Schlagwerks kann in vielfältiger Weise erfolgen. Die Figuren 7 bis 9 zeigen weitere Ausgestaltungen. Die für die Auslegung des Schlagwerks von Fig. 4 obig aufgestellten Regeln können auch auf diese Schlagwerkstypen angewandt werden.The arrangement of the elements of a striking mechanism can be done in many ways. The FIGS. 7 to 9 show further embodiments. The for the interpretation of the percussion of Fig. 4 The above rules can also be applied to these percussion types.

Claims (6)

  1. Pneumatic striking mechanism comprising:
    a free piston (13) movable along a striking axis (8),
    an impact surface (27) limiting the movement of the free piston (13) along the striking axis (8) in the impact direction (99),
    an exciter piston (12) limiting the movement of the free piston (13) along the striking axis (8) in the opposite direction to the impact direction (99),
    a pneumatic chamber (19) between the free piston (13) and the exciter piston (12),
    and
    a drive (3) for moving the exciter piston (12) periodically along the striking axis (8) with a stroke (H), the free piston (13) being excited into a periodic movement between the impact surface (27) and minimum proximity to the exciter piston (12),
    characterised in that
    the length ratio of the maximum length (11) of the pneumatic chamber (19) to the stroke (H) is selected to be less than 1.55.
  2. Pneumatic striking mechanism according to claim 1, characterised in that, when the mass (m2) of the free piston (13) is greater than 400 g, the length ratio is selected to be less than 1.55 and when the mass (m2) of the free piston (13) is less than 400 g, the length ratio is selected to be less than 1.40.
  3. Pneumatic striking mechanism according to claim 1, characterised in that, when the ratio m 1/m 2 of the mass (m1) of the striker to the mass (m2) of the free piston (13) is less than 1.2, the length ratio is selected to be less than 1.40.
  4. Pneumatic striking mechanism according to one of the preceding claims, characterised in that the mass (m2) of the free piston (13), the cross-sectional area (A) of the pneumatic chamber, the maximum length (L) of the pneumatic chamber, the stroke (H) of the exciter piston (12) and the impact coefficient (q) satisfy the following inequality when the striking mechanism has an impact frequency (f) during percussive operation: L κ 2 L H κ κ L H + L κ 2 L H κ 1 1 q q N 2 π H ! m 2 A p 0 N 2 f 2 ,
    Figure imgb0006
    where the parameter N is at least 4, p0 designates the ambient pressure and κ designates the isentropic coefficient of the gas in the pneumatic chamber (19).
  5. Pneumatic striking mechanism according to claim 4, wherein the impact coefficient (q) is selected to be 0.22 when the ratio m 1/m 2 of the mass (m1) of the striker to the mass (m2) of the free piston (13) is greater than 1.2 and otherwise the impact coefficient (q) is selected to be 0.12.
  6. Pneumatic striking mechanism according to either of claims 4 or 5, wherein the parameter N is selected to be greater than 5.
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