EP2444204A1

EP2444204A1 - Werkzeugmaschine

Info

Publication number: EP2444204A1
Application number: EP11182099A
Authority: EP
Inventors: Ferdinand Kristen; Christoph Dieing; Rainer Ontl
Original assignee: Hilti AG
Current assignee: Hilti AG
Priority date: 2010-10-22
Filing date: 2011-09-21
Publication date: 2012-04-25
Also published as: US20120097409A1; CN102451928A; DE102010042809A1

Abstract

Eine erfindungsgemäße Werkzeugmaschine hat ein pneumatisches Schlagwerk, das einen längs einer Arbeitsachse schlagenden Schläger aufweist. Ein Motor dient als Antrieb. Ein Getriebe hat ein antreibendes Zahnrad und ein angetriebenes Zahnrad, wobei das antreibende Zahnrad mit dem angetriebenen Zahnrad kämmt und wenigstens die Drehachse des angetriebenen Zahnrads zu der Arbeitsachse geneigt ist. Das antreibende Zahnrad ist aus Metall und das angetriebene Zahnrad ist aus einem mit Karbonfasern verstärkten Kunststoff gefertigt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine, insbesondere eine handgeführte drehmeißelnde Werkzeugmaschine.
In elektrischen Bohrhämmern werden typischerweise ein pneumatisches Schlagwerk und eine Drehmitnahme von einem gemeinsamen Elektromotor angetrieben. Ein von dem Elektromotor periodisch axial bewegter Erregerkolben treibt einen Schlagkolben über eine Luftfeder an. Die von dem Schlagkolben ausgeübten Schläge werden direkt oder mittelbar auf einen Bohrmeißel übertragen.
Die Drehmitnahme ist mit dem Elektromotor über ein Gestänge und ein Getriebe verbunden. Die Kraftübertragung auf den Bohrmeißel erfolgt typischerweise in einer Werkzeugaufnahme mit Verriegelungselementen, welche in entsprechende Nuten an dem Bohrmeißel eingreifen. Die axialen Schläge des Bohrmeißels werden durch die mechanische Ankopplung der Drehmitnahme auf den Elektromotor übertragen. Die Lager des Elektromotors und der Getriebe müssen auf die außeraxialen Belastungen ausgelegt werden.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Eine erfindungsgemäße Werkzeugmaschine hat ein pneumatisches Schlagwerk, das einen längs einer Arbeitsachse schlagenden Schläger aufweist. Ein Motor dient als Antrieb. Ein Getriebe hat ein antreibendes Zahnrad und ein angetriebenes Zahnrad, wobei das antreibende Zahnrad mit dem angetriebenen Zahnrad kämmt und wenigstens die Drehachse des angetriebenen Zahnrads zu der Arbeitsachse geneigt ist. Das antreibende Zahnrad ist aus Metall und das angetriebene Zahnrad ist aus einem mit Karbonfasern verstärkten Kunststoff gefertigt.
Der Kraftfluss in dem Getriebe wird von dem Motor ausgehend beschrieben. Das antreibende Zahnrad ist im Kraftpfad näher an dem Motor als angetriebene Zahnrad.
Die Kombination aus einem Karbonfaser verstärkten Kunststoff, besonders bevorzugt Karbonfaser verstärkten Thermoplasten, mit einem stählernen, besonders bevorzugt mit einer Kupferbeimischung, erweist sich als ähnlich dauerhaft belastbar wie zwei Zahnräder aus Stahl mit dem zusätzlichen Vorteil, dass radiale Schläge gedämpft werden. Hierdurch werden die Belastungen auf den Motor verringert.
Eine Kombination aus zwei kämmenden Kunststoffzahnrädern versagt unter Dauerbelastung, auch wenn diese mit Glasfasern verstärkt sind. Die zu übertragenden hohen Drehmomente können auch nicht durch breiter ausgelegte Zähne ausgeglichen werden. Eine Kombination eines Zahnrads aus glasfaserverstärktem Kunststoff und eines Zahnrads aus Stahl ergibt auch keine zufriedenstellende Ergebnisse. Überraschenderweise ermüdet hierbei das stählerne Zahnrad. Erst der Wechsel auf die Verwendung von Kohlenstofffasern für ein Zahnrad und Metall für das andere Zahnrad ergibt eine ausreichend belastbare Kombination.
Die Zahnräder sollen mit einer hohen Genauigkeit, sprich kleiner Toleranz gefertigt werden. Abweichungen der Maße der Zähne führen zu höherem Verschleiß und Reibungsverlusten. Daher erscheinen zunächst Duroplaste aufgrund üblich geringer Fertigungstoleranzen geeignet. Unter Dauerbelastung überraschte ein Zahnrad aus Poliamid, ein Thermoplast, trotz größerer Toleranzen mit einer höheren Standfestigkeit.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Werkzeugmaschine eine Drehmitnahme zum Drehen eines Werkzeugs um die Arbeitsachse aufweist und das angetriebene Zahnrad aus dem Karbonfasern verstärkten Kunststoff in einen Kraftflusspfad zwischen dem Motor und der Drehmitnahme gekoppelt ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Karbonfasern entlang einer radialer Richtung des Zahnrads ausgerichtet sind. Hierdurch ergeben sich besonders gute dämpfende Eigenschaften. Die Karbonfasern können radial oder spiralförmig zu der Drehachse des Zahnrads ausgerichtet sein.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass ein Außendurchmesser des angetriebenen Zahnrads wenigstens dreifach größer als ein Durchmesser einer Welle ist, auf der das angetriebene Zahnrad gelagert ist. Die Welle ist vorzugsweise aus Stahl. Damit eine signifikante Dämpfung erreicht werden kann, erweist sich, dass das Zahnrad deutlich größer als der durch die Welle gebildete stählerne Kern sein sollte.
Die Drehachse des angetriebenen Zahnrads ist vorzugsweise zwischen 70 Grad und 110 Grad zu der Arbeitsachse geneigt ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

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

Fig. 1: ein Bohrhammer
Fig. 2, 3 und 4: ein Zahnrad in verschiedenen Ansichten

Gleiche oder funktionsgleiche Elemente werden durch gleiche Bezugszeichen in den Figuren indiziert, soweit nicht anders angegeben.

AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG

Fig. 1 zeigt schematisch einen Bohrhammer 1 mit eingesetztem Bohrmeißel 2. Ein pneumatisches Schlagwerk 3 schlägt längs einer Schlagrichtung 4 periodisch auf den Bohrmeißel 2. Eine Drehmitnahme 5 dreht dabei fortwährend den Bohrmeißel 2 um seine Arbeitsachse 6. Mit der kombiniert schlagenden und drehenden Bewegung meißelt der Bohrmeißel 2 kreisförmige Bohrlöcher in mineralische Werkstoffe.
Der Bohrhammer 1 wird von einem Elektromotor 7 angetrieben, welcher sowohl das pneumatische Schlagwerk 3 als auch die Drehmitnahme 5 antreibt. Eine Stromversorgung des Elektromotors 7 kann netzbasiert oder über Batterien erfolgen. Der leistungsstarke Elektromotor 7 ist mit seiner Welle 8 gewinkelt, beispielsweise senkrecht, zu dem pneumatischen Schlagwerk 3 und der Arbeitsachse 6 angeordnet. Eine Drehachse 9 des Elektromotors 7 und die Arbeitsachse 6 sind entsprechend geneigt zueinander angeordnet. Der Elektromotor 7 ist beispielsweise ein elektrisch kommutierter Motor, beispielsweise ein Reluktanzmotor.
Das beispielhaft dargestellte pneumatische Schlagwerk 3 beinhaltet ein Führungsrohr 10, in dem ein Erregerkolben 11 und ein Schlagkolben 12 gleitend gelagert sind. Der Erregerkolben 11 und der Schlagkolben 12 schließen zwischen sich eine pneumatische Kammer 13 ein. Der Erregerkolben 11 ist über einen Exzenter 14 an den Elektromotor 7 angekoppelt, wodurch der Erregerkolben 11 zu einer periodischen Bewegung längs einer Arbeitsachse 6 des Führungsrohrs 10 gezwungen ist. Der Schlagkolben 12 folgt der Bewegung des Erregerkolben 11 angeregt durch die periodisch komprimierte und dekomprimierte pneumatische Kammer 13, welche als Luftfeder wirkt. Der Schlagkolben 12 stößt in Schlagrichtung 4 auf einen Zwischenschläger 15, welcher den Stoß auf den an dem Zwischenschläger 15 anliegenden Bohrmeißel 2 überträgt.
An einem Ende der Welle 8 des Elektromotors 7 ist ein Abtriebsritzel 16. Ein Getriebe 17 koppelt das Abtriebsritzel 16 mit der Drehmitnahme 5. Das dargestellte Getriebe 17 hat eine Getriebewelle 18, welche parallel zu der Welle 8 des Elektromotors 7 angeordnet ist. Ein erstes Zahnrad 19 auf der Getriebewelle 18 kämmt mit dem Abtriebsritzel 16 des Elektromotors 7. Auf der Getriebewelle 18 ist ein zweites Zahnrad 20 angeordnet, welches beispielsweise mit einem Zahnkranz 21 kämmt. Der Zahnkranz 21 ist drehfest mit dem Führungsrohr 10 verbunden, welches durch den Elektromotor 7 und das Getriebe 17 um die Arbeitsachse 6 gedreht wird. Das zweite Zahnrad 20 und der Zahnkranz 21 können beispielsweise als Kegelräder ausgebildet sein. Die Drehmitnahme 5 ist beispielsweise in der Werkzeugaufnahme 22 an das drehende Führungsrohr 10 angekoppelt. Die Drehmitnahme 5 hat beispielsweise eine hohle Hülse, in die der Bohrmeißel 2 eingesetzt werden kann. In den Hohlraum der Hülse vorspringende Elemente, z.B. Zapfen 23 greifen in Nuten des Bohrmeißels 2 ein. Das Getriebe 17 kann alternativ zu einem drehbaren Führungsrohr 10 über ein Getriebestänge mit der Drehmitnahme 5 in der Werkzeugaufnahme 22 gekoppelt sein.
Mechanische Erschütterungen des Bohrmeißels 2 werden über die Werkzeugaufnahme 22 und die Drehmitnahme 5 in die Werkzeugmaschine 1 eingeleitet. Der Kraftübertragungspfad mit dem Getriebe 17 kann die Erschütterungen auf die Welle 8 des Motors 7 durch kämmenden Zahnräder, die längs der Arbeitsachse 6 zueinander versetzt angeordnet sind, übertragen. Ein Dämpfung erfolgt durch die Verwendung von Zahnräder aus einem Karbonfaser-haltigem Thermoplast, die mit einem Zahnrad aus Metall, vorzugsweise Stahl kämmen. Dabei ist das metallene Zahnrad antriebsseitig, d.h. im Antriebsstrang zu dem Motor 7 hin, und das Zahnrad aus dem Faserverbundstoff abtriebsseitig angeordnet.
In dem dargestellten Beispiel ist das Abtriebsritzel 16 des Motors 7 aus Stahl und das mit dem Abtriebsritzel 16 kämmende stirnförmige, erste Zahnrad 19 aus Karbonfaser-haltigem Thermoplast. Die Drehachse 24 des ersten Zahnrads 19 ist senkrecht zu der Arbeitsachse 6. Das Abtriebsritzel 16 des Elektromotors 7 ist vorzugsweise aus Metall, neben Stahl sind besonders kupferhaltige Legierungen, z.B. mit einem Kupferanteil von mehr als 50 % geeignet.
Das zweite Zahnrad 20 auf der Welle 18 kann vorzugsweise aus Stahl bestehen.
Ein Zweig des Getriebes 17 zum Koppeln des Exzenters 14 mit dem Motor 7 ist vorzugsweise vollständig aus stählernen Zahnrädern. Diese sind dauerhaft den hohen Rückwirkungen ausgehend von dem Schlagwerk 3 gewachsen. In einer Ausgestaltung kann das mit dem Abtriebsritzel 16 des Motors 7 kämmende Zahnrad 25 aus Karbonfaser-haltigem Thermoplast gefertigt sein. Die Welle des Exzenters 14 wird durch ein oder mehrere Lager 26 geführt, welche einen großen Anteil der radialen Schläge aufnehmen. Die bis zum Abtriebsritzel 16 weitergeleiteten Erschütterungen können ausreichend gedämpft sein, so dass das Zahnrad 25 aus Kunststoff den auftretenden Kräften gewachsen ist.
Fig. 2, Fig. 3 und Fig. 4 zeigen einen beispielhaften Aufbau eines dämpfenden Zahnrads 30 aus Karbonfasern verstärkten Thermoplast in Draufsicht, Querschnitt bzw. Seitenansicht. Das dämpfende Zahnrad 30 kann beispielsweise als erstes Zahnrad 19 eingesetzt werden. Das Zahnrad 30 hat einen scheibenförmigen Grundkörper 31 aus einem mit Karbonfasern verstärkten Thermoplast. Der Thermoplast ist vorzugsweise aus der Klasse der Poliamide ausgewählt. Mit anderen Fasern, beispielsweise Glasfasern konnten keine gewünschten Eigenschaften erhalten werden.
In die Peripherie des Grundkörpers sind Zähne 32 eingeformt. Die Zähne 32 können gegenüber der Drehachse 23 um einen Neigungswinkel 40 zwischen 5 Grad und 25 Grad, z.B. 17 Grad geneigt sein. Das Abtriebsritzel 16 ist mit einem gleichen Neigungswinkel für eine gleichmäßigere Kraftübertragung der miteinander kämmenden Zähne ausgebildet. Das dämpfende Zahnrad 30 hat eine durchgehende Nabenöffnung 33 in der Mitte, welche für eine verbesserte Drehmomentübertragung von einer Kreisform abweichend mehrere radial auslaufende Nuten 34 aufweist. Die vorzugsweise stählerne Getriebewelle 18 ist in die Nabenöffnung 33 eingepresst. Flügel an der Getriebewelle 18 greifen in die Nuten 34 ein.
Der Aufbau des scheibenförmigen Grundkörpers 31 ist in Hinblick auf eine entkoppelnde Wirkung in Schlagrichtung 4 ausgelegt. Die Karbonfasern verlaufen vorzugsweise ausschließlich in radialer Richtung, d.h. von der Nabenöffnung 33 geradlinig zu der Peripherie mit den Zähnen 32, wie in Fig. 2 durch einzelne Karbonfasern 35 angedeutet. Zu den radial verlaufenden Karbonfasern 35 sind keine querverlaufenden, z.B. um die Drehachse 23 umlaufenden, Karbonfasern 35 angeordnet. Die fehlende Vernetzung erweist sich überraschend als vorteilhaft, die über die Getriebewelle 18 von dem pneumatischen Schlagwerk 3 eingeleiteten radialen Schläge besonders effizient zu dämpfen. Obwohl eine Karbonfaser längs ihrer Ausrichtung die größten Kräfte zu übertragen vermag, scheint der Aufbau für eine Übertragung der Schläge vorteilhafter Weise ineffizient zu sein. Die Schockwelle, so wird vermutet, kann sich in der Matrix aus Thermoplast auslaufen.
Die Geometrie des Grundkörpers 31 zeigt ebenfalls Möglichkeiten, um das Abtriebsritzel 16 von den Schlägen zu entkoppeln. Das dämpfende Zahnrad 30 hat vorzugsweise einen Durchmesser 36, der wenigstens dreifach so groß wie ein Innendurchmesser 37 der Nabenöffnung 33 bzw. der Getriebewelle 18 ist. Der Durchmesser 36 ist als der Kopfkreisdurchmesser, d.h. ein Durchmesser eines das dämpfende Zahnrad 30 umschreibenden Kreises definiert. Der scheibenförmige Grundkörper 31 hat dabei vorzugsweise einen Dicke 38, senkrecht zur Achse 23, welche zwischen 4 % und 8% des Durchmessers 36 beträgt. Der scheibenförmige Grundkörper 31 zeigt hierbei eine ausreichende Weichheit längs der Achse 23, welche eine Anregung durch die Schockwellen der Schläge ermöglicht. Die radial eingeleiteten Schläge können sich somit teilweise in axialer Richtung verlaufen. Die kämmenden Zahnräder werden dabei zwar leicht gegeneinander verschoben, dies erweist sich jedoch als günstiger, als radiale Schläge auf die Welle 8 des Motors 7.
Die Anzahl der Zähne 32 entlang des Umfangs des ersten Zahnrads 30 ist vorteilhafterweise begrenzt. Ein Verhältnis des Durchmessers 36 des ersten Zahnrads 30 zu seiner Anzahl von Zähnen 32 liegt im Bereich von 1,0 cm/pro Zahn bis 1,25 cm/pro Zahn. Die Zähne 32 weisen eine relativ große Grundfläche 39 auf, wodurch die Schläge auf ein größeres Segment des Grundkörpers 31 verteilt werden.

Claims

Werkzeugmaschine mit
einem Linearantrieb (3) zum Bewegen eines Werkzeugs (2) längs einer Arbeitsachse (6),
einem Motor (7),
einem Getriebe (17), das ein antreibendes Zahnrad (16) und ein angetriebenes Zahnrad (19) aufweist, wobei das antreibende Zahnrad (16) mit dem angetriebenen Zahnrad (19) kämmt und wenigstens die Drehachse (18) des angetriebenen Zahnrads (19) zu der Arbeitsachse (6) geneigt ist, wobei
das antreibende Zahnrad (16) aus Metall und das angetriebene Zahnrad (19) aus einem mit Karbonfasern verstärkten Kunststoff gefertigt ist.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Welle (8) des Elektromotors zu der Arbeitsachse geneigt ist,
Werkzeugmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (18) des angetriebenen Zahnrads (19) und/oder die Welle (8) des Motors (7) senkrecht zur Arbeitsachse (6) ist.
Werkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugmaschine eine Drehmitnahme (5) zum Drehen eines Werkzeugs (2) um die Arbeitsachse (6) aufweist und das angetriebene Zahnrad (19) aus dem Karbonfasern verstärkten Kunststoff in einen Kraftflusspfad zwischen dem Motor (7) und der Drehmitnahme (5) gekoppelt ist.
Werkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Karbonfasern entlang einer radialer Richtung des angetriebenen Zahnrads (19) ausgerichtet sind.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Karbonfasern ausschließlich parallel einer radialen Richtung des angetriebenen Zahnrads (19) ausgerichtet sind.
Werkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Außendurchmesser des angetriebenen Zahnrads (19) wenigstens dreifach größer als ein Durchmesser einer Welle (18) ist, auf der das angetriebene Zahnrad (19) gelagert ist.
Werkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse des angetriebenen Zahnrads (19) zwischen 70 Grad und 110 Grad zu der Arbeitsachse (6) geneigt ist.
Werkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dass das antreibende Zahnrad (16) eine kupferhaltige Legierung aufweist.
Werkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearantrieb ein pneumatisches Schlagwerk (3) mit einem längs der Arbeitsachse (6) schlagenden Schläger (12) aufweist.