EP3670095A1

EP3670095A1 - Handwerkzeugmaschine

Info

Publication number: EP3670095A1
Application number: EP18214666.2A
Authority: EP
Inventors: Christian Schallert; Jürgen Pritz; Marcel Wondra; Carl Hoffmann; Walter Vallaster
Original assignee: Hilti AG
Current assignee: Hilti AG
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2020-06-24
Also published as: CN113165151A; US20210402583A1; EP3898116A1; CN113165151B; EP3898116B1; US11364611B2; WO2020126089A1

Abstract

Eine meißelnde Handwerkzeugmaschine (1) hat einen Werkzeughalter (2) zum Haltern eines Werkzeugs (3) auf einer Arbeitsachse (7), einen Elektromotor (8) und ein Schlagwerk (4). Das Schlagwerk hat einen mit dem Motor gekoppelten Erregerkolben (12), einen auf der Arbeitsachse geführten Schläger (13) und eine von dem Erregerkolben und dem Schläger abgeschlossene pneumatische Kammer (18) zum Ankoppeln einer Bewegung des Schlägers an den Erregerkolben. Die Drehzahl des Elektromotors entspricht dem wenigstens 15-fachen einer Schlagzahl des Schlagwerks.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine meißelnde Handwerkzeugmaschine, z.B. einen Bohrhammer oder einen Elektromeißel.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Eine meißelnde Handwerkzeugmaschine hat einen Werkzeughalter zum Haltern eines Werkzeugs auf einer Arbeitsachse, einen Elektromotor und ein Schlagwerk. Das Schlagwerk hat einen mit dem Motor gekoppelten Erregerkolben, einen auf der Arbeitsachse geführten Schläger und eine von dem Erregerkolben und dem Schläger abgeschlossene pneumatische Kammer zum Ankoppeln einer Bewegung des Schlägers an den Erregerkolben. Die Drehzahl des Elektromotors entspricht dem wenigstens 20-fachen einer Schlagzahl des Schlagwerks. Die Drehzahl des Elektromotors ist vorzugsweise größer als 60.000 Umdrehungen pro Minute.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

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

Fig. 1 einen Bohrhammer

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

AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG

Fig. 1 zeigt als Beispiel einer meißelnden Handwerkzeugmaschine 1 schematisch einen Bohrhammer. Der Bohrhammer hat einen Werkzeughalter 2, in welchen ein Werkzeug 3 eingesetzt und verriegelt werden kann. Die Werkzeuge 3 können beispielsweise Bohrer für die drehmeißelnde Bearbeitung von mineralischen Bauwerkstoffen, wie Beton oder Gestein, oder Meißel für die rein meißelnde Bearbeitung der selben Bauwerkstoffe sein. Der Bohrhammer 1 enthält ein pneumatisches Schlagwerk 4, welches im Betrieb periodisch Schläge in Schlagrichtung 5 auf das Werkzeug 3 ausübt. Zudem kann die Handwerkzeugmaschine 1 eine Abtriebswelle 6 aufweisen, welche im Betrieb den Werkzeughalter 2 und damit das Werkzeug 3 um eine Arbeitsachse 7 dreht. Das Schlagwerk 4 und die Abtriebswelle 6 werden von einem Elektromotor 8, angetrieben. Die Abtriebswelle 6 kann in meißelnden Handwerkzeugmaschinen 1 abschaltbar sein; rein meißelnden Handwerkzeugmaschinen 1 sind ohne Abtriebswelle.
Die Handwerkzeugmaschine 1 hat einen Handgriff 9, mittels welchem der Anwender die Handwerkzeugmaschine 1 im Betrieb halten und führen kann. Der Handgriff 9 ist an einem Maschinengehäuse 10 befestigt. Vorzugsweise ist der Handgriff 9 an einem von der Werkzeughalter 2 entfernten Ende der Handwerkzeugmaschine 1 bzw. des Maschinengehäuses 10 angeordnet. Eine zu der Schlagrichtung 5 parallele und mittig durch den Werkzeughalter 2 verlaufende Arbeitsachse 7 verläuft vorzugsweise durch den Handgriff 9, wenn dieser einhändig zu greifen ist. Der Handgriff 9 kann durch Dämpfelemente von dem Maschinengehäuse 10 teilweise entkoppelt sein, um Vibrationen des Schlagwerks 4 zu dämpfen.
Der Anwender kann die Handwerkzeugmaschine 1 mittels eines Tasters 11 in Betrieb nehmen. Das Betätigen des Tasters 11 aktiviert den Motor 8. Der Taster 11 ist vorzugsweise an dem Handgriff 9 angeordnet, wodurch dieser von der den Handgriff 9 umgreifenden Hand betätigt werden kann.
Das Schlagwerk 4 hat einen Erregerkolben 12, einen Schläger 13 und einen Döpper 14. Der Erregerkolben 12, der Schläger 13 und der Döpper 14 sind in Schlagrichtung 5 aufeinanderfolgend auf der Arbeitsachse 7 liegend angeordnet. Der Erregerkolben 12 ist über einen Getriebestrang 15 an den Motor 8 angekoppelt. Der Getriebestrang setzt die Drehbewegung des Motors 8 in eine periodische Vor- und Rückbewegung des Erregerkolbens 12 auf der Arbeitsachse 7 um. Ein beispielhafter Getriebestrang enthält ein Exzenterrad 16 und ein Pleuel 17. Der Getriebestrang 15 kann unter anderem ein untersetzendes Getriebe enthalten, welches die Drehzahl des Elektromotors 8 auf Drehzahl des Exzenterrads 16 anpasst. Die Drehzahl des Exzenterrads 16 entspricht der nominellen Schlagzahl des Schlagwerks 4. Anstelle eines Exzenterrads 16 können andere Mechanismen die Rotationsbewegung des Elektromotors 8 in die Translationsbewegung des Erregerkolbens 12 umwandeln, z.B. ein Taumelantrieb.
Der Schläger 13 wird an die Bewegung des Erregerkolbens 12 durch eine pneumatische Kammer 18, auch als Luftfeder bezeichnet, angekoppelt. Die pneumatische Kammer 18 ist längs der Arbeitsachse 7 antriebsseitig durch den Erregerkolben 12 und werkzeugseitig durch den Schläger 13 abgeschlossen. Der Schläger 13 ist dazu als Kolben ausgebildet. In der dargestellten Variante ist die pneumatische Kammer 18 in radialer Richtung durch ein Führungsrohr 19 abgeschlossen. Der Erregerkolben 12 und der Schläger 13 gleiten luftdicht anliegend an der Innenfläche des Führungsrohrs 19. In anderen Ausgestaltung kann der Erregerkolben topfförmig ausgebildet sein. Der Schläger gleitet innerhalb des Erregerkolbens. Analog kann der Schläger topfförmig ausgebildet sein, wobei der Erregerkolben innerhalb des Schlägers gleitet. Der Schläger 13 bewegt sich angekoppelt über die pneumatische Kammer 18 periodisch parallel zu der Schlagrichtung 5 zwischen einem antriebsseitigen Umkehrpunkt und einem werkzeugseitigen Umkehrpunkt. Der werkzeugseitige Umkehrpunkt ist durch den Döpper 14 vorgegeben, auf welchen der Schläger 13 im werkzeugseitigen Umkehrpunkt aufschlägt. Der Döpper 14 überträgt den Schlag auf das in dem Werkzeughalter 2 angeordnete Werkzeug 3.
Eine Schlagzahl ist für die Handwerkzeugmaschine 1 mit dem pneumatischen Schlagwerk 4 weitgehend fest. Die Schlagzahl entspricht der Umlaufzeit des Erregerkolbens 12. Die Umlaufzeit ist an die Flugzeit des Schlägers 13 angepasst, um eine effiziente EnergieÜbertragung zu gewährleisten. Das Schlagwerk 4 zeigt hierbei ein Verhalten wie es typischerweise von resonant angeregten Systemen bekannt ist. Eine optimale Energieübertragung ist bei der nominellen Schlagzahl der Handwerkzeugmaschine 1 gegeben. Abweichungen von mehr als 10 % führen typischerweise bereits zu einer nichttolerierbaren Verringerung der Effizienz. Typische Schlagzahlen liegen in einem Bereich zwischen 10 Schlägen pro Sekunde bis 100 Schlägen pro Sekunde. Meißelhämmer mit einer hohen Schlagenergie oberhalb von 15 J (Joule) haben typischerweise eine geringe Schlagzahl, im Bereich zwischen 10 und 40 Schlägen pro Sekunde. Meißelhämmer und Kombihämmer mit mittleren und geringen Schlagenergien im Bereich zwischen 0,5 J und 15 J haben typische Schlagzahlen im Bereich zwischen 40 und 100 Schlägen pro Sekunde.
Das pneumatische Schlagwerk 4 hat gewünscht ein stark diskontinuierliches Verhalten bei der Leistungsabgabe. Der Schläger 13 gibt die während eines Umlaufs erhaltene kinetische Energie in sehr kurzer Zeit in Form eines Schlages ab. Dies führt zu einer diskontinuierlichen Leistungsaufnahme des pneumatischen Schlagwerks 4 von dem Elektromotor 8. Der Schläger 13 wird in weniger als einem Achtel des Umlaufs durch den Erregerkolben 12 in Schlagrichtung 5 beschleunigt. Ansonsten bewegt sich der Schläger 13 nahezu kraftfrei. Dies führt zu erheblichen Lastwechsel für den antreibenden Elektromotor 8. Gängige Handwerkzeugmaschinen verwenden daher Elektromotoren mit großem Trägheitsmoment des Rotors 20. Das Trägheitsmoment wirkt quasi als Puffer während der Beschleunigungsphase des Schlägers 13.
Die Ausführungsform der Handwerkzeugmaschine 1 verfolgt einen anderen Ansatz. Der Elektromotor 8 ist ausgelegt auf den dynamischen Lastwechsel der Schlagwerks 4 unmittelbar reagieren zu können. Dazu hat der Elektromotor 8 eine verglichen zu der Schlagzahl des pneumatischen Schlagwerks 4 hohen Drehzahl. Die Drehzahl beträgt das wenigstens 15-fache, vorzugsweise wenigstens 20-fache, vorzugsweise wenigstens 30-fache, der Schlagzahl. In anderen Worten, im Betrieb dreht sich der Rotor des Elektromotors 8 wenigstens 15 mal pro Schlag und damit pro Umlauf des Schlägers 13. Der Elektromotor 8 dreht sich während der kurzen Beschleunigungsphase des Schlägers 13 wenigstens zweibis dreimal. Vorzugsweise ist die Energieabgabe pro Umdrehung des Rotors 20 geringer als 1 Joule.
Der Getriebestrang 15 hat ein Untersetzungsverhältnis von wenigstens 15 zu 1, vorzugsweise wenigstens 20 zu 1, vorzugsweise wenigstens 30 zu 1. Eine obere Grenze für das Untersetzungsverhältnis wird bei 80 zu 1 vermutet. Die hohe Untersetzung erfordert mehrere in Serie geschaltete Stufen. Zunächst erhöht jede Getriebestufe das Trägheitsmoment, welche die Dynamik reduziert. Zudem ergeben sich Verluste durch Reibung. Und die mehreren Stufen benötigen Volumen, welches der Tendenz die Handwerkzeugmaschinen 1 kompakt aufzubauen zuwiderläuft.
Der Elektromotor 8 hat eine hohe nominelle Drehzahl. Die nominelle Drehzahl ist größer als 60.000 Umdrehungen pro Minute, vorzugsweise größer als 80.000 Umdrehungen pro Minute. Bei der nominellen Drehzahl des Elektromotors 8 schlägt das Schlagwerk 4 mit der nominellen Schlagzahl, d.h. das Schlagwerk 4 arbeitet mit der optimalen Effizienz. Die Drehzahl des Elektromotors 8 ist vorzugsweise geringer als 200.000 Umdrehungen pro Minute. Elektromotoren mit höheren Drehzahlen dürften einen filigranen Aufbau des Rotors 20 benötigen, welcher die Lastwechsel und einhergehenden Drehmomentänderungen nicht dauerhaft übersteht.
Der Elektromotor 8 hat bei der nominellen Drehzahl eine Leistungsabgabe von wenigstens 250 W (Watt). Für größere Kombihämmer oder Meißelhämmer ist ein Elektromotor 8 mit einer Leistungsabgabe von wenigstens 500 W bis zu 3.000 W notwendig.
Der Elektromotor 8 ist vorzugsweise ein bürstenloser Elektromotor 8. Der bürstenlose Elektromotor 8 hat einen Stator 21 und einen Rotor 20. Der Stator 21 erzeugt ein umlaufendes Magnetfeld, welches die Drehzahl des Rotors 20 vorgibt. Der Rotor 20 kann Permanentmagnete enthalten, die mit dem umlaufenden Magnetfeld interagieren. In einer anderen Ausgestaltung kann der bürstenlose Elektromotor 8 als Reluktanzmotor ausgebildet sein, dessen Rotor 20 aus einem weichmagnetischen Material besteht.
Der Elektromotor 8 hat vorzugsweise einen Rotor 20 mit geringem Trägheitsmoment, damit der Elektromotor 8 dynamisch auf die Lastwechsel reagieren kann. Ein Trägheitsmoment des Rotors 20 ist vorzugsweise geringer als 10 g cm2 (Gramm mal Quadratzentimeter). Der Elektromotor 8 ermöglicht eine hohe Beschleunigung, eine Masse des Elektromotors 8 zu seiner nominellen Leistung ist vorzugsweise geringer als 0,2 g / W (Gramm pro Watt). Eine untere Grenze liegt bei 0,03 g / W. Der Rotor 20 hat dazu vorzugsweise einen länglichen Aufbau. Eine Länge des Rotors 20 ist deutlich größer als der Durchmesser des Rotors 20, vorzugsweise wenigstens 3-fach so lang.

Claims

Meißelnde Handwerkzeugmaschine (1) mit
einem Werkzeughalter (2) zum Haltern eines Werkzeugs (3) auf einer Arbeitsachse (7), einem Elektromotor (8),
einem Schlagwerk (4), das einen mit dem Motor (8) gekoppelten Erregerkolben (12), einen auf der Arbeitsachse (7) geführten Schläger (13), eine von dem Erregerkolben (12) und dem Schläger (13) abgeschlossene pneumatische Kammer (18) zum Ankoppeln einer Bewegung des Schlägers (13) an den Erregerkolben (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass
eine Drehzahl des Elektromotors (8) dem wenigstens 15-fachen einer Schlagzahl des Schlagwerks (4) entspricht.
Handwerkzeugmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehzahl des Elektromotors (8) größer als 60.000 Umdrehungen pro Minute ist.
Handwerkzeugmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Schlagwerk (4) pro Umlauf des Elektromotors (8) nicht mehr als 1 Joule zugeführt wird.
Handwerkzeugmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Trägheitsmoment des Rotors (20) des Elektromotors (8) geringer als 50 g cm2 ist.
Handwerkzeugmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis der Masse des Elektromotors (8) zu der NennLeistung des Elektromotors (8) geringer als 0,2 g / W ist.