WO1999067064A1

WO1999067064A1 - Luftfederschlagwerk mit antriebskolben mit geringer wandstärke

Info

Publication number: WO1999067064A1
Application number: PCT/EP1999/004415
Authority: WO
Inventors: Rudolf Berger; Wolfgang Schmid
Original assignee: Wacker-Werke Gmbh & Co. Kg
Priority date: 1998-06-25
Filing date: 1999-06-24
Publication date: 1999-12-29
Also published as: US6237700B1; DE19828426C2; DE59901204D1; JP4862124B2; EP1089855B1; JP2002518197A; ES2174622T3; EP1089855A1; DE19828426A1

Abstract

Ein Luftfederschlagwerk für einen Schlag- und/oder Bohrhammer zeichnet sich durch einen Antriebskolben (1) mit Luftausgleichsschlitzen (5) und einer äußerst geringen Wandstärke seiner Führungshülse (1a) aus. Dies führt zu einer deutlichen Verminderung der Vibrationen im Leerlauf des Schlagwerks, wobei vorteilhafte Eigenschaften des Schlagwerks hinsichtlich Verschleißverhalten und Dichtigkeit beibehalten werden können.

Description

Luftfederschlagwerk mit Antriebskolben mit geringer Wandstärke

Die Erfindung betrifft ein Luftfederschlagwerk für einen Schlag- und /oder Bohrhammer.

Unter den heute üblichen Schlagwerkstypen für Bohr- oder Schlaghämmer hat sich sich vor allem eine Bauart bewährt, bei der ein als Hohlkolben ausgeführter Antriebskolben über einen Kurbeltrieb in eine oszillierende Axialbewegung versetzt wird. Im Inneren des im Gehäuse des Hammers geführten Antriebskolbens wird ein massiver Schlagkolben bewegt, der an dem offenen Ende des hohlen Antriebskolbens vorsteht und zyklisch ein Meißelwerkzeug oder einen zwischengeschalteten Döpper beaufschlagt. In einem Hohlraum zwischen dem Schlagkolben und dem Antriebskolben bildet sich dazu eine Luftfeder aus, die die aufgezwungene Bewegung des Antriebskolbens auf den Schlagkolben weiterleitet und diesen gegen das Werkzeug treibt.

Das Schlagwerk nimmt verhältnismäßig wenig Bauraum in Anspruch und ist kostengünstig herzustellen. Darüber hinaus erreicht der Schlagkolben eine hohe Stoßgeschwindigkeit. Besonders vorteilhaft ist auch das zuverlässige Anlaufverhalten des Schlagwerks aus dem Leerlauf.

Als nachteilig hat sich jedoch die hohe Masse des Antriebskolbens erwiesen, da dieser durch den Antrieb auch im Leerlauf hin- und herbewegt wird, d.h. in einem Zustand, in dem das Werkzeug kein Material bearbeitet. Die ver- hältnismäßig großen schwingenden Massen erschweren das Handhaben des Hammers im Leerlauf.

Aus der US-A-3,456,740 ist ein Schlagwerk mit doppelt wirkender Luftfeder bekannt. In einem Antriebskolben ist ein Luftausgleichsschlitz vorgesehen, der von einem im Inneren des Antriebskolbens hin- und herbeweglichen Schlagkolben derart überfahrbar ist, daß wechselweise die vordere und die hintere Luftfeder mit der Umgebung in Verbindung gebracht werden. Dadurch werden die Luftfedern nach jedem Schlag aufgeladen. Derartige Doppel-Luftfederschlagwerke erfordern jedoch großen Bauraum und können nicht im Leerlauf betrieben werden. In der EP 0 014 760 AI wird ein Luftfederschlagwerk mit hohlem Antriebskolben beschrieben, in dem ein Schlagkolben durch eine sich zwischen Antriebskolben und Schlagkolben ausbildende Luftfeder angetrieben wird. Wenn der Hammer, in dem das Schlagwerk zur Anwendung kommt, von dem zu bearbeitenden Gestein abgehoben wird, verlagert sich der Schlagkolben so weit nach vorne, daß die Luftfeder über eine Leerlaufbohrung mit der Umgebung in Verbindung bringbar ist. Das Wiederauffüllen der Luftfeder im Schlagbetrieb erfolgt über eine radiale Bohrung in einer Führungshülse des Antriebskolbens, die über einen ortsfesten Schlitz angesteuert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Beibehaltung der positiven Merkmale des Schlagwerks eine Reduktion der im Leerlauf auftretenden Vibrationen zu erreichen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Luftfederschlagwerk gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen Luftfederschlagwerks sind in den Unteransprüchen definiert.

Das erfindungsgemäße Luftfederschlagwerk weist einen Antriebskolben auf, mit einer Kolbenaufhängung, einem Kolbenboden und mit einer Führungshülse, wobei in der Führungshülse wenigstens ein Luftausgleichsschlitz vorgesehen ist. Die Führungshülse kann dabei hohlzylindrisch ausgebildet sein oder eine eliptische oder eckige Form aufweisen.

Eine bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß der Luftausgleichsschlitz sich in Axialrichtung der Führungshülse erstreckt. Besonders vorteilhaft ist es daher, daß die Führungshülse eine möglichst geringe Wandstärke von weniger als 5 % des Durchmessers der Führungshülse aufweist und mit Leerlauföffnungen versehen ist.

Der Antriebskolben kann besonders vorteilhaft in dem Luftfederschlagwerk eingesetzt werden, in dem ein Schlagkolben in der Führungshülse des Antriebskolbens axial hin- und herbewegbar ist. Dabei weist der Luftausgleichsschlitz des Antriebskolbens eine größere axiale Länge auf als eine Be- rührfläche des Schlagkolbens mit der Führungshülse, so daß ein zwischen dem Antriebskolben und dem Schlagkolben ausgebildeter und eine Luftfeder umschließender Hohlraum mit einem vorderen Teil des Antriebskolbens, d.h. einer vorderen Stirnseite des hohlen Antriebskolbens in Verbindung gebracht werden kann. Wenn dann der Antriebskolben von einem z.B. zum Gehäuse des Hammers gehörenden Führungsrohr weitgehend vollständig umschlossen geführt wird, kann die Luftfeder nach jedem Schlag über den Luftausgleichs- schlitz belüftet werden, in dem Luft von der Umgebung, d.h. von der Stirnseite des Antriebskolbens her in den Hohlraum eingesaugt wird. Der Luftausgleichsschlitz wird dabei durch das Führungsrohr an seiner radialen Außenseite abgedeckt, so daß eine Verbindung zwischen dem Hohlraum und der Umgebung nur bei bestimmten Relativstellungen zwischen dem Schlagkolben und dem Antriebskolben möglich ist, nämlich dann, wenn der Schlagkolben mit der gesamten Länge seiner Berührfläche mit den Antriebskolben innerhalb der axialen Erstreckung des Luftausgleichsschlitzes liegt. Diese Anordnung ermöglicht einen äußerst kompakten Aufbau des Schlagwerks, da auf jegliche radiale Belüftungsöffnungen verzichtet werden kann. Darüber hin- aus läßt sich der Antriebskolben mit einer minimalen Wandstärke und damit mit geringstmöglichem Gewicht ausführen, was das Entstehen von unerwünschten Schwingungen, insbesondere im Leerlauf, erheblich mindert.

Soweit in dem Antriebskolben mehrere Leerlauföffnungen vorteilhafterweise in zwei Reihen zickzackförmig angeordnet sind und das Führungsrohr des Hammergehäuses einen zugeordneten Belüftungskanal aufweist, ist darüber hinaus ein zuverlässiger Wechsel zwischen Leerlauf und Schlagbetrieb möglich. Der Zeitpunkt, zu dem das Schlagwerk aufgrund einer Verlagerung des Werkzeugs und damit des Schlagkolbens nach vorne in den Leerlauf über- geht, läßt sich durch die Lage des Belüftungskanals und der Leerlaufδffnun- gen präzise einstellen.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Zuhilfenahme der begleitenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht und einen Querschnitt des erfindungsgemäßen Antriebskolbens;

Fig. 2 einen Teilschnitt durch einen Bohrhammer mit einem Luftfe- derschlagwerk, bei dem der erfindungsgemäße Antriebskolben aus Fig. 1 zur Anwendung kommt; und Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 2.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Antriebskolben 1 in Seitenansicht und im Querschnitt.

Der Antriebskolben 1 ist aus Stahl hergestellt und weist eine hohlzylindri- sche Führungshülse la auf. Die Führungshülse la ist an einer Stirnseite lb - in Fig. 1 am unteren Ende - offen und an der anderen Stirnseite durch einen Kolbenboden 2 abgedeckt. Vom Kolbenboden 2 erstreckt sich eine Kol- benaufhängung 3 in Form von zwei Stegen, die jeweils quer zur Axialrichtung des Antriebskolbens 1 von Bohrungen 4 durchdrungen sind. In die Bohrungen 4 wird - wie später anhand von Fig. 2 erläutert wird - ein Pleuelzapfen eingeschoben, der den Antriebskolben 1 mit einem Pleuel gelenkig verbindet.

In der Führungshülse la sind drei um 120° zueinander versetzte Luftausgleichsschlitze 5 vorgesehen, die sich in Axialrichtung der Führungshülse la erstrecken. Die Luftausgleichsschlitze 5 dienen dazu, eine sich im Inneren der Führungshülse la ausbildende Luftfeder nach jedem Schlagzyklus mit frischer Luft zu versorgen.

Weiterhin sind in der Führungshülse la Leerlauföffnungen 6 ausgebildet, die in zwei axialen Reihen 7, 8 zickzackförmig angeordnet sind. Dabei ist der Abstand der einzelnen Leerlauföffnungen 6 zueinander so bemessen, daß eine in Gedanken tangential an die Führungshülse la angelegte Kante bei einer Axialbewegung von den Leerlauföffnungen 6 derart überfahren werden kann, daß im Bereich der Kante permanent eine Verbindung zwischen dem Inneren der Führungshülse la und ihrem Äußeren besteht. Dazu sind jeweils wenigstens zwei Leerlauföffnungen 6 aus verschiedenen Reihen 7, 8 zueinander benachbart, wobei die Mittelpunkte der betreffenden Leerlauföffnungen 6 in Axialrichtung der Führungshülse la einen Abstand aufweisen, der kleiner ist als das Mittel der Durchmesser der betreffenden Leerlauföffnungen, wie auch aus Fig. 1 erkennbar wird.

Die Führungshülse la weist eine extrem dünne Wand aus Stahl mit einer Dicke von weniger als 3 mm auf. Dadurch kann das Gewicht des Antriebskolbens 1 minimiert werden. Die Beibehaltung des Werkstoffs Stahl gewähr- leistet besonders gute Verschleiß-, Notlauf- und Dichtungseigenschaften.

Die Führungshülse la gemäß Fig. 1 ist hohlzylindrisch ausgebildet. Bei anderen Ausführungsformen kann sie jedoch auch andere Grundformen auf- weisen und z. B. einen eliptischen oder eckigen Hohlquerschnitt haben. Dementsprechend ist die Form der die Führungshülse führenden (Gehäuse) oder durch die Führungshülse geführten Bauelemente (Schlagkolben) anzupassen.

Fig. 2 zeigt einen Teilschnitt durch einen Bohrhammer, bei dem der erfindungsgemäße Antriebskolben 1 in einem Luftfederschlagwerk verwendet wird. Fig. 3 ist eine Ausschnittsvergrößerung aus Fig. 2 und dient der Verdeutlichung der Schlagwerksdarstellung.

Im oberen Drittel der Fig. 2 und 3, d.h. oberhalb einer durchgehenden strichpunktierten Linie ist eine im Schlagbetrieb auftretende Schlagstellung dargestellt. Unterhalb der strichpunktierten Linie ist der Leerlauf dargestellt, in dem das nicht dargestellte Werkzeug von dem zu bearbeitenden Material abgehoben ist.

Über einen Elektromotor 10 wird ein Kurbelwellenzahnrad 1 1 drehend angetrieben, das mit einer in einem Hammergehäuse 12 drehend gelagerten Kurbelwellenscheibe 13 eine Kurbelwelle bildet, die ein aus Kunststoff bestehendes Pleuel 14 antreibt.

Das Pleuel 14 ist an seinem anderen Ende über einen Pleuelzapfen 15 mit der Kolbenaufhängung 3 des erfindungsgemäßen Antriebskolbens 1 gelenkig verbunden und bewegt dadurch bei entsprechender Drehbewegung der Kurbelwelle den Antriebskolben 1 mit seinem Kolbenboden 2 und der Führung- hülse la axial in einem zum Hammergehäuse 12 gehörenden Führungsrohr 16 hin und her.

Im Inneren der Führungshülse la ist ein Schlagkolben 17 axial beweglich angeordnet, der einen ebenfalls axial beweglichen Döpper 18 in an sich be- kannter Weise zyklisch gegen ein nicht dargestelltes Werkzeug schlägt. Dazu wird in einem Hohlraum 19 zwischen dem Antriebskolben 1 und dem Schlagkolben 17 eine Luftfeder aufgebaut, die die durch den Kurbeltrieb aufgezwungene Bewegung des Antriebskolbens 1 auf den Schlagkolben 17 überträgt. Bei Rückbewegung des Antriebskolbens 1 unterstützt die Luftfeder durch Saugwirkung die durch den Rückprall des Schlagkolbens 17 von dem Werkzeug bzw. dem Döpper 18 hervorgerufene Rückbewegung des Schlagkolbens 17.

Der Antriebskolben 1 ist mit seiner Führungshülse la in dem Führungsrohr 16 gleitend geführt, wobei die Innenkontur des Führungsrohrs 16 an die Außenkontur der Führungshülse la angepaßt ist. In der gezeigten Ausfüh- rungsform ist das Führungsrohr 16 hohlzylindrisch, kann aber z. B. bei einer eckigen Führungshülse la auch ebene Führungsflächen aufweisen. Wie bereits beschrieben, ist die Führungshülse la extrem dünnwandig und weist die Luftausgleichsschlitze 5 auf, die über die vordere Stirnseite lb des Antriebskolbens 1 mit der Umgebungsluftatmosphäre im Inneren des Hammer- gehäuses 1 1 in Verbindung bringbar sind.

Die Luftausgleichsschlitze 5 werden vollständig durch das Führungsrohr 16 an ihrer radialen Außenfläche abgedeckt und führen bei entsprechender Relativstellung von Antriebskolben 1 und Schlagkolben 17 die Luft zu dem Hohlraum 19 in Axialrichtung zu. Die Luftausgleichsschlitze 5 weisen eine größere Axiallänge auf als der Schlagkolben 17, zumindest aber eine größere Axiallänge als eine Berührfläche des Schlagkolbens 17 mit der Führungshülse la des Antriebskolbens 1. Wie besonders deutlich in der vergrößerten Darstellung von Fig. 3 erkennbar ist, ermöglicht dies, daß die Luft an dem Schlagkolben 17 vorbei durch die Luftausgleichsschlitze 5 geführt werden kann, wenn der Schlagkolben 7 mit seiner Gesamtlänge innerhalb der Axiallänge der Luftausgleichsschlitze 5 steht.

Nachfolgend wird der Schlagbetrieb des erfindungsgemäßen Luftfederschlag- werks anhand der oberhalb der strichpunktierten Linie in den Fig. 2 und 3 dargestellten Schlagstellung erläutert.

Die betreffende Darstellung zeigt den Moment, in dem der Antriebskolben 1 durch das Pleuel 14 und den Kurbeltrieb in seiner linke Extremstellung ent- sprechend einem vorderen Totpunkt bewegt worden ist. Aufgrund der sich in dem Hohlraum 19 ausbildenden Luftfeder wird der Schlagkolben 17 nach vorne gegen den Dδpper 18 geschlagen, der wiederum die Schlagenergie an das nicht dargestellte Werkzeug weiterleitet.

Wie in der Figur erkennbar ist, steht in diesem Moment der Hohlraum 19 über die Luftausgleichsschlitze 5 mit der Umgebungsatmosphäre, zumindest aber mit der vorderen Stirnseite lb des Antriebskolbens 1 in Verbindung, so daß Luft in den Hohlraum 19 einströmen und die Luftfeder wieder aufladen kann.

Der Antriebskolben 1 wird anschließend durch den Kurbeltrieb nach rechts bewegt, wodurch weiterhin Luft über den Luftausgleichsschlitz 5 eingesaugt wird. Der Schlagkolben 17 prallt vom Döpper 18 zurück und folgt mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung der Bewegung des Antriebskolbens 1. Er wird darüber hinaus durch den im Hohlraum 19 entstehenden Unterdruck zurückgesaugt. Wenn der Schlagkolben 17 bzw. seine Berührfläche mit der Führungshülse la eine hintere Steuerkante 5a des Luftausgleichsschlitzes 5 überfahren hat, ist der Hohlraum 19 gegenüber der Umgebung wieder abgedichtet, so daß sich bei der nächsten Vorwärtsbewegung des Antriebskolbens 1 die Luftfeder erneut ausbilden kann.

Wenn der Bediener den Hammer nicht mit der normalerweise erforderlichen Kraft gegen das zu bearbeitende Material andrückt, ist es möglich, daß der Aufschlagpunkt des Schlagkolbens 17 auf den Döpper 18 etwas nach vorne rutscht. Dabei wird noch nicht die später beschriebene Leerlaufstellung erreicht. Vielmehr überfährt dann der Schlagkolben 17 mit seiner vorderen Kante bzw. einer vorderen Kante seiner Berührfläche mit der Führungshülse la eine vordere Steuerkante 5b des Luftausgleichsschlitzes 5, wodurch die Verbindung zwischen dem Hohlraum 19 und der Umgebung wieder unterbrochen wird, so daß nach dem Befüllen der Luftfeder im Hohlraum 19 keine weitere Luft mehr in den Hohlraum 19 eindringen kann. Dies bewirkt, daß die Füllmenge der Luftfeder im Hohlraum 19 relativ konstant bleibt, was zu einer weitgehend konstanten Schlagwirkung im darauf folgenden Schlag führt. Im Gegensatz dazu ist es bei aus dem Stand der Technik bekannten Geräten häufig möglich, daß in einem solchen Fall das Luftfedervolumen durch die Verlagerung des Schlagkolbens nach vorne vergrößert wird, was im nachfolgenden Schlagzyklus zu einer geringeren Schlagwirkung, zumindest aber zu einem unregelmäßigen Schlag, führt. Unterhalb der strichpunktierten Linie in den Fig. 2 und 3 wird das Luftfederschlagwerk in Leerlaufstellung gezeigt.

Wie bereits erläutert, sind in dem Antriebskolben 1 Leerlauföffnungen 6 in zickzackfδrmiger Anordnung ausgebildet. Die Leerlaufstellung wird dadurch erreicht, daß das Werkzeug von dem zu bearbeitenden Material abgehoben wird und das Werkzeug daher etwas aus dem Hammer herausrutschen kann. Der Döpper 18 folgt der Bewegung des Werkzeugs und verschiebt sich in die in den Figuren dargestellte linke bzw. vordere Extremstellung. Dies gilt gleichfalls für den Schlagkolben 17, so daß der Schlagkolben 17 mit einer an seiner hinteren Stirnfläche liegenden Schlagkolbenhinterkante 17a eine Steuerkante 20 eines in dem Führungsrohr 16 ausgebildeten, sich in Axialrichtung erstreckenden Belüftungskanals 21 überfährt. Die Belüftungsöffnungen 6 ermöglichen praktisch genau in dem Zeitpunkt, in dem die Schlagkolbenhinterkante 17a die Steuerkante 20 überfährt, eine Verbindung zwischen dem Hohlraum 19 und der Umgebung, wodurch der Hohlraum 19 belüftet wird und kein wirksamer Druckaufbau mehr möglich ist. Das Schlagwerk gerät in Leerlaufstellung. Erst durch das Wiederaufsetzen des Werkzeugs und damit das Zurückbewegen des Döppers 18 und des Schlagkolbens 17 kann erneut die Steuerkante 20 von der Schlagkolbenhinterkante 17a überfahren werden, wodurch die Verbindung zwischen Hohlraum 19 und Belüftungskanal 21 unterbrochen wird. Das Schlagwerk nimmt dann seinen Betrieb wieder auf.

Außer der Schlagbewegung kann durch den dargestellten Bohrhammer auch eine Drehbewegung auf das Werkzeug ausgeübt werden. Zu diesem Zweck ist auf der Kurbelwelle ein Kegelritzel 22 aufgeschrumpft, das mit einem Kegelrad 23 kämmt. Die Drehbewegung des Kegelrads 23 wird über eine an sich bekannte Sicherheitskupplung 24 auf eine Königswelle 25 übertragen, von wo aus sie auf nicht dargestellte, aber bekannte Weise auf das Werkzeug aufgezwungen wird.

Die erfindungsgemäß vorgesehenen Luftausgleichsschlitze 5 ersetzen die bisher üblichen Luftausgleichstaschen an der Innenwandung der Führungs- hülse la. Dies erlaubt es, die Wandstärke der Führungshülse la zu minimieren und daher erheblich Gewicht zu sparen, was sich vorteilhaft auf das Vibrationsverhalten des Schlagwerks im Leerlauf auswirkt. Weiterhin wird bei der Herstellung Material gespart, wodurch sich die Herstellkosten reduzieren lassen.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Luftfederschlagwerk für einen Schlag- und/oder Bohrhammer, mit einem axial hin- und herbewegbaren Antriebskolben (1) mit einer Füh- rungshülse ( la), einem Kolbenboden (2) und einer Kolbenaufhängung (3); einem in der Führungshülse (la) axial hin- und herbewegbaren Schlagkolben (17); und mit einem zwischen dem Antriebskolben (1) und dem Schlagkolben ( 17) ausgebildeten und eine Luftfeder umschließenden Hohlraum ( 19); wobei in der Führungshülse (la) wenigstens ein Luftausgleichsschlitz (5) vorgesehen ist, der eine Länge aufweist, die größer als die axiale Länge einer Berührfläche des Schlagkolbens ( 17) mit der Führungshülse ( la) ist; die Führungshülse (la) von einem Führungsrohr (16) geführt wird, das den Luftausgleichsschlitz (5) an dessen radialer Außenseite abdeckt; und der Hohlraum (19) über den Luftausgleichsschlitz (5) mit einer vorderen Stirnseite (lb) des Antriebskobens (1) in Verbindung bringbar ist.

2. Luftfederschlagwerk nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Führungshülse (la) eine Wandstärke von weniger als 5 % des Durchmessers der Führungshülse aufweist.

3. Luftfederschlagwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich- net, daß in der Führungshülse ( la) wenigstens eine Leerlauföffnung (6) vorgesehen ist.

4. Luftfederschlagwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leerlauföffnungen (6) in zwei nebeneinander liegenden Reihen (7, 8) in Axialrichtung der Führungshülse (la) angeordnet sind, wobei jeweils wenigstens zwei Leerlauföffnungen (6) aus verschiedenen Reihen zueinander benachbart sind und die Mittelpunkte der betreffenden Leerlauföffnungen (6) in Axialrichtung der Führungshülse ( la) einen Abstand aufweisen, der kleiner ist als das Mittel der Durchmesser der betreffenden Leerlauf Öffnungen.

5. Luftfederschlagwerk nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Führungsrohr ( 16) wenigstens ein Belüftungskanal (21) vor- gesehen ist, der bei Bewegung des Antriebskolbens ( 1) von den Leerlauföffnungen (6) überfahrbar ist.