Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betätigen eines Schlagbohrwerkzeuges und ein Schlagwerk für ein schlagend oder drehschlagend arbeitendes Werkzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bzw. des Anspruches 5.
Ein derartiges Verfahren bzw. Schlagwerk ist in Charcut, W.: Drucklufthandbuch, 2. Auflage, Vulkan-Verlag Essen, 1979, Seiten 246 bis 247, ISBN 3-8027-2647-2 beschrieben. Für die Hin- und Herbewegung des Schlagkolbens muß die Druckluft in die Zylinderräume vor und hinter dem Kolben wegabhängig gesteuert zu- und abgeführt werden. Diese Steuerung ist grundsätzlich auf zwei verschiedene Arten möglich: nämlich über einen selbststeuernden Schlagkolben, wobei die Hubbewegung des Schlagkolbens durch die Luftzu- und -abfuhr gesteuert wird, indem der Kolben die Luft zuführenden und Luft abführenden Steuerkanäle öffnet und schließt, oder über einen Ventilkörper. Ventillose Schlagwerke werden wegen der einfachen Konstruktion und des robusten Aufbaus als vorteilhaft angesehen, jedoch ist die Schlagenergie gering, da der Flugkolben zum Öffnen und Schließen der Steuerkanäle benötigt wird und daher lediglich einen geringen Hub ausführen kann, so daß die erreichte Kolbengeschwindigkeit niedrig ist und damit auch die Schlagenergie, die dem Quadrat der Geschwindigkeit proportional ist. In der Druckschrift ist ausdrücklich gesagt, daß eine Steigerung des Kolbenwegs nur möglich ist, wenn man die Steuerung der Druckluftzufuhr besonderen Steuerorganen überträgt.
Ein weiteres herkömmliches Verfahren bzw. Schlagwerk dieser Art basiert auf dem Prinzip, daß mittels eines in einem Hohlraum hin und her bewegten, als Hubkolben ausgebildeten Druckkolbens ein Schlag- oder Flugkolben zum Vortreiben eines Bohrwerkzeuges oder Meißels in eine Hin- und Herbewegung versetzt wird. Solche Schlaghämmer sind insbesondere als elektropneumatische Schlaghämmer bekannt. Der Elektromotor betätigt den Druckkolben über einen Kegelradsatz oder ein Pendelkugellager, wodurch erhebliche Schwingungen in dem Schlaghammer entstehen.
Eine Schlagbohrmaschine, bei der ein den Schlagkolben führender Zylinderraum auf verschiedenen Seiten des Schlagkolbens abwechselnd durch ein Druckmedium beaufschlagt wird, um die Hin- und Herbewegung zu erzeugen, ist in der DE 34 39 268 A1 beschrieben. Hierzu werden von einer Druckmittelquelle abgehende Kanäle mittels Ventilen auf und zu gesteuert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betätigen eines Schlagbohrwerkzeuges oder Meißels bzw. ein ventilloses Schlagwerk für ein schlagend oder drehschlagend arbeitendes Werkzeug bereitzustellen, mit dem eine hohe Schlagenergie erzielt werden kann.
Diese Aufgabe wird mit den in den Ansprüchen 1 bzw. 5 angegebenen Merkmalen gelöst.
Mit diesen Maßnahmen wird erreicht, daß ohne separate Steuerventile und ohne Vermittlung des Flugkolbens die Druckluft allein durch die Rotation von Innenläufer und Außenläufer zu- und abgeführt wird, um den Flugkolben zu bewegen. Hierdurch kann der Flugweg gegenüber herkömmlichen ventillosen SChlagwerken beträchtlich gesteigert und in weiten Grenzen variiert werden. Infolge des relativ großen Hubs des Flugkolbens ist auch bei relativ leichtem Flugkolben eine hohe Schlagenergie erzielbar.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens bzw. des Schlagwerks hinsichtlich des Aufbaus und der Wirkungsweise sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zum Übertragen der Energie des Flugkolbens auf ein Werkzeug kann dabei beispielsweise vorgesehen sein, daß ein Schlagbolzen vorhanden ist, mit dem ein schlagendes oder drehschlagendes Werkzeug kuppelbar ist und der in einer an der vorderen Stirnseite des Innenläufers vorgesehenen Schlagbolzenführung axial verschiebbar geführt ist, und daß der Schlagbolzen axial auf den Flugkolben ausgerichtet und von diesem betätigbar ist.
Bei einem Bohrhammer, der das Schlagwerk bzw. das Verfahren anwendet, ist vorgesehen, daß ein mittels eines Antriebes drehbarer Schlagbolzen vorhanden ist, mit dem ein Bohrwerkzeug kuppelbar ist und der in einer an der vorderen Stirnseite des Innenläufers vorgesehenen Schlagbolzenführung axial verschiebbar geführt ist, und daß der Schlagbolzen axial auf den Flugkolben ausgerichtet und von diesem betätigbar ist.
Ein Schlagmeißelgerät auf der Grundlage dieser Vorrichtung bzw. des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Schlagbolzen vorgesehen ist, in den ein Meißel einsetzbar und der in einer an der vorderen Stirnseite des Innenläufers vorgesehenen Schlagbolzenführung axial verschiebbar geführt ist, und daß der Schlagbolzen axial auf den Flugkolben ausgerichtet und von diesem betätigbar ist.
Das hier vorgestellte Drehkolben-Verdichterprinzip ist insbesondere aus der umfangreichen Arbeit von Wankel bekannt, der verschiedene Arten und Formen von Drehkolbenverdichtern vorgeschlagen hat. Erfindungsgemäß ist nun dieses Prinzip abgewandelt, so daß es zur Erzeugung der Hubbewegung des Flugkolbens geeignet ist, wodurch nicht nur ein einfacher Aufbau und Antrieb, sondern auch eine weitgehend schwingungsgedämpfte Aufhängung des Antriebsmotors möglich ist, wobei sich beispielsweise gegenüber herkömmlichen Bohrhämmern ein aufwendig zu justierender Kegelradsatz oder ein Pendelkugellager erübrigt. Der ermöglichte Aufbau mit wenigen Bauteilen und günstiger Anordnung derselben ermöglicht weiterhin eine einfache Montage bei kleinen Abmessungen und geringem Gewicht. Die Fluglänge des Flugkolbens ist nicht an die Hublänge eines Kurbeltriebes gebunden.
Bei einer besonderen Ausführungsform ist das Drehzahlverhältnis zwischen Innen- und Außenläufer 1:2, und der Verdichtungs- und der Ansaugraum werden auf sich diametral gegenüberliegenden Teilflächen des Außenumfanges des Innenläufers gebildet.
Es kann bei den verschiedenen Ausgestaltungen - wie an sich bekannt - vorgesehen sein, daß dann, wenn der Flugkolben seine dem zu betätigenden Werkzeug zugekehrte vordere Endstellung einnimmt, der Hohlraum zwischen den ersten und den zweiten Steuerkanälen frei von der Preßluft durchströmt wird, wodurch ein Leerlaufschlag vermieden wird, und daß die Bewegung des Flugkolbens in Gang gesetzt wird, indem er durch Einschieben des zu betätigenden Werkzeuges in den Hohlraum zwischen den ersten und den weiteren Steuerkanälen geschoben wird.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß beim Rückflug des Flugkolbens hinter den weiteren, d.h. hinteren Steuerkanälen, wie ebenfalls an sich bekannt, ein Luftpolster gebildet werden kann, durch das der Aufschlag gedämpft wird.
Eine günstige Form des Innenläufers ist derart, daß die Außenkontur des Innenläuferquerschnitts zu seinem kleinen und großen Außendurchmesser symmetrisch ist und aus zwei Kreisabschnitten besteht, deren Krümmungsradius in etwa dem größeren Krümmungsradius des elliptischen Inennraumes entspricht, der auf der Bauart DKM 53 von Wankel basiert. Verschiedene Ausführungen sehen vor, daß der Hohlraum des Innenläufers und des Flugkolbens zylinderförmig sind, daß der Außenumfang des Außenläufers kreisförmig ist, und daß der zum Erzeugen der Rotationsbewegung verwendete Elektromotor parallel zum Innen- und Außenläufer angeordnet ist und daß der Antrieb über Riemenscheiben und Riemen, insbesondere Zahnriemen oder Keilrippenriemen, oder über Zahnräder erfolgt.
Bei dem das Prinzip der beschriebenen Drehkolben -Verdichtungseinheit anwendenden Bohrhammer ist z.B. der Schlagbolzen in einer rotierend angetriebenen Bohrwelle gehalten. Die Bohrwelle kann hierbei ebenfalls über eine Riemenscheibe und einen Riemen oder über Zahnräder mittels des Elektromotors angetrieben werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Der prinzipielle Aufbau einer Vorrichtung bzw. die Arbeitsweise zum Erzeugen der Preßluft mittels einer Drehkolben-Verdichtungseinheit 12 und Betätigen eines Flugkolbens 4 einer Schlagvorrichtung, wie z.B. eines Schlagbohrgeräts oder eines Schlagmeißels, ist in den Fig. 1 bis 3 veranschaulicht.
Fig. 1 zeigt die Drehkolben-Verdichtungseinheit 1 als Preßluft-Flugkolbenbetätigungseinheit mit einem Außenläufer 3, der einen exzentrisch angeordneten Innenraum 3.4 mit über seine gesamte Längsausdehnung gleichbleibendem, vorliegend elliptischem Querschnitt aufweist, in dem ein Innenläufer 2 aufgenommen ist. Der Innenläufer 2 weist beispielsweise einen zylindrischen Hohlraum 2.8 auf, in dem der Flugkolben 4 hin und her verschiebbar geführt ist.
Nahe den beiden Stirnseiten des Innenläufers 2 befinden sich auf radial gegenüberliegenden Seiten jeweils ein oder mehrere erste (vordere) und weitere (hintere) Steuerkanäle in Form von Steuerbohrungen 2.1 und 2.2. Die am vorderen Ende der Preßluft-Flugkolbenbetätigungseinheit befindliche erste Steuerbohrung 2.1 ist dabei soweit von der vorderen Stirnseite entfernt angeordnet, daß bei völlig vorgeschobenem Flugkolben 4 der Hohlraum 2.8 zwischen der vorderen und der hinteren Steuerbohrung 2.1 bzw. 2.2 frei ist, wodurch eine Leerlaufstellung definiert ist und ein Leerlaufschlag vermieden wird.
Die Außenquerschnittkontur des Innenläufers 2 hat einen großen und einen kleinen Außendurchmesser und ist zu beiden symmetrisch ausgebildet, wobei sie sich aus zwei gleichen Kreisabschnitten zusammensetzt, deren Krümmungsradius in etwa an den Krümmungsradius des Innenraumes 3.4 des Außenläufers 3 angepaßt ist. Der große Durchmesser entspricht nahezu dem kleinen Durchmesser des Innenraumes 3.4. Die Steuerbohrungen 2.1 und 2.2 sind im Bereich des kleinen Durchmessers sich diametral gegenüberliegend, aber axial in den vorderen und hinteren Bereich des Innerläufers 2 versetzt angeordnet. Sind andere Steuerkanäle als die genannten Steuerbohrungen vorgesehen, so sind deren Öffnungen entsprechend am Verdichtungs- bzw. Ansaugraum angeordnet.
Der Außenläufer 3 und der Innenläufer 2 haben zueinander exzentrische Rotationsachsen 3.5 bzw. 2.9, um die sie sich während des Betriebes mit einem Drehzahlverhältnis von 2:1 gleichsinnig drehen. Hierbei bildet sich abwechselnd auf der Seite der ersten (vorderen) und der weiteren (hinteren) Steuerbohrungen 2.1 und 2.2, d.h. im Bereich der entsprechenden Teilflächen A und B des Außenumfanges des Innenläufers 2 und der zugekehrten Innenwandung des elliptischen Innenraumes 3.4, ein Verdichtungsraum und ein Ansaugraum. Die Preßluft wird abwechselnd in die dem Verdichtungsraum gerade zugekehrte Steuerbohrung gedrückt und treibt den Flugkolben 4 in Richtung der anderen Steuerbohrung, durch die Luft angesaugt wird, wodurch die gewünschte Hin- und Herbewegung des Flugkolbens erzielt wird. Die geschilderte Wirkungsweise ist anhand der in Fig. 3 gezeigten Stellungsbilder a bis p nachvollziehbar.
Beim Rückhub des Flugkolbens 4 wird der Aufschlag durch ein Luftpolster an der hinteren Stirnseite gedämpft. Der Leerlaufschlag wird dadurch vermieden, daß der Flugkolben 4 die vordere(n) Steuerbohrung(en) 2.1 überläuft, und nun die Luft über die Steuerbohrungen 2.1 und 2.2 durch den zylindrischen Hohlraum 2.8 frei zirkulieren kann. Sind mehrere vordere und/oder hintere Steuerbohrungen vorgesehen, so können diese, soweit die Zuordnung zu den jeweiligen Teilflächen am Außenumfang des Innenläufers erhalten bleibt, radial oder axial verteilt sein.
Selbst wenn der große Außendurchmesser des Innenläufers 2 geringfügig kürzer ist als der kleinere Durchmesser des Innenraums 3.4, kann eine zum Treiben des Flugkolbens 4 noch ausreichende Verdichtung erreicht werden. Ist jedoch eine höhere Verdichtung erwünscht, so können Dichtmittel an den aneinander vorbeigleitenden Mantelflächen vom Innenraum 3.4 und Innenläufer 2 vorgesehen werden, wie sie beispielsweise von herkömmlichen Drehkolbenmaschinen her bekannt sind.
Die Preßluft-Flugkolbenbetätigungseinheit bzw. Drehkolben-Verdichtungseinheit 12 kann aus Aluminium hergestellt werden. Mit einer sogenannten HART-COAT-Beschichtung kann sie verschleißfest gemacht werden und mit einer Oberflächenimprägnierung aus Teflon (PTFE) läßt sich eine optimale Trockenschmierung erreichbar, wenn eine starke Erhitzung unterbunden wird. Weitere Vorteile sind: geringes Gewicht, einfache Montage, wenige Bauteile, kleine Abmessungen und infolge der besonderen Bauart eine hohe Schlagenergie. Die Drehteile können ausgewuchtet werden und der Antriebsmotor ist schwingungsgedämpft anbringbar, so daß in der ganzen Vorrichtung Schwingungen unterdrückt werden.
Die vorstehend beschriebene bevorzugte Drehkolben-Verdichtungseinheit geht von dem von Wankel vorgeschlagenen Rotationskolbensystem DKM 53 ("Mondjungfer") aus. Jedoch lassen sich beliebige andere Drehkolben-Verdichtungssysteme ebenfalls verwenden, soweit damit an den radial und axial versetzten Steuerbohrungen abwechselnd eine Verdichtungs- und Saugwirkung erzielt wird.
Die Querschnittsform des Hohlraumes 2.8 im Innenläufer 2 braucht nicht kreisförmig zu sein, sondern kann andere geometrische Formen haben, wie z.B. elliptisch oder mehreckig.
Um eine impulsähnliche Preß- und Ansaugwirkung zu erzielen, kann in dem rotierenden Innenläufer 2 eine feststehende, zur Rotationsachse 2.9 des Innenläufers konzentrische, in den Hohlraum 2.8 eingepaßte Hülse vorgesehen sein, in die auf die vorderen und hinteren Steuerbohrungen 2.1 und 2.2 abgestimmte Bohrungen eingearbeitet sind, die immer dann mit den Steuerbohrungen zur Deckung kommen, wenn der stärkste Verdichtungs- bzw. Saugzustand erreicht ist.
Auch kann in dem Hohlraum 2.8 eine mitlaufende Hülse vorgesehen sein, in der entsprechende Bohrungen bzw. Öffnungen vorhanden sind, die mit dem Ansaugraum bzw. dem Verdichtungsraum in Verbindung stehen.
Die beschriebene Vorrichtung in Form der Preßluft-Flugkolbenbetätigungseinheit mit Drehkolben-Verdichter 12 ist besonders geeignet zur Verwendung in elektropneumatischen Bohrhämmern oder Schlagmeißeln.
Ein Ausführungsbeispiel einer Schlagvorrichtung 1 in Form eines elektropneumatischen Bohrhammers zeigen die Fig. 4 und 5.
Gemäß Fig. 4 und 5 ist die vorstehend beschriebene Flugkolbenbetätigungseinheit 12 mit Drehkolbenverdichtungseinheit in einer Führungsbüchse 5.1 einer Aufnahmevorrichtung 5 untergebracht. Vorne und hinten an der Führungsbüchse 5.1 sind eine vordere bzw. hintere Aufnahme 5.2 und 5.3 für den Außenläufer 3 angeordnet, in denen der Außenläufer 3 mittels Kugellagern 9 drehbar gelagert ist, wobei eine Wärmedehnung berücksichtigt ist. Zum Antrieb mittels Riemen und Riemenscheiben 3.3 sind vordere und hintere Riemenscheibenaufnahmen 3.1 und 3.2 vorgesehen. Für den Antrieb können auch Zahnräder verwendet werden.
An dem Innenläufer 2 ist über eine Welle 2.3 ebenfalls eine Riemenscheibe, insbesondere Zahnriemenscheibe 2.4 gekoppelt, so daß auch dieser von außen antreibbar ist.
Zum Antrieb des Innen- und des Außenläufers ist ein Elektromotor 8 vorgesehen, der parallel neben der Drehkolben-Verdichtungseinheit 12 angeordnet ist.
Im vorderen Bereich ist in einer Schlagbolzenführung 2.6, die mit dem Innenläufer 2 gekuppelt ist, ein Schlagbolzen 11 mit Werkzeugaufnahme vorgesehen, in die ein Werkzeug 7 einsetzbar ist. Der Schlagbolzen 11 ist in einer rotierend angetriebenen Bohrwelle 6 gehalten, die ebenfalls über eine Riemenscheibe 6.1 und einen Riemen 6.2 mit dem Elektromotor 8 antreibbar ist.
In der Leerlaufstellung ist der Schlagbolzen 11 ganz nach vorne geschoben. Wird das Werkzeug 7 auf eine Unterlage aufgesetzt, so schiebt sich der Schlagbolzen 11 zurück und mit ihm gelangt der Flugkolben 4 in den Hohlraum zwischen den vorderen und hinteren Steuerbohrungen 2.1 bzw. 2.2, so daß er vermittels des Drehkolbenverdichters 12 hin- und hergetrieben wird. Zur weicheren Anlage in der eingeschobenen Stellung weist der Schlagbolzen 11 einen O-Ring 10 auf. Hinter der Riemenscheibe 2.4 und auf der Schlagbolzenführung sind Kontermuttern 2.5 aufgeschraubt.
Die in Fig. 4 gezeigte Vorrichtung wird in einem nicht gezeigten Gehäuse aufgenommen, das vorteilhaft aus zwei Halbschalen gebildet ist.
Eine weitere, nicht gezeigte Verwendungsmöglichkeit der Preßluft-Flugkolbenbetätigungseinheit mit Drehkolben-Verdichter besteht für ein Schlagmeißelgerät, bei dem ebenfalls im vorderen Bereich ein Schlagbolzen vorhanden ist, der den Meißel aufnimmt. Bis auf den rotierenden Antrieb der Bohrwelle entspricht der Aufbau im wesentlichen dem vorstehend beschriebenen Bohrhammer. Bei beiden Geräten sind Schlagbolzen 11 und Flugkolben 4 axial aufeinander ausgerichtet.
Weitere Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich überall dort, wo ein axialer Schlagbetrieb ausgeführt wird.