WO1980001666A1

WO1980001666A1 - Pneumatic drill

Info

Publication number: WO1980001666A1
Application number: PCT/CH1980/000019
Authority: WO
Inventors: D Widmer
Original assignee: Uster Spindel Motoren Maschf; D Widmer
Priority date: 1979-02-12
Filing date: 1980-02-08
Publication date: 1980-08-21
Also published as: CH638587A5; IT8019862A0; DE3034304D2; FR2448420B1; NL8020028A; JPS56500207A; SE438464B; US4460051A; SE8007129L; AT377939B; GB2053770B; GB2053770A; FR2448420A1; IT1140564B; ATA172479A

Description

S c h l a g b o h r h a m m "e r

Die Erfindung betrifft einen Schlagbohrhammer mit einem in einem Gehäuse angeordneten Zylinder, in dem ein Schlag¬ kolben hin und her verschiebbar gelagert und mittels pe¬ riodischer Druckstösse eines Druckfluidums zur Ausfüh- rung von Schlaghüben antreibbar ist.

Bei bekannten Schlagbohrhämmern dieser Art erfährt das Gehäuse bei jedem Druckstoss, der die Schlagkolben zu einem Schlaghub beschleunigt, als Reaktion einen kurz- zeitigen und heftigen Rückstoss. Diese Rückstösse wirken sich für die Bedienungsperson als lästige und auch schädliche Vibration aus. Um diese lästigen Vibrationen einigermassen zu dämpfen, war es bisher üblich, das Gewicht des Gehäuses ganz erheblich höher als jenes des Schlagkolbens zu wählen, was jedoch der Schlagleistung des Schlagkolbens einerseits und der Handlichkeit des Schlagbohrhammers andererseits zuwider läuft.

OMPI

^Z_ Es ist daher ein Zweck der Erfindung, einen Schlagbohr¬ hammer der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die einzelnen Rückstossimpulse zu einer im wesentlichen konstanten, d.h. weitgehend vibrationsfreien Reaktions- kraft geglättet werden, die auch in den Zeiträumen zwi¬ schen den einzelnen -Druckstössen wirkt.

Zu diesem Zweck ist der vorgeschlagene Schlagbohrhammer gemäss der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgleichsmassekörper vorgesehen ist, der von den Druck- stössen gegensinnig zum Schlagkolben beaufschlagt und parallel zu diesem sowie gegen die Wirkung einer im Ge¬ häuse abgestützten Feder verschiebbar ist.

Merkmale bevorzugter Ausführungsformen sind den abhängi¬ gen Ansprüchen zu entnehmen.

Nachstehend ist die Erfindung rein beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt einen schematischen Schnitt durch einen mit einer Hydraulikflüssigkeit betriebenen Schlagbohr¬ hammer unter Weglassung von Einzelheiten, die im vorlie¬ genden Zusammenhang von geringerer Bedeutung sind.

Der dargestellte Schlagbohrhammer 10 besitzt ein Gehäuse 11, das einerends mit zwei Handgriffen 12, 13 und andern- ends mit einer nur schematisch angedeuteten Werkzeugla- ger.ung 14 versehen ist, in die z.B. ein Bohrmeissel 15 längsverschiebbar eingesetzt werden kann. Dem Kopf 16 des Bohrmeissels 15 werden periodisch - wie sich noch zei¬ gen wird - durch das vordere Ende 17 eines langgestreck¬ ten Schlagkolbens 18 Schläge erteilt.

Im Gehäuse 11 ist -^"nur schematisch dargestellt - ein Einlass 19 ausgebildet, der ^"über eine Leitung 'mit einer Druckquelle (beide nicht dargestellt ) - hier mit einer Druckquelle für eine Hydraulikflüssigkeit - verbunden ist. Der Einlass 19 führt in den erweiterten Teil 20 einer Schiebe kammer 21, in der ein mit zwei Ventilkolben 22, 22' versehener Ventilschieber 23 gegen die Wirkung einer Feder 24 verschiebbar gelagert ist. Das der Feder 24 abgekehrte Ende 25 des Ventilschiebers 23 erstreckt sich aus dem Gehäuse 11 heraus und liegt an einem am

Handgriff 13 bei 26 angelenkten Betätigungshebel 27 an. Von der Schieberkammer 21 geht an deren dem erweiterten Teil 20 abgekehrten Ende ein Auslass 28 aus, der in die¬ sem Falle über eine nicht gezeigte Rücklaufleitung mit einem Sumpf oder einem Vorratsgefäss verbunden ist, aus dem die Druckquelle das Fluid m schöpft.

Von dem erweiterten Teil 20 der Schieberkammer 21 führt ein Durchlass 29 zu einer Verzweigungsstelle 30, von der ein zu einem Druckspeicher 31 führender Kanal 32 ausgeht, ferner ein Durchlass 33 zum mittleren Bereich einer wei¬ teren Schieberkammer 34 und schliesslich ein weiterer Kan-al 35, auf den noch zurückzukommen sein wird.

OMPI _ Der Druckspeicher 31 weist eine Kammer 36 auf, die durch eine dichte, elastisch dehnbare Membrane in zwei Abteile 38, 39 unterteilt ist, wobei der Kanal 32 in das Abteil 39 mündet. Das Abteil 38 dagegen enthält ein Gas, das unter einem Druck steht, der mit dem Fluidumsdruck am Einlass 19 vergleichbar ist.

Die Schieberkammer 34 weist einen erweiterten Bereich 40 auf und enthält einen Steuerschieber 41 mit zwei Ventil- kolben 42, 43, von denen der Ventilkolben 43 mit einem Umfangsbund 45 versehen ist. Das eine Ende der Schieber¬ kammer 34 ist über einen Durchlass 44 mit dem zum Abteil 39 führenden Kanal 32 verbunden. Vom anderen Ende der Schieberkammer 34 geht ein Kanal 46 aus, auf den noch zurückzukommen sein wird. Schliesslich geht vom erwei¬ terten Bereich 40 der Schieberkammer 34 ein über die Schieberkammer 21 mit dem Auslass 28 kommunizierender Durchlass 47 aus und auf der selben Höhe wie der Durch¬ lass 47 geht vom erweiterten Bereich 40 ein Kanal 48 aus, der als Sammelkanal für drei Rückführ- oder Leck¬ kanäle 49, 50 und 51 dient.

Im Gehäuse 11 ist ein Zylinder 52 ausgebildet, in dem der Schlagkolben 18 hin und her verschiebbar gelagert is Der Schlagkolben 18 besitzt an seinem dem Ende 17 abge¬ kehrten Ende einen Bund 53, der im Gleitsitz, jedoch dichtend in den Zylinder 52 eingepasst ist. Auf den Bund 53 ^"'folg-t ein Abschnitt 54 mit einem kleineren Durchmesse

O so dass zur Innenwand des Zylinders 52 hin ein mantel- förmiger Zwischenraum 55 frei bleibt. Auf den Abschnitt 54 folgt ein weiterer Bund 56, der, wie sich noch zeigen wird, zusammen mit dem Kanal 46 bzw. dessen Einmündung in den Zylinder 52 als Ventilkolben wirkt, und zu die¬ sem Zweck zwei Steuerkanten 57, 58 aufweist. Auf den Bund 56 folgt zunächst ein zylindrischer Abschnitt 59 etwa desselben Durchmessers wie der Abschnitt 54, und auf den Abschnitt 59 folgt ein Kolbenschaft 60, der sich im Gleitsitz durch eine zum Zylinder 52 koaxiale Durch¬ lassbohrung 61 hindurch erstreckt und das Ende 17 des Schlagkolbens 18 bildet. An ihrem dem Zylinder 52 nä¬ heren Ende ist die Durchlassbohrung 61 mit einer Ansen- kung 62 versehen, die zusammen mit dem Abschnitt 59 als Bremse für den Fall wirkt, dass der Kopf 16 des Meisseis 15 zu schnell dem Schlag des Schlagkolbens 18 weicht.

Der an die freie Stirnseite 63 des Bundes 53 anschlies- sende Teil 65 des Zylinders 52 ist über einen Durchlass 64 mit der Schieberkammer 34 verbunden. Der Rückführkanal 49 mündet zwischen den Bünden 53 und 56 und der Kanal 35 in unmittelbarer Nähe der Absetzung 62 in den Zylinder 52 ein.

Vom Teil 65 des Zylinders 52 geht ein Durchlass 66 aus, der durch eine zentrale Bohrung 67 in einem Führungs- zapfen 68 fortgesetzt ist, der sich in eine im Gehäuse 11 koaxial zum Zylinder 52 ausgebildete Kammer 69 hinein- erstreckt und beiderends in dieser Kammer 69 fest mit dem Gehäuse 11 verbunden ist. Auf dem etwa auf halber Höhe auf einem geringeren Durchmesser abgesetzten Führungs¬ zapfen 68 ist ein in der Kammer 69 angeordneter Aus- gleichsmassekörper 70 gegen die Wirkung einer Feder 71 längsverschiebbar gelagert. Der Massekörper 70 ist im wesentlichen glockenförmig und besitzt eine Bohrung 72 über die der Massekörper 70 im Gleitsitz auf dem dicke¬ ren Abschnitt des Führungszapfen 68 sitzt.

Zwischen der Bohrung 72 und dem dünneren Abschnitt 68" des*-Führungszapfens bleibt ein Raum 73 frei, der über die Bohrung 67 und den Durchlass 66 mit dem Teil 65 des Zylinders 52 kommuniziert. Die Bohrung 72 endet in einer Ringfläche 74, deren Flächeninhalt etwa dem Flächen¬ inhalt der Stirnseite 63 min-us die Flächeninhalte der Ringflächen der Steuerkante 58 und jener am Ende, des Ab¬ schnittes 59 entspricht, wie in gestrichelten Linien und mit der geschwungenen Klammer über der Stirnseite 63 angedeutet ist.

Der Ausgleichsmassekörper 70 bildet zusammen mit der einerends am Ende der Kammer 69 und somit am Gehäuse und andernends auf einer Schulter 75 am Körper 70 abgestütz- ten Feder 71 einen Schwinger, dessen Eigenkreisschwingungs- frequenz etwa

'c res m beträgt, wobei c die Federkonstante der Feder 71 und m die Masse des Körpers 70 bedeutet, also beides reine Be- messungsgrössen. Diese Bemessungsgrössen sind, wie sich noch zeigen wird, so zu wählen, dass die Eigenkreis- schwingungsfrequenz höchstens der Hälfte, vorzugsweise aber einem Drittel der Frequenz der Druckstösse ent¬ spricht, die die Stirnseite 63 beaufschlagen und damit den Schlagkolben zu je einem Schlaghub veranlassen.

Diese periodischen Druckstösse kommen im vorliegenden Falle wie folgt zustande. In Fig. 1 ist der Schlagbohr¬ hammer 10 in ausgeschaltetem Zustand gezeigt. Dem Ein¬ lass 19 zugeführtes Druckfluidum fliesst über die Schieberkammer 21 direkt zum Auslass 28. Sobald aber der Betätigungshebel 27 gedrückt wird, wird der Ventilschie¬ ber 63 gegen die Wirkung der Feder 24 in die Schieber¬ kammer 21 gedrückt und der Ventilkolben 22 unterbindet die Strömungsverbindung zwischen 20 und 21. Damit baut sich im Durchlass 29, in den Kanälen 32, 35, im Durch- . lass 33 und damit auch in der Schieberkammer 34, im Durchlass 64 und im Teil 65 des Zylinders Druck auf. Der Druck im Teil 65 treibt den Schlagkolben 18 nach vorne, weil die Fläche der Stirnseite 63 grösser ist als die Summe der Ringflächen der Steuerkante 58 und der Ab¬ setzung 59. Gleichzeitig wirkt der Druck aber auch über die Ringfläche 74 auf den Ausgleichsmassekörper 70 und hebt diesen von seiner Ruhestellung ab. Sobald der Bund 56, d.h. dessen Steuerkante 57 den -Kanal 46 freigegeben hat, kαimu- niziert dieser über den Raum 55 mit dem drucklosen Kanal

OMPI 49, d.h. die Stirnseite des Bundes 45 wird durcklos. Nun wirkt aber der Druck über den Durchlass 44 auch auf die freie Seite des Ventilkolbens 42, so dass der Steuer¬ schieber 41 in Fig. 1 nach unten verschoben wird. Dies hat zur Folge, dass einerseits der Durchlass 33 verschlo sen und andererseits der Durchlass 64 mit dem Durchlass 47 verbunden wird. Der Teil^"65 wird somit mit dem Auslas 28 verbunden, während die immer noch zufliessende Druck- flüssigkeit sich im Druckspeicher 31 sammelt. Da der Ka¬ nal 35 durch die Bewegung des Steuerschiebers 41 unbe- einflusst ist, wird nun der Schlagkolben 18 durch die Wirkung der Druckflüssigkeit auf die Ringflächen von 58,

59 zurückgedrängt, und zwar so weit, bis die Steuerkan¬ te 58 die Verbindung des Kanals 46 mit dem druck ühren- den Kanal 35 wieder hergestellt hat. Da der Teil 65 des Zylinders in dieser Phase drucklos ist, entfällt auch die Wirkung auf den Ausglei.chsmassekörper 70, der sich somit wieder seiner Ausgangsstellung nähert, so weit die Kraft der Feder 71 Flüssigkeit durch die Bohrung 67 und den Durchlass 66 zu verdrängen vermag.

Sobald aber die Kanäle 35 und 46 in Verbindung stehen, erfährt der Steuerschieber 41 dank der grösseren Fläche des Bundes 45 eine Kraft, die den Steuerschieber 41 in die in der Figur dargestellte Ausgangsstellung zurück¬ drängt, so dass im Teil 65 ein neuer Druckstoss entsteht

Da -der Steuerschieber 41 dank seiner geringen Masse

I erheblich weniger träge als der Ausgleichsmassekörper 70 ist, kehrt er in seine Ausgangslage zurück, bevor der Körper 70 wieder seine Ausgangslage erreicht hat.

Die mit der Frequenz der Druckstösse zyklisch auf den Körper 70 wirkenden .Stösse haben somit einerseits eine "statische" Auslenkung des Körpers 70 gegen die Feder¬ kraft zur Folge, auf welche Auslenkung sich eine grob angenähert sinusförmige Schwingung überlagert.

Die genannte "statische" Auslenkung ist von der von den Druckstössen ausgehenden Kraft mal der Zeitdauer der Druckstösse oder - anders ausgedrückt - von der Schlag¬ leistung des Bohrhammers abhängig. Die der "statischen" Auslenkung des Körpers 70 überlagerte Schwingung ist ab¬ hängig von der von den Druckstössen ausgehenden Kraft und von der Masse des Körpers 70, jedoch praktisch unabhängig von der Federkonstanten der Feder 71. Wie bereits erwähnt, sind diese beiden Werte von Federkonstante und Masse so gewählt, dass die Eigenkreisschwingungsfrequenz des Körpers 70 etwa, dem dreifachen Wert der Frequenz der Druckstösse entspricht. Der Körper 70 bildet somit einen

Schwinger zweiter Ordnung, und dessen Schwingbewegung er¬ ffoollggtt mmiitt eeiinneerr PPhhaasseennvveerrsscchhiieebbuunngg vvcon etwa 180 bezogen auf die Schlaghübe des Schlagkolbens

Im Ergebnis erfährt das Gehäuse 11 nicht bei jedem, auf den Schlagkolben wirkenden Druckstoss einen schlagartigen

OMPI IPO Rückstoss, sondern lediglich die von ^"der Feder 71 ausg hende Kraft, die etwa sinusförmig um einen konstanten Wert herum pendelt. Durch entsprechende Wahl der System parameter gelingt es so, diese Kraft in jedem Zeitpunkt niedriger als das Gewicht des Gehäuses 11 zu halten, so dass dieses nie eine Beschleunigung in Richtung Bedie¬ nungsperson erfährt.

Es versteht sich von selbst, dass das Prinzip der Glät- tung der auf das Gehäuse wirkenden Druckstösse sich auc für pneumatisch betriebene Schlagbohrhämmer verwirkli¬ chen lässt. In diesem Falle würde die vom Auslass 28 au gehende Rückleitung entfallen und allenfalls durch eine Schalldämpfer ersetzt.

Zur Steuerung der Frequenz der Druckstösse und mithin der Schlaghübe kann auch im_. Kanal 35 ein zum Zylinder 52 hin schliessendes Rückschlagventil mit grossem Durch flussquerschnitt und parallel zu diesem eine Drossel- stelle eingeschaltet werden. Dadurch kann der Schlaghub des Schlagkolbens 18 praktisch ungehindert vor sich ge¬ hen, während der Rückhub nur nach Massgabe des durch di Drosselstelle fliessenden Druckfluidums erfolgt.

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Claims

P A T E N T A N S P R U C H E

1. Schlagbohrhammer mit einem in einem Gehäuse ange¬ ordneten Zylinder, in dem ein Schlagkolben hin und her verschiebbar gelagert und mittels periodischer Druck¬ stösse eines Druckfluidums zur Ausführung von Schlag-

5 hüben antreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgleichsmassekörper (70) vorgesehen ist, der von den Druckstössen gegensinnig zum Schlagkolben (18) beauf¬ schlagt und parallel^* zu diesem sowie gegen die Wirkung einer im Gehäuse (11) abgestützten Feder (71) verschieb¬ et) bar ist.

2. Schlagbohrhammer nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse des Ausgleichsmassekör¬ pers (70) und die Federkonstante der Feder (71) derart

15 gewählt sind, dass die Eigenkreisschwingungsfrequenz des Aus- gleichsmassekörpers (70) verschieden von der Frequenz der Druckstösse ist.

3. Schlagbohrhammer nach Anspruch 2^', dadurch gekenn¬ zeichnet , dass die Eigenkreisschwingungsfrecuenz des Aus- g leichsmassekörpers ( 70) höchstens der Hälfte , vorzugs¬ weise einem Drittel der Frequenz der Druckstösse ent- spricht .

4. Schlagbohrhammer nach Patentanspruch 1, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass der Ausgleichsmassekörper (70) einen Raum (73) begrenzt, der mit dem von den periodischen Druckstössen beaufschlagten Teil (65) des Zylinders (52) in Strömungsverbindung steht.

5. Schlagbohrhammer nach Patentanspruch 4, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass der Ausgleichsmassekörper (70) durch einen gleichachsig zum Schlagkolben (18) angeordneten, zylindrischen Körper gebildet ist, der eine den genannte Raum (73) begrenzende, zylindrische Bohrung (72) auf¬ weist, mittels welcher der zylindrische Körper auf einem Führungszapfen (68) verschiebbar gelagert ist.

6.^' Schlagbohrhammer nach Patentanspruch 5, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass der genannte Raum (73) über einen im Führungszapfen (68) ausgebildeten Durchlass (66, 67) mit dem von den periodischen Druckstössen beaufschlagten Teil (65) des Zylinders (52) kommuniziert.

7. Schlagbohrhammer nach Patentanspruch 5, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass der Ausgleichsmassekörper (70) und dessen Feder (71) in einer koaxial zum Zylinder (52) im Gehäuse (11) ausgebildeten Kammer (69) angeordnet sind.

8. Schlagbohrhammer nach einem der Patentansprüche-. 4 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse des Aus- gleichsmassekörpers (70) und die Federkonstante der

Feder (71) derart gewählt sind, dass die Eigenkreisschwingungs- frequenz des* Ausgleichsmassekörpers (70) höchstens die Hälfte, vorzugsweise einem Drittel der Frequenz der Druckstösse entspricht.

9. Schlagbohrhammer nach Patentanspruch 1, dadurch ge- kennzeichnet, dass die gegensinnig zum Schlagkolben (18) beaufschlagte Fläche (74) des Ausgleichsmassekörpers (70) im wesentlichen gleich gross ist wie jene von den Durckstössen beaufschlagte Fläche des Schlagkolbens (18), die die Schlaghübe bewirkt.

_OMPI_ .- IPO ^