Die Erfindung betrifft ein Luftfeder-Schlagwerk gemäß dem Oberbegriff von Pa
tentanspruch 1 und einen Schlag- und/oder Bohrhammer, bei dem ein derarti
ges Luftfeder-Schlagwerk eingesetzt wird.
Luftfeder-Schlagwerke, insbesondere zur Verwendung in Schlag- und/oder Bohr
hämmern, sind allgemein bekannt. Bei einem derartigen Luftfeder-Schlagwerk
wird ein Antriebskolben durch einen geeigneten Antrieb, zum Beispiel einen mit
einem Elektromotor gekoppelten Kurbeltrieb, in eine oszillierende Axialbewegung
versetzt. Bei einer besonders vorteilhaften Ausbildung ist der Antriebskolben
hohl. In die Höhlung des Antriebskolbens ist ein Schlagkolben eingesetzt, wobei
sich mindestens zwischen einer Stirnfläche des Schlagkolbens und der Höhlung
des Antriebskolbens eine Luftfeder ausbildet. Die Bewegung des Antriebskolbens
erzeugt aufgrund der Trägheit des Schlagkolbens in der Luftfeder zunächst ei
nen Überdruck, durch den der Schlagkolben in Richtung eines am Hammer befe
stigten Werkzeugs getrieben wird. Nachdem der Schlagkolben auf das Werkzeug
bzw. einen zwischen Schlagkolben und Werkzeug angeordneten Döpper aufge
schlagen hat, prallt er zurück. Die durch den Kurbeltrieb erzeugte Rückbewe
gung des Antriebskolbens bewirkt in der Luftfeder eine Saugwirkung auf den
Schlagkolben, die den beim Schlag erzeugten Rückstoß auf den Schlagkolben
unterstützt, woraufhin sich der Schlagkolben vom Werkzeug entfernt. Nach Er
reichen des oberen Totpunkts des Antriebskolbens bewegt sich dieser wieder in
entgegengesetzte Richtung auf das Werkzeug zu, bremst den sich noch in der
Rückbewegung befindenden Schlagkolben ab und beschleunigt ihn erneut auf
das Werkzeug, um den nächsten Schlag durchzuführen.
Außer den soeben beschriebenen einseitigen Luftfeder-Schlagwerken sind auch
Schlagwerke mit doppelter Luftfeder bekannt, bei denen nicht nur - in
Schlagrichtung gesehen - hinter dem Schlagkolben, sondern auch vor dem
Schlagkolben eine Luftfeder zwischen Schlagkolben und Antriebskolben ausge
bildet ist. Ein derartiges doppelseitiges Luftfeder-Schlagwerk erlaubt ein zuver
lässiges Anlauf- und Leerlaufverhalten.
Fig. 5 zeigt ein Beispiel für ein herkömmliches Schlagwerk mit doppelter Luftfe
der. In einem beispielsweise von einem nicht dargestellten Kurbeltrieb in einem
nicht dargestellten Schlagwerksgehäuse axial hin- und herbewegbaren Antriebs
kolben 1 ist ein Schlagkolben 2 eingesetzt. Vor dem Schlagkolben 2 ist eine vor
dere Luftfeder 3 und hinter dem Schlagkolben 2 eine hintere Luftfeder 4 ausge
bildet. Die Luftversorgung der vorderen und der hinteren Luftfeder 3, 4 erfolgt
über einen zur Umgebung oder in das Kurbelgehäuse führenden Belüftungs
schlitz 5 im Antriebskolben 1.
Der Schlagkolben 2 folgt aufgrund seiner Trägheit der Oszillationsbewegung des
Antriebskolbens 1 mit einer ständigen Zeitverzögerung. Dadurch baut sich bei
Vorwärtsbewegung des Antriebskolbens 1 (Bewegungsrichtung in Fig. 5 nach
links) in der hinteren Luftfeder 4 ein Luftdruck auf, der den Schlagkolben 2
schließlich ebenfalls in Vorwärtsrichtung treibt, wo der Schlagkolben 2 auf ein
nicht dargestelltes Werkzeug oder einen nicht dargestellten Döpper aufschlägt
und den Schlag durchführt. Danach gelangt der Antriebskolben 1 durch Wir
kung des Kurbeltriebs in Rückbewegung (in der Figur nach rechts). Wodurch
sich in der vorderen Luftfeder 3 ein Überdruck aufbaut, der den Schlagkolben 2
ebenfalls in Rückbewegung treibt und den durch den Schlag erzeugten Rück
schlag verstärkt. Bei jeder Hubbewegung des Schlagkolbens 2 wird eine Verbin
dung zwischen dem Belüftungsschlitz 5 und einer der jeweils nicht belasteten
Luftfedern 3, 4 hergestellt, was einen Luftausgleich ermöglicht. Bei niedrigem
Umgebungsluftdruck, beispielsweise in großen Arbeitshöhen, ist es allerdings
möglich, daß die in die jeweilige Luftfeder 3, 4 eindringende Luftmenge nicht
ausreicht, um anschließend ein ausreichend starkes Luftpolster aufzubauen.
Bei Luftfeder-Schlagwerken besteht daher allgemein das Problem, daß die Funk
tion des Schlagwerks von der zur Verfügung stehenden Luftmenge, das heißt
vom Umgebungsluftdruck bzw. der Umgebungsluftdichte abhängt. So kann bei
spielsweise ein Schlagwerk für den Einsatz auf Meereshöhe optimal ausgelegt
sein, während das gleiche Schlagwerk in großen Höhen nur noch eingeschränkt
einsetzbar ist.
Das liegt daran, daß in größeren Höhen geringere Luftmengen zur Füllung der
Luftfeder zur Verfügung stehen. Dadurch steigt die Beanspruchung der Luftfeder
und der anderen Elemente des Schlagwerksantriebs, was in extremen Fällen zu
Schäden des Schlagwerks durch Zusammenschlagen des Schlagkolbens und des
Antriebskolbens führen kann, wenn die dazwischenliegende Luftfeder zu wenig
Luft enthält, um einen ausreichenden Druck zum Trennen von Schlag- und An
triebskolben zu gewährleisten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Luftfeder-Schlagwerk anzugeben,
das unabhängig vom Umgebungsluftdruck und der Umgebungsluftdichte stets
zuverlässig arbeitet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Luftfeder-Schlagwerk gemäß Pa
tentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind den
abhängigen Ansprüchen zu entnehmen. Besonders vorteilhaft kann ein erfin
dungsgemäßes Luftfeder-Schlagwerk in einem Schlag- und/oder Bohrhammer
eingesetzt werden.
Ein erfindungsgemäßes Luftfeder-Schlagwerk, mit einem axial beweglichen An
triebskolben, einem in dem Antriebskolben axial beweglichen Schlagkolben, ei
ner zwischen dem Antriebskolben und einer Vorderseite des Schlagkolbens aus
gebildeten vorderen Luftfeder und mit einer zwischen dem Antriebskolben und
einer der Vorderseite gegenüberliegenden Hinterseite des Schlagkolbens ausge
bildeten hinteren Luftfeder, wobei die Versorgung der vorderen Luftfeder mit
Luft über eine von der vorderen Luftfeder zur Umgebung führende Belüftungsöff
nung erfolgt, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgung der hinteren Luft
feder mit Luft über eine die hintere Luftfeder mit der vorderen Luftfeder verbin
dende Ladeöffnung erfolgt, wobei die Belüftungsöffnung und die Ladeöffnung
durch den Schlagkolben bei Bewegung des Schlagkolbens abwechselnd öffen-
und schließbar sind.
Das wechselweise Öffnen und Schließen der Belüftungs- und der Ladeöffnung
durch den im Antriebskolben in Axialrichtung oszillierenden Schlagkolben er
zeugt eine Pumpbewegung und ermöglicht es, daß die vordere Luftfeder, die zur
Erzeugung einer auf den Schlagkolben wirkenden Rückstellkraft nach dem
Schlag dient und etwas schwächer ausgebildet sein kann, in einem ersten Be
triebszustand belüftet wird. Wenn sich dann der Schlagkolben weiter bewegt,
zweckmäßigerweise in Richtung eines Schlagpunkts, schließt er die Belüf
tungsöffnung und öffnet die Ladeöffnung, wodurch eine Verbindung zwischen
der vorderen und der hinteren Luftfeder geöffnet wird und - inzwischen verdich
tete - Luft aus der vorderen Luftfeder in die hintere Luftfeder strömen kann.
Dies ermöglicht ein permanentes Aufladen der Luftfüllungen in beiden beteilig
ten Luftfedern, wodurch zum einen Leckverluste kompensiert und zum anderen
ein zu niedriger Umgebungsluftdruck im Inneren des Schlagwerks erhöht werden
kann. Dadurch regelt sich die Luftmenge im Schlagwerk selbsttätig, wodurch
das Schlagwerk unabhängig vom Umgebungsluftdruck praktisch überall einsetz
bar ist.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Schlagkolben in dem
Antriebskolben in eine Belüftungsstellung bewegbar, in der die Belüftungsöff
nung geöffnet und die Ladeöffnung geschlossen ist, während der Schlagkolben
anderenfalls in eine Ladestellung bewegbar ist, in der die Belüftungsöffnung ge
schlossen und die Ladeöffnung geöffnet ist. Dadurch wird sichergestellt, daß
sich die Belüftungs- und die Ladeöffnung abwechselnd öffnen bzw. schließen
lassen und Luft von der Umgebung nur dann in das Schlagwerk eindringen
kann, wenn sich der Schlagkolben in der Belüftungsstellung befindet, während
die Aufladung der hinteren Luftfeder nur dann erfolgt, wenn die Belüftungsöff
nung zur Umgebung verschlossen und die Ladeöffnung geöffnet ist.
Vorteilhafterweise ist der Schlagkolben in die Belüftungsstellung bewegbar,
wenn in der hinteren Luftfeder eine vorbestimmte Luftmenge unterschritten
wird. Auf diese Weise wird eine selbsttätige mechanische Regelung realisiert, da
nur dann, wenn sich in der hinteren Luftfeder zu wenig Luft befindet und damit
kein ausreichendes Luftpolster aufgebaut werden kann, die Belüftungsöffnung
geöffnet wird und Umgebungsluft in die vordere Luftfeder eindringen kann, die
bei der weiteren Bewegung des Schlagkolbens in die hintere Luftfeder gepumpt
wird und damit die Luftmenge in der hinteren Luftfeder erhöht. Sobald in der
hinteren Luftfeder wieder eine ausreichende Luftmenge zur Bildung eines Luft
polsters vorhanden ist, kann der Schlagkolben die Belüftungsstellung nicht
mehr erreichen, da er vorher durch die hintere Luftfeder zurückgedrückt wird.
Auf diese Weise wird ein Eindringen weiterer Umgebungsluft in das Schlagwerk
und eine unzulässige Luftdruckerhöhung vermieden. Erst wenn aufgrund von
Leckverlusten der Luftdruck bzw. die Luftmenge in der hinteren Luftfeder wieder
unter den Grenzwert abgesunken ist, wird die Belüftungsöffnung geöffnet und
eine neue Aufladung ermöglicht.
Vorteilhafterweise ist der Schlagkolben bei jedem Arbeitshub in die Ladestellung
bewegbar. Dies ermöglicht einen permanenten Druckausgleich zwischen der vor
deren und der hinteren Luftfeder, so daß auf jeden Fall, wenn der vorderen Luft
feder Umgebungsluft zugeführt worden ist, ein Teil dieser Luft auch der hinteren
Luftfeder zugute kommt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der Schlagkolben an seiner Vor
derseite einen Schlägerhals auf, in dem die Belüftungsöffnung ausgebildet ist.
Vorteilhafterweise wird die Belüftungsöffnung durch einen in dem Schlägerhals
ausgebildeten Schlitz gebildet. Dadurch läßt sich die Belüftungsöffnung durch
einfache Bearbeitung des Schlägerhalses bzw. des Schlagkolbens, zum Beispiel
durch Fräsen des Schlitzes mit einem Scheibenfräser erzeugen.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich die Ladeöffnung
In dem Antriebskolben und wird durch eine Ausnehmung in einer den Schlag
kolben führenden Innenwand des Antriebskolbens gebildet. Ahnlich wie die Be
lüftungsöffnung kann die Ausnehmung für die Ladeöffnung beispielsweise durch
Fräsen an der meist zylindrisch ausgeführten Innenwand des Antriebskolbens
hergestellt werden.
Wie bereits erwähnt, ist es besonders vorteilhaft, einen Schlag- und/oder Bohr
hammer mit einem Antrieb und einem mit dem Antrieb gekoppelten, erfindungs
gemäßen Luftfeder-Schlagwerk auszustatten. Ein derartiger Schlag- und/oder
Bohrhammer ist unter nahezu beliebigen Luftdrücken und damit beliebigen Ar
beitshöhen über Meeresniveau einsetzbar, ohne daß aufgrund von Luftdruck
schwankungen Beeinträchtigungen der Funktion des Luftfeder-Schlagwerks fest
gestellt werden können.
Diese und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend un
ter Zuhilfenahme der Figuren näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Luftfeder-Schlagwerk zu Beginn des Schlagens;
Fig. 2 das Schlagwerk zum Zeitpunkt der größten Kompression der hinteren
Luftfeder bei zu geringer Luftfüllung;
Fig. 3 das Schlagwerk zum Zeitpunkt des Schlagens während eines Aufla
dungsvorgangs;
Fig. 4 das Schlagwerk nach Beendigung des Aufladevorgangs zum Zeitpunkt
größtmöglicher Kompression bei ordnungsgemäß gefüllter hinterer
Luftfeder;
Fig. 5 ein doppelseitiges Luftfeder-Schlagwerk gemäß dem Stand der Technik.
Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Luftfeder-Schlagwerk.
Ein zylindrischer Antriebskolben 11 ist in die Bohrung eines nicht dargestellten
Schlagwerksgehäuses axial beweglich eingesetzt. Er wird über einen mit einem
Motor verbundenen, nicht dargestellten Kurbeltrieb über die Ösen 12 in eine os
zillierende Translationsbewegung, das heißt in Fig. 1 in eine Bewegung von links
nach rechts und umgekehrt versetzt.
In den in Fig. 1 nur skizzenhaft dargestellten Antriebskolben 11 ist ein Schlag
kolben 13 in ähnlicher Weise wie bei dem in Zusammenhang mit Fig. 5 beschrie
benen Stand der Technik eingesetzt. Dazu weist der Antriebskolben 11 eine
meist zylindrisch ausgebildete Höhlung auf, in die der Schlagkolben 13 einge
setzt werden kann. Der Schlagkolben 13 weist einen Schlägerhals 14 auf, der
auf einer Seite des Antriebskolbens 11 austritt.
Um eine vordere Luftfeder 15 zu bilden, ist der Antriebskolben 11 gegen den
Schlägerhals 14 mittels einer Dichtung 16 abgedichtet. Die Dichtung 16 kann
zum Beispiel aus einem an den Antriebskolben 11 angeschraubten Flanschele
ment bestehen, welches die Dichtungswirkung mittels eines Spalts zwischen
dem Schlägerhals 14 und der Dichtung 16 erzeugt.
Gegenüber der vorderen Luftfeder 15 ist an einer Hinterseite 17 des Schlagkol
bens 13 eine hintere Luftfeder 18 ausgebildet. Die Funktionen der vorderen Luft
feder 15 und der hinteren Luftfeder 18 entsprechen den Funktionen der unter
Bezugnahme auf Fig. 5 bereits zum Stand der Technik beschriebenen vorderen
Luftfeder 3 und hinteren Luftfeder 4. Im Unterschied zum Stand der Technik je
doch steht die hintere Luftfeder 18 nicht direkt mit der Umgebung in Verbin
dung, sondern lediglich über eine Ladeöffnung 19 mit der vorderen Luftfeder 15.
Die Ladeöffnung 19 ist in der Innenwand des Antriebskolbens 11 ausgebildet
und weist die Form einer Längsnut auf. Je nach Ausführungsform kann sie
schon bei der Herstellung des Rohteils für den Antriebskolben 11 durch Gießen
oder nachträglich durch Fräsen oder ein anderes geeignetes Fertigungsverfahren
erzeugt werden.
Die vordere Luftfeder 15 kann bei entsprechender Stellung des Schlagkolbens 13
und des Schlägerhalses 14 über eine Belüftungsöffnung 20 mit der Umgebung in
Verbindung gebracht werden. Unter dem Begriff "Umgebung" kann in diesem Zu
sammenhang die Arbeitsumgebung des Schlag- und/oder Bohrhammers verstan
den werden, in den das Luftfeder-Schlagwerk eingebaut wird, oder auch ein
nicht dargestellter Kurbelraum, in dem sich der Antriebskolben 11 hin- und her
bewegt. Der Kurbelraum ist üblicherweise gegenüber der Arbeitsumgebung nicht
vollständig abgedichtet, so daß im Kurbelraum im wesentlichen Umgebungsluft
druck herrscht.
In Fig. 1 ist eine Stellung des Schlagkolbens 13 gezeigt, in dem die Ladeöffnung
19 geöffnet und die Belüftungsöffnung 20 verschlossen ist, da die Belüftungsöff
nung 20 nicht direkt mit der vorderen Luftfeder 15 In Verbindung steht. Diese
Stellung wird nachfolgend als Ausgangsstellung bezeichnet.
Im folgenden wird nun die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Luftfeder-
Schlagwerks unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 4 beschrieben, die bei
spielhafte Relativstellungen des Schlagkolbens 13 und des Antriebskolbens 11
darstellen.
Aus der in Fig. 1 gezeigten Ausgangsstellung wird der Antriebskolben 11 mittels
des Kurbeltriebs in Richtung eines oberen Totpunkts (in Fig. 2 rechts) bewegt.
Der Schlagkolben 13 folgt der Bewegung des Antriebskolbens 11 mit einiger zeit
licher Verzögerung und bewegt sich noch in Richtung des oberen Totpunkts
nach rechts, während sich der Antriebskolben 11 bereits in Bewegung in Rich
tung des unteren Totpunkts, das heißt in Vorwärtsrichtung auf das in den Figu
ren nicht dargestellte Werkzeug befindet, welches in den Figuren links von dem
Schlagwerk angeordnet wäre. Wie in Fig. 2 gezeigt, baut sich durch die Gegen
einanderbewegung des Schlagkolbens 13 und des Antriebskolbens 11 in der hin
teren Luftfeder 18 ein Luftpolster mit großer Kompression auf. Falls die in der
hinteren Luftfeder 18 befindliche Luftmenge zu gering ist, wird das Luftpolster
durch die beteiligten Kolben 11, 13 so stark komprimiert, daß eine Steuerkante
21 der Belüftungsöffnung 20 die Dichtung 16 überfährt und eine Verbindung
zwischen der vorderen Luftfeder 15 und der Belüftungsöffnung 20 und damit der
Umgebung herstellt. Die Stellung des Schlagkolbens wird als Belüftungsstellung
bezeichnet. In der vorderen Luftfeder 15 hat sich inzwischen durch die Kolben
bewegung ein Unterdruck aufgebaut, so daß Umgebungsluft in die vordere Luft
feder 15 einströmt und die vordere Luftfeder 15 ungefähr Umgebungsluftdruck
erreicht.
Bei der in Fig. 3 gezeigten weiteren Bewegung des Antriebskolbens 11 wird der
Schlagkolben 13 nach vorwärts, das heißt in Richtung des Werkzeugs getrieben
und schlägt in der in Fig. 3 gezeigten Stellung auf das nicht dargestellte Werk
zeug bzw. den nicht dargestellten Döpper auf.
Die in Fig. 3 gezeigte Schlagstellung entspricht auch einer Ladestellung, da in
dieser Stellung die Ladeöffnung 19 geöffnet und eine Verbindung zwischen der
vorderen und der hinteren Luftfeder 15, 18 hergestellt ist. Wie aufgrund des Ab
laufs der Figuren erkennbar ist, hat sich inzwischen in der vorderen Luftfeder
15 ein Überdruck ausgebildet, so daß Luft aus der vorderen Luftfeder 15 in die
hintere Luftfeder 18 über die Ladeöffnung 19 einströmt.
Der Aufladevorgang wird durch die erneute Hubbewegung des Antriebskolbens
11 beendet, wenn die Hinterkante 17 die Ladeöffnung 19 soweit überfahren hat,
daß die Verbindung zwischen vorderer und hinterer Luftfeder 15, 18 unterbro
chen ist. Anschließend wird die Luft in der hinteren Luftfeder 18 erneut kompri
miert, wie in Fig. 4 dargestellt.
Durch die Aufladung der hinteren Luftfeder 18, das heißt, durch das Eindringen
von zusätzlicher Luft, ist das Luftpolster nun stark genug, um den Schlagkolben
13 gegenüber dem Antriebskolben 11 ausreichend abzustützen. Wie in Fig. 4 ge
zeigt, fährt die Steuerkante 21 In diesem Fall nicht so weit in den Antriebskol
ben 11 ein, daß die Belüftungsöffnung 20 geöffnet wird. Der nun folgende Hub
wird demnach ohne Belüftung und Aufladung durchgeführt. Erst wenn durch
Leckverluste, insbesondere zwischen der Dichtung 16 und dem Schlägerhals 14
Luft aus dem Schlagwerk ausgetreten ist, wird sich die Luftmenge in der hinte
ren Luftfeder 18 so weit abgebaut haben, daß eine erneute Aufladung erforder
lich ist. Wie leicht erkennbar, wird diese Aufladung dann automatisch ausge
führt und so oft wiederholt, bis das Luftpolster in der hinteren Luftfeder 18 die
erforderliche Stärke erreicht hat.
Wie bereits beschrieben, hat die Aufladung des Schlagwerks die Wirkung, daß
jeweils nach Beendigung eines Aufladungsschritts sowohl in der hinteren als
auch in der vorderen Luftfeder 18, 15 ein höherer Luftdruck herrscht als in der
Umgebung des Schlagwerks. Auf diese Weise ist eine zuverlässige Funktionswei
se des Schlagwerks und damit des Schlag- und/oder Bohrhammers, bei dem das
Schlagwerk eingebaut ist, gewährleistet, auch wenn der Umgebungsluftdruck ei
nen bei der Auslegung des Schlagwerks zugrundegelegten Luftdruck unter
schreitet.