Handwerkzeugmaschine

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer strömungsmittelgetriebenen Handwerkzeugmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der Patentschrift US 6347985 B 1 ist eine Handwerkzeugmaschine bekannt, die allein über den Saugluftstrom eines Staubsaugers angetrieben wird. Kernstück der bekann- ten Handwerkzeugmaschine ist eine herkömmliche Peltonturbine, die die Saugluft des

Staubsaugers zum Drehen der Abtriebsspindel und damit zum Antrieb des Werkzeugs nutzt. Der Wirkungsgrad und die Robustheit der bekannten Handwerkzeugmaschinen mit Axial- und Peltonturbinen, auch als Widerstandsläufer bezeichnet, die ausschließlich aufgrund des Luftimpulses eine mechanische Leistung an eine Welle abgeben, kann hohe Ansprüche an die Arbeits- und Absaugleistung dieser mit handelsüblichen Staubsaugern betreibbaren Handwerkzeugmaschinen nur bedingt befriedigen. Insbesondere können mit dem Saugluftstrom angesaugte Partikel in den bauartbedingt engen Dichtspalt zwischen Turbinenrad und Turbinengehäuse gelangen. Dort besteht keine Ausweichmöglichkeit für grobe Partikel und durch deren Ansammlung darin kann die Turbine verklemmen und ih- re Leistung beeinträchtigt werden.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass als Antrieb ei- ner spanenden, insbesondere als Schleif- oder Fräsmaschine ausgestalteten Handwerkzeugmaschine ohne eigenen Elektromotor eine nur mit Saugluft, beispielsweise eines Staubsaugers betreibbare Turbine mit drehbarem Turbinenrad und feststehendem Turbinengehäuse dient, wobei zwischen dem Turbinenrad und dem Turbinengehäuse Mittel zum Herauslassen bzw. zum Auswurf ungewollt eintretender Partikel wie Staub, insbe- sonder auch gröberen Spänen, angeordnet sind, ohne dass durch diese Mittel der hohe

Wirkungsgrad der Turbine gemindertwird. Dadurch ist bei störungsfreiem Arbeiten ein besonders hoher Anteil an Strömungsenergie der Saug- bzw. Blasluft in mechanische Leistung umsetzbar, wobei die Handwerkzeugmaschine auch direkt als Saugkopf einsetz-

bar ist, wenn sie bei laufender Turbine - mit oder ohne Werkzeugeingriff - über dem Werkstück bzw. der zu reinigenden Fläche gehalten wird.

Außerdem ist ein für die Umgebungsluft nahezu staubfreies Schleifen, Fräsen, Bohren oder dergl. mit ständigem Abtransport der sich während des Schleifvorgangs bildenden

Staubpartikel gesichert, so dass hoher Spanabtrag mit hochwirksamer Absaugung des Schleifstaubs vereint ist, kurz, es ist eine besonders vorteilhafte Abart einer Turbine geschaffen, - quasi als Zwitter zwischen klassisch durchströmter Radialturbine und Axialturbine - die als diagonal durchströmte Radialturbine ausgestaltet ist. Sie vereinigt den Vorteil geringen Druckverlustes mit dem Vorteil erhöhter Energieausbeute aus den Luftstrom und bildet deshalb für luftdurchströmte Elektrowerkzeuge einen hocheffektiven Antrieb. Die Gefahr, die von der die Turbine antreibenden und sie dazu durchströmenden partikelhaltigen Abluft ausgeht, wird durch bestimmte Mittel ausgeglichen. Diese Mittel sind zwischen dem Turbinenrad und dem Turbinengehäuse zum Abtransport bzw. Aus- tritt vagabundierender Staub- und Späne-Partikel angeordnet, die den Hauptluftstrom verlassen und zwischen die bewegten Teile der Turbine geraten und deren Bewegung stören können.

Dadurch, dass die Mittel als mindestens eine am Turbinengehäuse nahe dem Einström- punkt der Antriebsluft und vor der Unterkante des Turbinenrads angeordnete ringspaltar- tige öffnung ausgestaltet sind, können die Partikel die Turbine auf kurzem Weg wieder verlassen, ohne eine spürbare Blockier- oder Bremswirkung entfalten zu können.

Dadurch, dass die besagten Mittel auch durch Oberflächenvertiefungen und/oder erhöhte Oberflächenrauhigkeit des Turbinenrads gebildet werden, insbesondere benachbart zur

öffnung des Turbinengehäuses angeordnet, zum Mitnehmen und Beschleunigen der Partikel zwecks Herausschleudern der Partikel durch diese öffnung, wird ein kontinuierlicher Partikelabtransport erreicht und die Gefahr des Verklemmens des Turbinenrads gegenüber dem Turbinengehäuse weiter verringert.

Dadurch, dass die Drehzahlregelung für die Handwerkzeugmaschine mittels einer unterschiedlich einstellbaren Luftklappe vorgenommen wird, ist mit einfachen Mitteln eine Anpassung der Maschinendrehzahl an jeweils vorliegende Arbeitsbedingungen einfach und kostengünstig möglich.

Zeichnung

Nachstehend wird die vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit zu- gehöriger Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Figur Ia einen Längsschnitt eines Schwingschleifers, Figur 1 b einen weiteren Längsschnit des Schwingschleifers Figur 1 c einen räumlichen Teil-Längsschnitt des Schwingschleifers

Figur 2 einen Längsschnitt der Turbine zum Antrieb des Schwingschleifers Figur 3 eine räumliche Draufsicht der Turbine gemäß Figur 2 Figur 4 eine seitliche Draufsicht der Turbine gemäß Figur 2

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Figur 1 zeigt eine Handwerkzeugmaschine 10, die als Schwingschleifer ausgestaltet ist mit Blick auf eine dem Betrachter mit seiner Innenseite zugewandte Gehäuselängsschale 14. Diese bildet mit einer zweiten nicht dargestellten, i.w. symmetrischen Gehäuseschale ein glockenförmiges Gehäuse 12 mit einer Hochachse 13. Das Gehäuses 12 wird aus den beiden Gehäuseschalen mit Schrauben zusammengefügt, die die äußere, nichtdargestellte Gehäuseschale von außen durchtreten, in Schraubdome 35 drehbar sind und dadurch die beiden Gehäuseschalen an einer Stoßfuge zusammenhalten. Das Gehäuse 12 geht auf seiner Oberseite 20 in einen quer von der Hochachse 13 abstehenden, hohlzylindrischen Handgriff 16 über, der als Saugluftaustritt 18 bzw. zum Anschluß eines Staubsaugers dient. Auf seiner Oberseite 20 trägt das Gehäuse 12 eine Luftklappe 22, die eine öffnung 24 zum Strömungskanal 26 im Inneren des Gehäuses 12 zwecks Lufteintrittsregulierung nach Bedarf freigibt oder verschließt. Dazu ist ein Bereich 86 einer Kanalwand 28 nah benachbart zur öffnung 24 perforiert, so dass die Saugluft im schlauchartigen Strö- mungskanal 26 mit der Außenluft kommunizieren kann. Die Kanalwand 28 ist durch

Tragrippen 30 an den Gehäuseschalen 14 gehaltert. Die Tragrippen 30 sind mit Verstärkungsrippen 32 im Inneren der Gehäuseschale 14 und über diese mit der Gehäuseaußenwand bzw. der Gehäuseschale 14 verbunden. Dadurch wird der Luftkanal 26 bzw. die

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Kanalwand 28 versteift und, insbesondere gegen Schwingungen bzw. Resonanzen mit der durchströmenden Saugluft, stabilisiert.

Unten endet das Gehäuse 12 in einer geraden, umlaufenden Unterkante 34, die in ihrer senkrechten Projektion nach unten ein Dreieck mit nach außen gewölbten Seiten bildet.

Parallel zur Unterkante 34 ist ein Schleifteller 70 angeordnet, der über elastische Schwingkörper 75 mit dem Gehäuse 12 elastisch beweglich verbunden ist. Der Schleifteller 70 steht mit seiner bügeleisenförmigen Grundfläche außen über die dreieckige, senkrecht nach unten projizierte Kontur der Unterkante 34 hinaus und hat auf seiner Untersei- te Haltemittel zur Aufnahme eines nichtdargestellten Schleifblatts. Er ist über eine Achswelle 72 und einen an dessen Ende drehfest sitzenden nicht näher bezeichneten Exzenter orbital antreibbar, so dass jeder Punkt des Schleiftellers und damit jedes einzelne Schleifkorn des Schleifblatts kleine Kreise beschreibt, das typische Schliffbild eines Orbital- Schwingschleifers.

Die Achswelle 72 wird über ein Turbinenrad 38 einer lufttreibbaren Turbine 36 drehend mitgenommen und ist im Gehäuse 12 bzw. im Vorleitgitter 74 über ein oberes und ein unteres Wälzlager 64, 66 drehbar gelagert und greift mit ihrem unteren Ende in ein drittes Wälzlager 68, das mit seinem Außenring drehfest im Schleifteller 70 sitzt. Zwischen dem unteren und dem dritten Wälzlager 66, 68 ist die Achswelle 72 drehfest mit einer Ausgleichsmasse 78 verbunden, die als Unwuchtausgleich dient, um Schwingungen des exzentrisch bewegten Schleiftellers 70 fern vom Gehäuse 12 zu tilgen.

Die Ausgleichsmasse 78 trägt auf ihrer oberen, dem Vorleitgitter 74 zugewandten Seite ein nach oben hervorstehendes Ringprofil 80. Dieses wird oben von einer Ringnut 82 mit einem geringen Abstand umgriffen, die in der eng benachbarten Unterseite des Vorleitgit- ters 74 angeordnet ist und mit dem Ringprofll 80 gemeinsam eine untere, mäanderförmi- ge Labyrinthdichtung 84 bildet. Diese verhindert, dass durch den Unterdruck in den Hohlräumen im Inneren der Handwerkzeugmaschine 10, insbesondere zwischen der Aus- gleichsmasse 78 und dem Vorleitgitter 74, Staub und Späne in den Spalt bzw. zum unteren Lager 66 bewegt werden so dass dieses langfristig unbeeinträchtigt bleibt.

Der Achswelle 72 wird vom Turbinenrad 38 mittig drehfest umgriffen, wobei eine innige formschlüssige Verbindung zwischen den beiden Teilen mittels einer Rändelung 73 in ei-

nem definierten Umfangsbereich etwa in der Mitte der Achswelle 72 hergestellt ist, in deren Vertiefungen der beim Gießprozeß flüssige Kunststoff eintritt und damit die Verbindung bewirkt.

Das Turbinenrad 38 hat eine glockenförmige Außenkontur, wobei sich an die Unterkante

34 axial nach unten ein im Gehäuse 12 drehfest gehaltenes bzw. zwischen den Gehäuseschalen 14 definiert mit Zentriernocken plazierbar einklemmbares Vorleitgitter 74 mit Gitterschaufeln 75 anschließt. Die Gitterschaufeln 75 sind wie die Radschaufeln 42 des Turbinenrads 38 als auf ihrer Schmalseite stehende Kunststoff streifen ausgestaltet. Das als kurzer Kegelstumpf ausgestaltete Vorleitgitter 74 wird außen durch das ebenfalls im

Gehäuses 12 drehfestgelegte Turbinengehäuse 60 im Abstand der Höhe der Gitterschaufeln 75 zumindest teilweise übergriffen, so dass damit eine untere Fortsetzung des ringförmiger Strömungskanals 49 des Turbinenrads 38 gebildet wird, durch den die Saugluft gezogen bzw. geleitet wird. über die Gitterschaufeln 75 des Vorleitgitters 74 wird die von unten einströmende Saugluft zum Antrieb des Turbinenrades 38 in dessen Strömungsrichtung bzw. die des Strömungskanals 49 bzw. der Radschaufeln 42 des Turbinenrads 38 gelenkt und entwirbelt, so dass dadurch der, insbesondere eingangsseitige, Wirkungsgrad der Turbine 36 erheblich verbessert wird. Das Vorleitgitter 74 bildet mit einer zentralen Ausnehmung 76 auf seiner Unterseite einen Lagersitz für ein Lager 66 des unteren Bereichs der Achswelle 72, das diese im Gehäuse 12 festgelegt und führt.

Das Turbinengehäuse 60 steht mit seiner kreisförmigen Oberkante 61 radial mit etwa 4 mm Abstand axial über den unteren Bereich des Turbinenrads 38 über und bildet dort mit einem Spaltabstand von ca. 5 mm einen Ringspalt 101 zum Raddeckel 44 des Turbinen- rads 38. Durch diesen hindurch werden mit der Saugluft in das Vorleitgitter 74 gelangte

Späne und Staubpartikel rasch wieder ausgeworfen, ohne bis in das bzw. zum Turbinenrad 38 zu gelangen und dieses zu bremsen oder zu blockieren. Aus dem Ringspalt 101 werden die Partikel herausgeschleudert, indem sie dort reibungsfrei ihrer Flugbahn trägheitsbedingt folgen und nicht mit der Saugluft umgelenkt in die Radschaufeln 42 des Turbinenrads 38 treten. Die Partikel werden nach außen nicht geblasen sondern geworfen, weil die Druckdifferenz zwischen dem Gehäuseinneren, außerhalb der Turbine 36 zum Innenraum der Turbine 36 nur minimal ist. Diese Druckverhältnisse sind der Wirkung einer Dichtrippe 63 zuzuschreiben, die das Turbinengehäuse 60 nach außen abdichtet, so dass oberhalb der Dichtrippe 63 bei Anschluß an einen Staubsauger im Inneren des

Gehäuses 12 überall, auch in der Turbine 36, ein homogener Unterdruck herrscht. Dadurch kann die Turbine 36 mit nur minimalem Druckverlust und hohem Wirkungsgrad betrieben werden.

Eine Quer zur Hochachse 40 verlaufende, radial nach innen gerichtete Dichtrippe 63 im/am Gehäuse 12 stützt sich dichtend am Turbinengehäuse 60 nahe dessen Oberkante 61 ab. Dadurch kann keine außen am Vorleitgitter 74 bzw. am Turbinengehäuses 60 vorbeiströmende Falschluft über den Ringspalt 101 in die Turbine 36 gelangen und deren Leistung mindern bzw. es kann keine Druckverluste in der Turbine 36 geben, weil durch An- Ordnung der Dichtrippe 63 ober dieser etwa homogener überdruck herrscht, so dass keine

Verluste eintreten können.

Aus dem Gehäuse 12 können die die öffnung 101 nach außen verlassenden Späne durch nichtdargestellte nach oben führende Kanäle gelangen. Im Bereich der öffnung 101 kön- nen Inspektionsklappen oder öffnungen im Gehäuse 12 angeordnet werden, durch die hindurch ggf. hartnäckige Spanansammlungen auschüttbar sind.

Figur 1 b stimmt im wesentlichen mit Figur 1 a überein und lässt, - ohne alle Bezugszeichen nochmals zu enthalten - , deutlich die Einzelheiten des Turbinengehäuses 60 mit der Dichtrippe 63 , sowie die Anordnung des Vorleitgitters 74 mit seinen Gitterschaufeln 75 sowie das Turbinenrad 38 mit dem Raddeckel 44 und dem Tragkegel 48 erkennen.

Figur 1 c gibt einen Einblick in die Ausgestaltung des Gehäuses 12 und der darin angeordneten Turbine 36 mit dem Turbinengehäuse 60 , dem Vorleitgitter 74, der Dichtrippe 63 und den unten und oben über den Raddeckel 44 herausragenden Radschaufeln 42 und den Ringspalt 101.

Figur 2 zeigt einen Längsschnitt des Turbinenrads 38 mit dem sich axial unten anschließenden, im Gehäuse 12 feststehenden Vorleitgitter 74 als Einzelheit, die zusammenge- baut in Figur 1 gezeigt sind. Dabei ist - ähnlich wie der Preßkegel einer Zitronenpresse - ein kegelstumpfartiger nach außen gewölbter Tragkegel 48 erkennbar, der außen eine Vielzahl von Radschaufeln 42 trägt, die die Gestalt mit ihrer Schmalseite auf dem Tragkegel 48 stehend angeordneter, flacher Kunststoffsstreifen haben und deren Höhe graduell in Richtung zur - virtuellen - Kegelspitze zunimmt. über die Radschaufeln 42 ist ein

zum Tragkegel 48 bzw. den Oberkanten der Radschaufeln 42 etwa parallel verlaufender Raddeckel 44 gefügt. Dadurch wird zwischen dem Tragkegel und dem Raddeckel 48, 44 ein im Querschnitt ringförmiger Strömungskanal 49 gebildet. Dieser wird durch die Radschaufeln 42 in eine Vielzahl gewundener Einzelkanäle aufgeteilt, in denen die Saugluft zum Antrieb der Turbine 36 mit besonders geringem Strömungswiderstand fließen kann.

Der untere Rand des Tragkegels 48 ist etwa unter 45° Winkel zur Kegelachse geneigt und verläuft nicht wie bei herkömmlichen Radialturbinen um etwa 90° quer zur Kegelachse abgewinkelt. Bei einem besonders günstigen Ausführungsbeispiel der Turbine 36 beträgt der Einströmwinkel der Schaufel 40° und ihr Ausströmwinkel 30°. Ein Bewegungspfeil 62 zeigt, dass die an der Radschaufel 42 entlang fließende Luft um 45° umgelenkt ist, gemessen zur Achse 40, wobei die Umlenkung quer zur Zeichenebene noch nicht berücksichtigt ist. Zwischen der Deckelunterkante 45 des Raddeckels 44 und der Oberkante 61 des Turbinengehäuses 60 ist derRingspalt 101 erkennbar.

Weiter ist erkennbar, dass die Oberkanten der Radschaufeln 42 über die Deckeloberkante

43 herausragen, damit gegebenenfalls in das Turbinenrad gelangte Staubpartikel oder Späne mehr Spielraum zum reibungsfreien Verlassen der Turbine 36 haben und sich nicht am Raddeckel 44 verfangen können.

Der Tragkegel 48 bzw. Kegelstumpf des Turbinenrads 38 wird von einem zentralen

Hohlzylinder 54 zur Aufnahme des Achsbolzens 72 durchdrungen. Der Hohlzylinder 54 bildet oben im Bereich einer virtuellen Kegelspitze einen überstehenden, ringartigen Kragen 52. Dadurch erreicht der Hohlzylinder 54 eine derartige Länge, dass der Achswelle 72bei definiertem axialem überstand und definiertem Bereich seiner Rändelung 73 ge- genüber dem Turbinenrad gesichert mit dieser Rändelung 73 im Inneren des Hohlzylin- ders 54 positioniert ist und von diesem umgriffen wird, so dass eine sichere Drehfestlegung zwischen dem Turbinenrad 38 und dem Achswelle 72 erreicht wird.

Zum Betreiben der Handwerkzeugmaschine 10 wird am Saugluftaustritt 18 Luft abge- saugt und strömt durch Absauglöcher 71 im Schleifteller 70 und zwischen der Oberseite des Schleiftellers 70 und der Gehäuseunterkante 34 von außen nach. Die von außen angesaugte Luft gelangt in den Ringkanal 49 des Vorleitgitters 74 und weiter in den des Turbinenrads 38.

Der Kontakt des Radialturbinenrads 38 und des Vorleitgitters 74 mit abrasiver, staubhal- tiger Luft kann dort zu einem Abschleif- und Staubanlagerungseffekt führen, der die Leistung des Antriebs und dessen Lebensdauer beeinträchtigen kann. Um dem zu begegnen, sind die saugluftberührten Flächen insbesondere durch geringe, regelmäßige golf- ballartige Vertiefungen so strukturiert, dass sie einen kleinen Strömungswiderstand bei erhöhter Oberflächenfestigkeit haben.

Die in Figur 3 gezeigte räumliche Draufsicht der Turbine 36 gemäß Figur 2 zeigt das Turbinengehäuse 60 mit dem Ringspalt 101, und verdeutlicht die oben und unten über den Raddeckel 44 überstehenden Radschaufeln 42.

Die Oberkante 43 des Turbinengehäuses 60 ist so weit herunter- und die Unterkante 45 des Raddeckels 44 so weit heraufgesetzt, dass ein offener Ringspalt 101 mit 5 mm lichter Weite zwischen der Oberkante 43 des glockenartigen, das Vorleitgitter 74 übergreifenden Turbinengehäuses 60 und der Unterkante 45 des Raddeckels 44 des Turbinenrads 38 gebildet wird. Die Radschaufeln 42 sind dadurch im unteren Bereich mit etwa 5 mm Randbreite nicht abgedeckt. Dadurch können mit der Ansaugluft durch das Vorleitgitter 74 strömende Staubpartikel durch den Ringspalt 101 auf einer geraden Flugbahn weiterfliegen und die Turbine 36 verlassen, ohne deren Betrieb zu stören, d.h. sich zwischen feste- henden und bewegten Teilen zu verklemmen.

Ebenso ist die Deckeloberkante 43 soweit heruntergesetzt, dass die Radschaufeln 42 mit ihrer Schaufeloberkante 41 um mindestens 2 mm über diese axial hervorstehen. Dadurch können Staubpartikel, die das Turbinenrad 38 passiert haben, dieses ohne zu klemmen durch den Luftkanal 26 verlassen.

Die Luft, die die Handwerkzeugmaschine 10 durchströmt, strömt nicht wie bei einer klassischen Radialturbine rein radial nach innen bevor sie in der Turbine 36 wieder axial umgelenkt wird, sondern strömt sowohl im Vorleitgitter als auch in der Radialturbine unter etwa 45 Grad Winkel zur Hochachse 40 (siehe Figur 2). Diese Schräganströmung hat den

Vorteil, dass der Wirkungsgrad der Turbine deutlich gesteigert ist, da der Druckverlust innerhalb der Turbine 36 und des Vorleitgitters 74 minimiert wird. Der Einströmwinkel der Schaufel beträgt 60° und der Ausströmwinkel 30° um auch die Ausströmverluste so gering wie möglich zu halten. Die Winkel für den Einströmbereich können zwischen 0°

und 70° und die Winkel im Auslassbereich zwischen 10 und 60° variieren. Die Wahl der Winkel hängt sowohl von der Luftmenge als auch von der erwarteten Drehzahl ab. Das Vorleitgitter 74 hat die Aufgabe, der Luftströmung einen möglichst großen Vordrall aufzuprägen, und besitzt aus diesem Grund Gitterschaufeln 75 mit einem Austrittswinkel von etwa 80°. Ein geringer Abstand zwischen Vorleitgitter 74 und Turbine 36 ist notwendig, damit die Turbine 36 ideal angeströmt werden kann. Ein zusätzlicher Stützring 88 zwischen den Stützrippen 90 an der Unterseite des Tragkegels 48 verhindert eine stark schwankende und unkontrollierte Leerlaufdrehzahl der Turbine, die sehr hohen Werte (> 20 000 U/min) annehmen kann, da ein Lüftereffekt durch rein radial angeordnete Rippen damit nicht auftreten kann. Der Stützring 88 und die Stützrippen 90 sind von radial innen nach außen zunehmend dünner dimensioniert, damit beim Spritzgießen der Werkstoff rasch und mit geringem Widerstand von innen nach außen fließen und alle Hohlräume der Gießform ausfüllen kann.

Eine in Figur 4 dargestellte Seitenansicht der Turbine 36 zeigt nochmals die zu Figur 3 erläuterten Einzelheiten deutlich aus seitlichem Blickwinkel.