CN1718375A - 滚式锤钻 - Google Patents

Abstract

一种在接触表面处滚动接触以在驱动轴和波形座圈之间传递轴向力的滚式锤钻，通过使用滚子轴承，实现了线接触。因而和使用齿形表面的啮合***中相对较大的面积相比，接触面积接近于零。点或线接触的使用减少了热的产生以及降低了由于摩擦而产生的能量损失。

Description

滚式锤钻

技术领域

本发明涉及一种滚式锤钻。

背景技术

通常齿形表面的相对旋转产生锤击动作的锤钻是已知的。而且，在美国专利No.3,149,681和3,133,602中，在齿啮合上具有球的旋转冲击锤钻仅仅提供了单向旋转的锤击动作。齿啮合上的球还易于磨损齿中的槽，这易于在球和齿之间形成宽的接触区域。连同齿形表面的不可移动性一起，宽的接触区域增大了工具的摩擦损失和加热。美国专利No.6,684,964中公开了另一种锤钻，其中锤击动作通过相面对的轴承组的冲击而产生。这种设计会遭受由于冲击而在轴承彼此上带来的增加的磨损和摩擦损失。

发明内容

本发明描述了一种利用滚式锤动作的锤钻。滚式锤基于轴颈轴承支承原理。锤钻所需的往复动作产生了很高的冲击负载和振动。只要没有保持正确的滚动接触或一致的流体动力润滑膜，磨损就会加速。对于当接触由于斜面在每个冲程结束时脱离而中断的滑动斜面或棘轮设计时更是如此。对于活塞在其冲程的两个端部改变方向的活塞设计中也出现类似的情形。

由建议的滚式锤机构所提供的真正滚动接触具有为轴颈和真正滚动支承作用提供完全流体润滑的优点，其减小摩擦和润滑，与可比产品相比具有较长的使用寿命，以及热的分布和消散(这影响工作温度)，允许速度和轴颈和正确滚动作用的负载承受能力。

滚式锤钻是简单、独特且易于构造的机构。它利用精确的冲击频率产生了强烈的单冲击能量，产生了与大小无关的更快速的移除速率和增加的钻头寿命。只是微小的设计改变，滚式锤机构模型就能构造具有用于广泛范围应用的冲程量级和冲击频率。对于钻孔，这种独特、平滑的滚动曲线产生了较好的较低振动以及良好形状的冲击脉冲，从人体工程学角度来说更加舒适。另一个好处是：钻孔期间降低了混凝土的不受控制的破裂。滚式锤钻机构获得了高效率和长的寿命，并具有对于工业、商业和住宅应用很理想的零维修需求和低生产成本。

因此，根据本发明的一个方面提供了一种在接触表面处滚动接触以在驱动轴和波形座圈之间传递轴向力的滚式锤钻。通过使用滚子轴承，实现了线接触。因而和使用齿形表面的啮合***中相对较大的面积相比，接触面积接近于零。点或线接触的使用减少了热的产生以及降低了由于摩擦而产生的能量损失。

在一些现有技术产品中，松脱离合器用来当压力临界地增大时释放扭矩以及防止啮合部件被剪切。在滚动接触的锤钻的情况下，可以使用相对低扭矩的发生器，这样扭矩就不会超过剪切应力。本发明的锤钻并不需要松脱离合器，因为其通过滚动摩擦提供了其作用。当扭矩增大时，安装在作为驱动组件部件的静止滚子轮毂上的滚子轴承推动锤组件中的波形轴，从而将脆组件与驱动组件分离并释放扭矩。这种重复的动作也产生了锤击效应。旋转轴承元件和波形轴之间的接触点与工具轴线成0至90度之间的角。这种偏移导致反作用力的剪切分量使滚子轴承在滚子轮毂里的腔内旋转，以及其轴向分量使波形轴爬过旋转轴承元件。旋转轴承元件被防止了相对于滚子轮毂的轴向运动，但是被允许在滚子轮毂的腔内自由旋转。

本发明的这些和其它方面在本发明的详细描述中进行描述并且在随后的权利要求中进行请求。

附图说明

以下参考附图以示例的方式对本发明的优选实施例进行描述，这些示例仅仅是示例性的而非要限定本发明的范围，其中相同的附图标记标识相同的元件，并且其中：

图1是根据本发明的滚式锤钻的截面图；

图2是滚子轮毂组件的3/4详细视图；

图3是波状座圈的3/4详细视图；

图4a是与滚子轮毂组件相啮合的波状座圈一部分的3/4详细视图；

图4b是与波状座圈啮合的滚子轴承的详细视图，其中示出了润滑膜与滚子轴承和波状座圈的相互作用；

图5a是滚式锤钻机构一个回转的图示；和

图5b是滚式锤钻机构的冲击频率的图解。

具体实施方式

在本专利文档中，词语“包含”以非限制性的方式使用以意味着，句子中这个词语之后的项目是包括的，并且没有具体提及的项目并非被排除在外。权利要求中元件之前的不定冠词“一”意思是指定了元件之一，但是并非具体地将其它该元件的出现排除在外，除非文中明确要求该元件是一个并且只是一个。

参考图1，其中示出了滚式锤钻适配器，其包括两个安装在壳体12内的子组件。驱动组件14直接连接至钻机或动力工具(未示出)的卡盘并且将扭矩从钻机传递至锤组件16。锤组件16将所接收的扭矩转换成扭矩和轴向打击动作。驱动组件14可形成为动力工具的组成部件。

驱动组件14包括驱动轴18，其一端具有六边形的截面以连接到常规动力工具的卡盘(未示出)。在驱动轴18的另一端上，一个槽具有三个容纳三个扭矩传递滚子45的等距滚子滑动腔43。扭矩传递滚子45与图1中未示出但在图3a和3c中示出的滚子滑槽43啮合，可旋转地将波形座圈42固定至驱动轴18。驱动轴18的中部截面是圆形截面并且装配于在壳体12内支承驱动轴18的轴承壳体22内，以用于相对于壳体12旋转。轴承壳体22被台肩20保持在驱动轴18上适当的位置，并且可以例如使用球轴承。

壳体12为圆柱形并且具有用于滚子轮毂组件32螺旋进入的圆形螺纹开口。卡环34与驱动轴18上的槽36相啮合以将滚子轮毂组件32固定就位并且相对于驱动轴18轴向固定，而滚子轮毂组件32相对于壳体12不可旋转地固定。

滚子轮毂组件32装配到轴承壳体的开口并且如图2所示具有十二个圆形分布的腔，该腔用于定位十二个滚子轴承38。滚子轮毂组件32还具有用于装配轴承壳体22的开口。

如图3a和3b所示，锤组件16具有成形为形成波形座圈42的表面。锤组件16的配合腔43和驱动轴18的滚子45允许锤组件16和驱动轴18一起旋转同时允许它们之间的相对轴向运动。锤组件16的工作端50上形成有1/2-20UN的螺纹。

如图2所示，滚子轮毂组件32具有十二个用于定位十二个滚子38的圆形分布的腔。壳体12由允许壳体12相对于锤组件16进行相对旋转运动的滚针轴承54支承在锤组件16上。

驱动轴18接收来自动力源(可移动的钻机或电机)的扭矩并通过滚子45将扭矩传递至锤组件16。由于滚子轮毂组件32至壳体12的螺旋连接，滚子轮毂组件32相对于壳体12保持稳定。滚子38在滚子轮毂组件32里的腔内自由旋转。滚子轮毂组件32由卡环34防止在驱动轴18上的轴向运动。

当轴18旋转时，锤组件16也随之旋转。壳体12被手工地保持稳定，防止轴承壳体32旋转。滚子38随后相对于波形座圈42旋转。在驱动轴18和锤组件16受到轴向压缩之下，波形座圈42上的波状物最初位于滚子38之间的缝隙里。随着波形座圈42旋转，滚子38在波形座圈42的波状物上上下浮动，引起锤组件16相对于驱动轴18的轴向运动。这个轴向位移是滚子尺寸和波形座圈波幅的函数。

波形座圈42和驱动轴18之间的润滑通过处于锤组件16内部的腔80而提供，润滑剂可通过孔82供应至该腔。如图3b所示，孔82垂直于锤组件16的中心轴线地在波形座圈42中钻出。孔82通向储油器84。锤组件16相对于驱动轴18的往复动作产生了通过孔82将润滑剂从储油器84吸入腔80并且由此沿着轴18通向波形座圈42和轴承38的真空效应。

参考图3a，其中示出了锤组件的3/4视图，其中示出了形成波形座圈42的表面的波纹滚道41。波纹滚道41也在图3b中示出。波纹滚道41可包括十二个相等的360°正弦波循环，振幅为0.120”。

参考图4a，其中更详细地示出了滚式锤机构，为了清楚起见切除了锤组件16的部件。十二个滚子38作为独立的轴颈安装在静止的滚子轮毂组件32里，旋转的波形座圈42产生锤钻动作。通过将支承几何形状与连续且不中断的滚子旋转相配合，在每个滚子腔内维持一致的润滑膜。

参考图4b，波形座圈42产生所示的旋转。其结果是每个滚子的一侧准确地与波形座圈滚动接触而滚子的另一侧由轴颈轴承支承的一致流体动力润滑膜来支承。来自波形座圈的力示出为W。滚子38旋转的方向示出为N。当轴颈轴承开始旋转时，轴颈和槽在接触点h0处的润滑剂非常少并出现摩擦(rubber)。因此，在开始流体动力的轴颈轴承时需要克服很大的摩擦力。当轴承已经达到足够的速度时，润滑剂开始挤入接触区域，示出为波形座圈和滚子轮毂组件上的粗黑线。静止滚子轮毂组件32的滚子38并不是被组件32的轴颈完全包围。断开的润滑膜完全被与轴颈缺失部分具有非常相似的部分弧形的波形座圈42所恢复。实现和保持了连续润滑膜中的流体动力提升。因而滚式锤钻机构就很大程度上保持自由。

使用滚子轴承啮合是用来降低摩擦，摩擦会产生热并导致能量损失。计算由于摩擦所产生的能量的公式如下：E＝K×F×A，其中F＝作用力，A＝接触面积，K＝摩擦系数，以及E＝能量。从所给等式中能看出，所有给出的分量必须最小化以获得最小的能量。作用力是操作者通过工具施加在钻面上的压力的结构，不能最小化。摩擦系数是材质、表面等级和作用特性(拖动或滚动)的函数。在球轴承或滚子轴承啮合的情况下，摩擦系数最小化，因为：

a)滚子具有比齿齿啮合中的齿更光滑的表面；和

b)滚子轴承啮合提供了与齿齿啮合中的拖动形成对比的滚动动作。

滚子轴承啮合的摩擦系数比齿齿啮合明显降低。

参考图5a，其中示出了利用十二个滚子的滚式锤机构一个回转的示意图。图5b是在滚子与波形座圈中的波状物相啮合的每个点处出现的滚式锤机构的一个冲击脉冲的形状的详细示意图。在图5b中：

A是冲击开始时的平滑曲线；

B是平滑过渡到峰值振幅；

C是保持在该点的振幅，随后是下一循环的平滑过渡；

D是这个循环的平滑完成；和

E示出了脉冲的振幅和形状取决于所用滚子的数目以及波形座圈的形状。因而对于不同应用可能有很多设计。

整个循环的平滑冲击曲线产生了更快速的钻孔、改进的孔形状、减少的操作者疲劳以及钻头的更长寿命。

在不背离本发明实质的前提下，本领域的技术人员能对本专利文献所述的发明作出非实质性的修改。

Claims (7)

1.一种滚子式锤钻，其包括：

壳体；

驱动轴，其在壳体内由轴承支承用于相对于壳体旋转，并且该驱动轴具有一轴线；

一组旋转轴承元件，其支承在壳体内并且相对于壳体固定，该旋转轴承元件分布在垂直于驱动轴轴线的平面上；

包括有波形座圈的锤组件，该锤组件支承在壳体内用于相对于壳体进行轴向和旋转运动，驱动轴连接至该锤组件以驱动该锤组件同时允许驱动轴和该锤组件之间的轴向运动；和

该组旋转轴承元件和波形座圈在壳体内彼此面对并且彼此啮合，从而当驱动轴和锤组件在轴向负载之作用下在壳体内彼此旋转时赋予锤组件一个锤击动作。

2.如权利要求1的滚子式锤钻，其中旋转轴承元件是滚子轴承。

3.如权利要求1的滚子式锤钻，其中波形座圈具有按照正弦轮廓的支承面。

4.如权利要求1的滚子式锤钻，其中波形座圈具有平滑波动的支承面。

5.如权利要求4的滚子式锤钻，其中平滑波动的支承面包括等距的波峰和波谷。

6.如权利要求1的滚子式锤钻，其中轴向力只是通过旋转轴承元件和波形座圈之间的接触从驱动轴传递至波形座圈。

7.如权利要求1的滚子式锤钻，其中驱动轴是动力工具的驱动轴。

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