DE102018216572A1

DE102018216572A1 - Sicherheitsbremsvorrichtung

Info

Publication number: DE102018216572A1
Application number: DE102018216572.6A
Authority: DE
Inventors: Juergen Wiker; Daniel Dennis; Florian Esenwein; Dhananjay Raghunath Zinge
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-09-27
Filing date: 2018-09-27
Publication date: 2020-04-02
Also published as: CN112823077A; EP3856455A1; WO2020064526A1; US20220055167A1; CN112823077B

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Sicherheitsbremsvorrichtung für eine Werkzeugmaschine zum Bremsen eines mittels eines Motors über eine Welle, insbesondere eine Abtriebswelle, angetriebenen Bearbeitungswerkzeugs, insbesondere eines Sägeblatts einer Kreissäge, bei einer Annäherung oder Berührung des Bearbeitungswerkzeugs durch einen Benutzer. Die Sicherheitsbremsvorrichtung weist zumindest eine Bremsvorrichtung auf, die als zweiteilige Klauenkupplung ausgebildet ist, wobei zumindest ein erster Klauenkupplungsteil der Klauenkupplung auf der Welle im Wesentlichen drehfest und axial beweglich angeordnet ist und wobei ein zweiter Klauenkupplungsteil der Klauenkupplung dazu vorgesehen ist, im Wesentlichen drehfest bezogen auf die Werkzeugmaschine angeordnet zu sein, und der erste Klauenkupplungsteil und der zweite Klauenkupplungsteil jeweils mehr als ein Verzahnungselement aufweist, die dazu vorgesehen sind, bei einem Bremsvorgang ineinander in Eingriff zu stehen und derart eine Rotation der Welle zu stoppen.Erfindungsgemäß ist ein maximaler Winkelabstand Δvon zueinander benachbarten Verzahnungselementen des ersten Klauenkupplungsteils und/oder des zweiten Klauenkupplungsteils in Abhängigkeit von einer maximalen Drehzahl der Welle bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sicherheitsbremsvorrichtung für eine Werkzeugmaschine.
Stand der Technik
Sicherheitsbremsvorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus DE 10 2008 054 694 A1 .
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einer Sicherheitsbremsvorrichtung für eine Werkzeugmaschine zum Bremsen eines mittels eines Motors über eine Welle angetriebenen Bearbeitungswerkzeugs bei einer Annäherung oder Berührung des Bearbeitungswerkzeugs durch einen Benutzer. Die Sicherheitsbremsvorrichtung weist zumindest eine Bremsvorrichtung auf, die als zumindest zweiteilige Klauenkupplung (oder äquivalent: Klauenbremse) mit einem ersten Klauenkupplungsteil und einem zweiten Klauenkupplungsteil ausgebildet ist, wobei der erste Klauenkupplungsteil auf der Welle im Wesentlichen drehfest, insbesondere auch axial beweglich, angeordnet ist und wobei der zweite Klauenkupplungsteil dazu vorgesehen ist, im Wesentlichen drehfest, insbesondere im Wesentlichen unbeweglich, bezogen auf die Werkzeugmaschine angeordnet zu sein und der erste Klauenkupplungsteil und der zweite Klauenkupplungsteil jeweils mehr als ein Verzahnungselement aufweisen, wobei die Verzahnungselemente dazu vorgesehen sind, bei einem Bremsvorgang ineinander in Eingriff zu stehen und derart eine Rotation der Welle zu bremsen, insbesondere zu stoppen oder zu blockieren.
Unter einer „Sicherheitsbremsvorrichtung“ soll insbesondere eine Vorrichtung verstanden werden, die ein Bearbeitungswerkzeug in einer Situation, in der Gefahr von dem Bearbeitungswerkzeug für einen Bediener ausgeht, mittels zumindest der Bremsvorrichtung bremst oder stoppt. Insbesondere bremst die Sicherheitsbremsvorrichtung das Bearbeitungswerkzeug bei einer Annäherung oder Berührung des Bearbeitungswerkzeugs durch einen Benutzer. In einer Ausführungsform umfasst die Sicherheitsbremsvorrichtung ferner eine Recheneinheit und eine Sensoreinheit, wobei die Recheneinheit mit zumindest einem Sensor der Sensoreinheit kommuniziert, wobei der Sensor dazu vorgesehen ist, eine Gefahr für einen Bediener, insbesondere eine Annäherung des Bedieners an das Bearbeitungswerkzeug und/oder eine Berührung des Bearbeitungswerkzeugs durch den Bediener, zu detektieren. Eine Elektronik der Sicherheitsbremsvorrichtung kann dann, nach Detektion einer Annäherung des Bedieners an das Bearbeitungswerkzeug und/oder nach Detektion eines Kontakts des Bedieners mit dem Bearbeitungswerkzeug, beispielsweise ein Aktorelement auslösen, welches einen Bremsvorgang unter Verwendung der Bremsvorrichtung auslöst. Das Aktorelement kann insbesondere als Bestandteil der Bremsvorrichtung oder auch separat realisiert sein. Das Aktorelement kann in einem Ausführungsbeispiel als eine Hubeinheit ausgebildet sein, welche zumindest einen der zwei Klauenkupplungsteile der Klauenkupplung aktiv bewegt, um die beiden Klauenkupplungsteile bei einem Bremsvorgang miteinander in Eingriff zu bringen und derart eine Rotation der Welle zu bremsen, insbesondere zu stoppen. Derartige Aktorelemente sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt. Eine aktive Bewegung zumindest eines der zumindest zwei Klauenkupplungsteile kann dabei beispielsweise durch ein Hebelelement, ein Federelement, ein Getriebeelement oder dergleichen realisiert werden.
Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell ausgestattet, ausgelegt und/oder programmiert verstanden werden.
Unter einer „Werkzeugmaschine“ soll eine prinzipiell beliebige Werkzeugmaschine verstanden werden, die ein mittels eines Motors über eine Welle, insbesondere eine Abtriebswelle, angetriebenes, drehbar gelagertes Bearbeitungswerkzeug aufweist. Das Bearbeitungswerkzeug kann insbesondere auch als Werkzeugaufnahme realisiert sein. Das Bearbeitungswerkzeug ist im Wesentlichen drehfest mit der Abtriebseinheit verbunden oder zumindest in einem Betriebszustand der Werkzeugmaschine im Wesentlichen drehfest mit der Abtriebseinheit verbindbar, beispielsweise über eine Werkzeugaufnahme, sodass ein Drehmoment von der Abtriebseinheit, insbesondere der Abtriebswelle, auf das Bearbeitungswerkzeug übertragbar ist. Unter „im Wesentlichen drehfest“ ist an dieser Stelle zu verstehen, dass das Bearbeitungswerkzeug in einem Bremsvorgang gegenüber der Abtriebseinheit eine Relativrotation von weniger als 15°, insbesondere von weniger als 10°, ganz insbesondere von weniger al 5° vollführt. Das Drehmoment wird von einer Antriebseinheit, beispielsweise einem Elektromotor, insbesondere einem bürstenlose Gleichstrommotor (EC-Motor), und/oder einem anderen, dem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Motor, erzeugt. Die Welle, insbesondere die Abtriebswelle, kann unter Verwendung eines Getriebes oder einer Kupplung oder auch ohne derartige Verbindungselemente mit der Antriebseinheit verbunden sein. Beispiele derartiger Werkzeugmaschinen umfassen insbesondere Bohrmaschinen, Motorsensen, Rasenmäher, Kreissägen, Tischkreissägen, Kappsägen, Gehrungssägen oder andere dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Werkzeugmaschinen. In einer Ausführungsform kann die Werkzeugmaschine als handgehaltene Handwerkzeugmaschine realisiert sein, beispielsweise als kabellose akkubetriebene Handkreissäge oder dergleichen. In einem Ausführungsbeispiel kann die Werkzeugmaschine als eine Handkreissäge mit einem mittels eines Motors über eine Welle angetriebenen, als Kreissägeblatt ausgebildeten Bearbeitungswerkzeug und mit einer Sensorplatte, die einen Kontakt menschlicher Haut mit dem Bearbeitungswerkzeug erfasst, realisiert sein.
Eine „Welle“, insbesondere eine Abtriebswelle, ermöglicht eine Rotation des Bearbeitungswerkzeugs durch Drehung der Welle um ihre (axiale) Längsachse. Typischerweise sind alle weiteren Freiheitsgrade, insbesondere eine Bewegung in radialer Richtung eines kreisförmigen Querschnitts der Welle oder in axialer Richtung der Welle, konstruktiv unterbunden.
Unter einer „Bremsvorrichtung“ ist eine Vorrichtung zu verstehen, die der Abbremsung oder dem Stoppen der Rotation des Bearbeitungswerkzeugs im Falle der Detektion einer Annäherung oder Berührung des Bearbeitungswerkzeugs durch einen Bediener dient. Die Bremsvorrichtung ist erfindungsgemäß als zumindest zweiteilige Klauenkupplung (oder dazu äquivalent: Klauenbremse) realisiert. Unter einer „zweiteiligen Klauenkupplung“ ist eine Kupplung zu verstehen, die durch formschlüssige Kupplung funktioniert, indem Verzahnungselemente an den beiden Bremsvorrichtungsteilen miteinander in Eingriff gebracht werden und somit eine Momentübertragung in Folge einer Relativbewegung der beiden Klauenkupplungsteile zueinander, insbesondere in Folge einer Relativbewegung der beiden Klauenkupplungsteile in Rotationsrichtung zueinander, ermöglichen. Durch Realisierung der Sicherheitsbremsvorrichtung mittels einer Klauenkupplung kann eine formschlüssige Verbindung genutzt werden, um auf besonders schnelle und sichere Weise einen Bremsvorgang durchzuführen. Der erste Klauenkupplungsteil ist auf der Welle, insbesondere auf der Abtriebswelle, im Wesentlichen drehfest angeordnet. In einer Ausführungsform kann der erste Klauenkupplungsteil axial beweglich oder in einer weiteren Ausführungsform auch axial unbeweglich auf der Abtriebseinheit angeordnet sein. Der zweite Klauenkupplungsteil ist dazu vorgesehen, im Wesentlichen drehfest mit einem anderen Bestandteil der Werkzeugmaschine, insbesondere beispielsweise einem Gehäuse, einem Getriebegehäuse, einem Motorgehäuse oder einer anderen Struktur der Werkzeugmaschine, verbunden zu sein und somit zumindest im Wesentlichen drehfest bezogen auf die Werkzeugmaschine angeordnet zu sein. In einer Ausführungsform kann der zweite Klauenkupplungsteil dazu vorgesehen sein, im Wesentlichen unbeweglich mit dem anderen Bestandteil der Werkzeugmaschine verbunden zu sein und somit nicht nur im Wesentlichen drehfest bezogen auf die Werkzeugmaschine angeordnet zu sein. In einem Ausführungsbeispiel ist der zweite Klauenkupplungsteil gegenüber einem Motorgehäuse der Werkzeugmaschine im Wesentlichen unbeweglich ausgeführt. Derart kann insbesondere eine freie Rotation des zweiten Klauenkupplungsteils bezüglich der Werkzeugmaschine und auch bezüglich der Welle, insbesondere bezüglich der Abtriebswelle, und somit bezüglich dem im Wesentlichen drehfest mit der Welle verbundenen ersten Klauenkupplungsteil unterbunden werden.
Unter „im Wesentlichen drehfest“ ist zu verstehen, dass ein jeweiliger Klauenkupplungsteil nicht wesentlich in Richtung des Umfangs der Welle, insbesondere der Abtriebswelle, verschiebbar (rotierbar) oder gleitend gelagert ist. Unter „der erste Klauenkupplungsteil ist im Wesentlichen drehfest auf der Welle angeordnet“ ist zu verstehen, dass der erste Klauenkupplungsteil mit einer Drehbewegung der Welle, insbesondere der Abtriebswelle, mitdrehend mit der Welle, insbesondere der Abtriebswelle, verbunden ist, wobei durch „im Wesentlichen“ eine maximale Relativbewegung von Welle und erstem Klauenkupplungsteil zueinander zugelassen sein soll, die kleiner als 15°, insbesondere kleiner als 10°, ganz insbesondere kleiner als 5° ist. In einem Ausführungsbeispiel beträgt die maximal zulässige Relativbewegung des ersten Klauenkupplungsteils 12,5°. Insbesondere tritt diese Relativbewegung nur bei einem sehr großen anliegenden Drehmoment auf das erste Klauenkupplungsteil auf, wie es bei einem schlagartigen Bremsvorgang auftreten kann.
Unter „der zweite Klauenkupplungsteil ist im Wesentlichen drehfest bezogen auf die Werkzeugmaschine angeordnet“ ist zu verstehen, dass eine maximale Relativbewegung von dem Bestandteil der Werkzeugmaschine, an dem das zweite Klauenkupplungsteil befestigt ist, und dem zweiten Klauenkupplungsteil zueinander zugelassen sein soll, die kleiner als 30°, insbesondere kleiner als 10°, ganz insbesondere kleiner als 5° ist. In einem Ausführungsbeispiel beträgt die maximal zulässige Relativbewegung des zweiten Klauenkupplungsteil 15°.
Unter „axial beweglich/unbeweglich“ ist zu verstehen, dass der erste Klauenkupplungsteil in axialer Richtung der Welle, insbesondere der Abtriebswelle, verschiebbar bzw. unverschiebbar gelagert ist.
Unter „Verzahnungselementen“ sind konstruktiv bedingte Vorsprünge sowohl des ersten Klauenkupplungsteils als auch des zweiten Klauenkupplungsteils zu verstehen, die dazu vorgesehen sind, miteinander in Eingriff gebracht zu werden. Dabei bilden die Verzahnungselemente eines Klauenkupplungsteils gleichzeitig Verzahnungselemente des anderen Klauenkupplungsteils aufnehmende Ausnehmungen aus, sodass bei Interaktion der Klauenkupplungsteile Vorsprünge (Verzahnungselemente) und Ausnehmungen (Vertiefungen zwischen benachbarten Verzahnungselementen) komplementär zu einander angeordnete Paare bilden. Die Verzahnungselemente werden im Falle eines Bremsvorgangs derart miteinander in Eingriff gebracht, dass durch Momentübertragung zwischen dem mit der Welle im Wesentlichen drehfest angeordneten (mitrotierenden) erstem Klauenkupplungsteil und dem gegenüber der Welle zumindest im Wesentlichen drehfest an der Werkzeugmaschine angeordneten zweiten Klauenkupplungsteil eine Momentübertragung erzeugbar ist, die der Rotationsbewegung des ersten Klauenkupplungsteil entgegenwirkt und derart die Rotation der Welle bremst, insbesondere bremst oder stoppt. In einer Ausführungsform sind die Verzahnungselemente äquidistant und insbesondere derart am jeweiligen Klauenkupplungsteil vorgesehen, dass sie - bezogen auf die Drehachse der Welle, insbesondere der Abtriebswelle, drehsymmetrisch zu dieser angeordnet sind. Derart kann ein Winkelabstand Δ zwischen benachbarten Verzahnungselementen definiert werden, wobei der Winkelabstand Δ den von der Drehachse der Welle aus beobachteten Winkel Δ zwischen diesen beiden Verzahnungselementen darstellt. Sind zwei Verzahnungselemente beispielsweise gegenüberliegend - bezogen auf die Drehachse der Welle - zueinander an einem Klauenkupplungsteil angeordnet, so beträgt ihr Winkelabstand Δ 180°. Bei einem Winkelabstand von 360° weist ein Klauenkupplungsteil somit lediglich ein Verzahnungselement auf, bei einem jeweiligen Winkelabstand von 180° hingegen zwei Verzahnungselemente und bei einem jeweiligen Winkelabstand von 40° neun Verzahnungselemente.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass bei einer Auslegung der Bremsvorrichtung der Sicherheitsbremsvorrichtung eine Anzahl und Verteilung der Verzahnungselemente - insbesondere bezogen auf einen im Wesentlichen kreisförmigen Umfang eines jeweiligen Klauenkupplungsteils (definiert durch die Umlaufrichtung der Verzahnungselemente bei einer Rotation eines Klauenkupplungsteils) - von signifikanter Bedeutung ist, um Vorgaben einer maximal tolerierbaren Reaktionszeit der Bremsvorrichtung (Bremszeit) zu erreichen.
Insbesondere ist der Winkelabstand Δ zwischen benachbarten Verzahnungselementen einerseits möglichst klein zu wählen, um eine hohe Anzahl von Verzahnungselementen vorsehen zu können. Die hohe Anzahl von Verzahnungselementen ermöglicht es, den Drehwinkel zu reduzieren, um den sich die Welle samt erstem Klauenkupplungsteil drehen muss, bis zwei Verzahnungselemente des ersten und des zweiten Klauenkupplungsteils in Eingriff stehen. Der kleine Drehwinkel entspricht einer geringen Bremsdauer Δt (d.h. maximal tolerierbaren Bremsdauer oder Reaktionszeit), bis die beiden Klauenkupplungsteile bei einem Bremsvorgang miteinander in Eingriff gebracht sind. Allerdings bewirkt eine hohe Anzahl von Verzahnungselementen auch eine geringe Breite der Verzahnungselemente (in Umlaufrichtung) und somit eine verringerte Stabilität der Verzahnungselemente. Insbesondere eine zu geringe Breite der Verzahnungselemente kann dazu führen, dass ein Fertigungsverfahren nicht mehr wirtschaftlich durchgeführt werden kann und/oder dass die Verzahnungselemente während eines Bremsvorgangs verformen oder gar brechen. Eine optimierte Anordnung betreffend Anzahl, Winkelabstand und Breite der Verzahnungselemente ist daher wünschenswert.
Erfindungsgemäß ist ein maximaler Winkelabstand Δ_max von zueinander benachbarten Verzahnungselementen des ersten Klauenkupplungsteils und/oder des zweiten Klauenkupplungsteils in Abhängigkeit von einer maximalen Drehzahl der Welle, insbesondere der Abtriebswelle, bestimmt. Der „maximale Winkelabstand Δ_max “ bezeichnet dabei den größten beobachtbaren Abstand von zwei benachbarten Verzahnungselementen - bezogen auf die Drehachse des entsprechenden Klauenkupplungsteils und somit bezogen auf die Rotationsachse der Welle, insbesondere der Abtriebswelle. Die „maximale Drehzahl“ der Welle, insbesondere der Abtriebswelle, ist eine durch die Konstruktion und Parametrisierung der Werkzeugmaschine vorgegebene Größe. Beispielsweise beträgt die maximale Drehzahl einer exemplarischen Handkreissäge 5000 Umdrehungen pro Minute (U[rpm], entsprechend 83,3 Umdrehungen pro Sekunde (U[rps])). Somit wird eine speziell und besonders an die Parametrisierung oder Auslegung der Werkzeugmaschine angepasste Bremsvorrichtung der Sicherheitsbremsvorrichtung vorgeschlagen. Dabei definiert der maximale Winkelabstand Δ_max zweier benachbarter Verzahnungselemente eine maximale Bremszeit im Sinne einer maximalen „Eingreifzeit“ der Verzahnungselemente während eines Bremsvorgangs, d.h. diejenige Zeit, die verstreicht, bis zwei Verzahnungselemente nach Auslösung eines Bremsvorgangs miteinander in Eingriff stehen und derart gegeneinander wirken, dass eine weitere Rotation der Welle, insbesondere der Abtriebswelle, gebremst oder blockiert wird. Eine hohe Anzahl von Verzahnungselementen bewirkt einen verhältnismäßig geringen Winkelabstand zwischen den einzelnen Verzahnungselementen (über den Umfang des Klauenkupplungsteils). Folglich können auch die Verzahnungselemente nur eine geringere Materialstärke in Rotationsrichtung (d.h. in Umfangsrichtung des Klauenkupplungsteils) aufweisen.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Sicherheitsbremsvorrichtung ist der maximale Winkelabstand Δ_max von zueinander benachbarten Verzahnungselementen des ersten Klauenkupplungsteils und/oder des zweiten Klauenkupplungsteils gegeben gemäß der Funktion Δ_max = U[rps] · 360° · Δt. Dabei ist der maximale Winkelabstand (in Umlaufrichtung) erfindungsgemäß abhängig von der maximalen Drehzahl U[rps] und einer vorgegebenen, insbesondere maximal zu tolerierenden, Bremsdauer Δt angebbar. In einer Ausführungsform beträgt Δt ≤ 5 Millisekunden, insbesondere Δt ≤ 3,0 Millisekunden, ganz insbesondere Δt ≤ 1,5 Millisekunden. In einem Ausführungsbeispiel beträgt Δt = 2,8 Millisekunden. Auf diese Weise kann eine besonders schnell reagierende Bremsvorrichtung der Sicherheitsbremsvorrichtung realisiert werden. Beispielsweise ergibt sich für eine exemplarische maximale Drehzahle von 83.3 U[rps] (hier: pro Sekunde - entsprechend 5000 U[rpm]) einer Handkreissäge und eine geduldete maximale Bremsdauer von Δt ≤ 1 Millisekunde ein maximaler Winkelabstand Δ_max von zueinander benachbarten Verzahnungselementen von gleich oder weniger als 30°. Die maximal zu tolerierenden Bremsdauern Δt beziehen sich lediglich auf die Interaktionszeit der beiden Klauenkupplungsteile, lassen jedoch weitere Zeitanteile - wie sie beispielsweise aus einer Verzögerung durch Auslösung des Aktorelements entstehen - außer Betracht. Erst mit den oben genannten, kurzen Bremsdauer können zufriedenstellende Gesamtbremszeiten (inkl. aller Zeitanteile ab Berührung, d.h. einschließlich Verzögerungen verursacht durch Sensorik, Aktorik und tatsächliche Bremsdauer Δt) der Werkzeugmaschine erreicht werden, die weniger als 10 Millisekunden, insbesondere weniger als 7 Millisekunden, ganz insbesondere weniger als 5 Millisekunden betragen. Es sei angemerkt, dass es sich bei den Zeitangaben jeweils um Angaben ohne Fertigungstoleranzen handelt.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Sicherheitsbremsvorrichtung ist die Anzahl α der Verzahnungselemente des ersten Klauenkupplungsteils und/oder des zweiten Klauenkupplungsteils gegeben gemäß der Funktion $α = \sqrt[γ]{ε /U [rpm]},$
mit der maximalen Drehzahl U[rpm] (hier: pro Minuten) und den Konstanten γ und ε, wobei insbesondere γ > 1,2 und ε > 80000, bevorzugt γ > 1,5 und ε > 170000, und besonders bevorzugt γ > 1,7 und ε > 300000. Auf diese Weise kann ein bevorzugtes Verhältnis der Verzahnungselemente in Abhängigkeit der maximalen Drehzahl und der gewünschten (d.h. maximal tolerierbaren) Bremsdauer Δt angegeben werden.
Folgende Tabelle fasst bevorzugte Anzahlen von Verzahnungselementen in Abhängigkeit einer maximalen Drehzahl U[rpm] zusammen (gerundete Werte):

U[rpm] geeignet bevorzugt besonders bevorzugt

2500 12 14 16

5000 8 10 12

10000 4 6 8

20000 3 4 5

30000 2 3 4
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Sicherheitsbremsvorrichtung ist das Verhältnis der Anzahl α der Verzahnungselemente des ersten Klauenkupplungsteils und des zweiten Klauenkupplungsteils (oder umgekehrt) ganzzahlig, insbesondere 1 oder 2 oder 3. In einer alternativen Ausführungsform kann dieses Verhältnis 4 oder 5 sein. Insbesondere von 1 abweichende Verhältnisse ermöglichen, insbesondere fertigungsbedingte Abweichungen zuzulassen. Beispielsweise kann es herstellungsbedingt erforderlich sein, dass aufgrund unterschiedlichen Herstellungsverfahren (schmieden, fleißpressen, sintern, etc.) die Klauenkupplungsteile unterschiedlich viele Verzahnungselemente besitzen.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Sicherheitsbremsvorrichtung ist eine maximale Breite β (in Umlaufrichtung gesehen) der Verzahnungselemente des ersten Klauenkupplungsteils und/oder des zweiten Klauenkupplungsteils in Abhängigkeit von der Anzahl der Verzahnungselemente bestimmt. Insbesondere ist die maximale Breite β der Verzahnungselemente (d.h. in Umlaufrichtung ermittelt) des ersten Klauenkupplungsteils und/oder des zweiten Klauenkupplungsteils gegeben gemäß der Funktion β = θ · α^-σ, wobei insbesondere θ ≅ 218 und σ ≅ 1,311. Somit kann realisiert werden, dass die Verzahnungselemente eine vorteilhafte Breite aufweisen, die in einem Herstellprozess auf einfache Weise realisierbar ist. Ferner kann sichergestellt werden, dass die Breite der Verzahnungselemente derart gewählt ist, dass bei bevorzugter Anzahl der Verzahnungselemente deren Breite nicht zu gering gewählt ist, sodass ein Brechen der Verzahnungselemente während eines Bremsvorgangs vermieden werden kann.
Folgende Tabelle fasst bevorzugte Breiten von Verzahnungselementen in Abhängigkeit ihrer Anzahl zusammen (gerundete Werte):

Anzahl Breite [°]

8 15,0

12 8,7

16 5,8

20 4,1

24 3,2

28 2,6

32 2,3

36 2,1

40 2,0
Durch die erfindungsgemäße Auslegung der Sicherheitsbremsvorrichtung hinsichtlich einer Anzahl und Verteilung der Verzahnungselemente, welche während eines Bremsvorgangs in Eingriff gebracht werden, in Abhängigkeit von der Drehzahl einer Abtriebswelle einer Werkzeugmaschine, in welcher die Sicherheitsbremsvorrichtung eingesetzt wird, kann eine besonders vorteilhafte Bremswirkung oder Bremseffektivität unter Berücksichtigung der Robustheit, Reaktionszeit, Bremszeit etc. der Bremsvorrichtung erreicht werden. Insbesondere kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Bremsvorrichtung der Sicherheitsbremsvorrichtung auf konstruktiv besonders einfache Weise eine besonders hohe Bremseffektivität, d.h. eine besonders kurze Zeit zwischen Auslösung des Bremsvorgangs bis zum Stillstand des Bearbeitungswerkzeugs, erreicht werden. Die Bremsvorrichtung reagiert besonders schnell nach Auslösung des Aktorelements, um Verletzungen des Bedieners im Falle eines Eingriffs in das sich bewegende Bearbeitungswerkzeug zu vermeiden oder gänzlich auszuschließen. Ferner kann die Bremsvorrichtung der Sicherheitsbremsvorrichtung konstruktiv besonders einfach und daher auch besonders zuverlässig realisiert sein.
Ferner betrifft die Erfindung eine Werkzeugmaschine, insbesondere eine Handwerkzeugmaschine, insbesondere eine Handkreissäge mit einem als Kreissägeblatt ausgebildeten Bearbeitungswerkzeug, umfassend eine erfindungsgemäße Sicherheitsbremsvorrichtung. Auf diese Weise wird zum Abbremsen einer Bewegung, insbesondere einer Rotation, des Bearbeitungswerkzeugs eine besonders kurze Bremszeit, ermittelt zwischen einem Auslösen eines Bremsvorgangs bis zum Stoppen des Bearbeitungswerkzeugs (= Eingreifzeit der Klauenkupplung), erreicht. Insbesondere beträgt diese maximale Bremszeit Δt ≤ 5 Millisekunden, insbesondere Δt ≤ 3,0 Millisekunden, ganz insbesondere Δt ≤ 1,5 Millisekunden. Somit kann die Sicherheit eines Benutzers der Werkzeugmaschine deutlich erhöht werden.
In einem Ausführungsbeispiel der Werkzeugmaschine weist diese ferner eine Sensorplatte auf, die eine Annäherung oder Berührung des Bearbeitungswerkzeugs durch einen Benutzer, insbesondere einen Kontakt menschlicher Haut mit dem Bearbeitungswerkzeug, detektiert. Eine Elektronik der Werkzeugmaschine bestromt nach dem Detektieren einer Annäherung oder Berührung des Bearbeitungswerkzeugs durch einen Benutzer das Aktorelement, welches einen Bremsvorgang auslöst. Das Aktorelement kann in einem Ausführungsbeispiel als eine Hubeinheit ausgebildet sein, welche zumindest einen der zwei Klauenkupplungsteile der Klauenkupplung aktiv bewegt, um die beiden Klauenkupplungsteile bei einem Bremsvorgang miteinander in Eingriff zu bringen und derart eine Rotation der Welle zu stoppen, insbesondere zu blockieren. Dabei wird unter einer „Hubeinheit“ ein oder mehrere Elemente verstanden, welche bei Anlegen einer Aktivierungsenergie, beispielsweise in Form eines elektrischen Stroms, in der Lage sind, sich axial schlagartig auszudehnen und zumindest ein Klauenkupplungsteil der Klauenkupplung schlagartig, insbesondere in weniger als 5 Millisekunden, axial zu bewegen, um die beiden Klauenkupplungsteile miteinander in Eingriff zu bringen. Derartige Hubeinheiten oder auch andere Aktorelemente sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt.
Figurenliste
Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche Elemente.
Es zeigen:

1: eine erfindungsgemäße Werkzeugmaschine in perspektivischer Darstellung,
2: eine Schnittdarstellung durch Teile der Werkzeugmaschine samt erfindungsgemäßer Sicherheitsvorrichtung und Bremsvorrichtung in schematischer Darstellung,
3: eine erfindungsgemäße Bremsvorrichtung in schematischer Darstellung.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Werkzeugmaschine 10, realisiert als Handkreissäge 10a. Es sei darauf hingewiesen, dass die Ausführungen nicht auf eine Handkreissäge 10a beschränkt zu verstehen sind, sondern die den Ausführungen zu Grunde liegenden technischen Lehren prinzipiell auch auf beliebige andere, einem Fachmann sinnvoll erscheinende Werkzeugmaschinen, insbesondere beispielsweise Bohrmaschinen, Rasenmäher, Motorsensen oder dergleichen übertragbar sind.
Die Handkreissäge 10a umfasst ein erstes Gehäuse, welches als Motorgehäuse 12 ausgebildet ist, und ein zweites Gehäuse 14. Die Handkreissäge 10a weist einen Handgriff 16 und eine Grundplatte 18 zur Führung der Handkreissäge 10a auf. Die Handkreissäge 10a weist zu ihrer Energieversorgung einen Netzanschluss (hier nicht näher dargestellt) auf. In einer alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform der Handkreissäge 10a kann auch ein stromnetzunabhängiger Betrieb der Handkreissäge 10a unter Verwendung eines Akkumulators vorgesehen sein.
Das Motorgehäuse 12 umschließt einen Innenraum, in dem zumindest ein Motor 22 in Form eines elektromotorischen Antriebs angeordnet ist. Wie in 2 dargestellt, treibt der Motor 22 über eine Motorwelle 24 und eine Welle 26, insbesondere eine Abtriebswelle, ein Bearbeitungswerkzeug 28 (vgl. 1) bei einem Arbeitsvorgang drehend an. Das Bearbeitungswerkzeug 28 ist hier als Sägeblatt, insbesondere als Kreissägeblatt, ausgebildet. Eine Sägeblattabdeckung 30 schützt vor einer Berührung des Bearbeitungswerkzeugs 28 und vor durch das Bearbeitungswerkzeug 28 ausgeschleuderte Werkstückspäne eines Werkstücks (vgl. 1).
Eine Sicherheitsbremsvorrichtung 32 ist zum Bremsen des Bearbeitungswerkzeugs 28 vorgesehen, sobald eine Berührung oder Annäherung eines menschlichen Körperteils, wie beispielsweise einer Hand, mit einem Sensor 34 der Handkreissäge 10a detektiert wird. Der Sensor 34 ist in diesem Ausführungsbeispiel durch einen kapazitiv messenden Sensor realisiert. Der Sensor 34 ermöglicht eine Detektion eines sich dem Bearbeitungswerkzeug 28 nähernden Körperteils auf Grund kapazitiver Messungen (beispielsweise mittels eines Wechselfelds), wobei in Folge einer Detektion ein Detektionssignal erzeugt und an eine Steuervorrichtung der Handkreissäge 10a ausgegeben wird (Kabelverbindung in 2 zwischen Sensor 34 und Elektronik 102).
Die Sicherheitsbremsvorrichtung 32 umfasst ein Aktorelement 36, welches dazu vorgesehen ist, in Folge einer Detektion einer Berührung oder einer Annäherung eines menschlichen Körperteils an das Bearbeitungswerkzeug 28 einen Bremsvorgang auszulösen. Dabei wird, ausgelöst durch Empfang des Detektionssignals von dem Sensor 34, von einer hier nicht näher dargestellten Elektronik 102 der Sicherheitsbremsvorrichtung 32 ein Stromfluss durch das Aktorelement 36 initiiert, in Folge dessen das Aktorelement 36 einen Bremsvorgang auslöst, indem das Aktorelement 36 auf die ordnungsgemäße Funktionalität (d.h. die Rotation) der Welle 26 einwirkt und diese bremst oder stoppt.
2 zeigt ferner ein auf der Motorwelle 24 angeordnetes erstes Zahnrad 38, welches mit einem auf der Welle 26 angeordneten zweiten Zahnrad 40 kämmt. Derart bilden erstes Zahnrad 38 und zweites Zahnrad 40 eine Sicherheitskupplung sowie eine Getriebestufe. Insbesondere schützt die Sicherheitskupplung den Motor 22 vor einem Schaden, der durch ein Blockieren des Bearbeitungswerkzeugs hervorgerufen werden kann. Ferner kann mittels der Sicherheitskupplung die während eines Bremsvorgangs zu bremsende Masse und Energie verringert werden, indem die Motorwelle 24 von der Welle 26 entkoppelt wird. Derart kann eine besonders kurze Bremszeit ermöglicht werden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Sicherheitskupplung dazu vorgesehen, bei Überschreiten eines Schwellwerts des übertragenen Drehmoments von mindestens 5 Nm, maximal 12 Nm, bevorzugt 10 Nm, die Motorwelle 24 von der Welle 26 zu entkoppeln.
Die Sicherheitsbremsvorrichtung 32 umfasst ferner eine Bremsvorrichtung 42 zum Bremsen des mittels des Motors 22 über die Welle 26 angetriebenen Bearbeitungswerkzeugs 28 bei einer Annäherung oder Berührung des Bearbeitungswerkzeugs 28 durch einen Benutzer. Die Bremsvorrichtung 42 ist als zumindest zweiteilige Klauenkupplung mit einem ersten Klauenkupplungsteil 44 und einem zweiten Klauenkupplungsteil 46 ausgebildet, wobei der erste Klauenkupplungsteil 44 auf der Welle 26 im Wesentlichen drehfest und axial beweglich angeordnet ist. Der zweite Klauenkupplungsteil 46 ist im Wesentlichen drehfest, insbesondere im Wesentlichen unbeweglich, bezogen auf die Werkzeugmaschine, d.h. bezogen auf das Motorgehäuse 12, angeordnet. Der erste Klauenkupplungsteil 44 und der zweite Klauenkupplungsteil 46 weisen jeweils mehr als ein Verzahnungselement 48 auf, die dazu vorgesehen sind, bei einem Bremsvorgang ineinander in Eingriff zu stehen (vgl. 3) und derart eine Rotation der Welle 26 zu bremsen, insbesondere zu stoppen.
Bei einem Bremsvorgang wird das erste Klauenkupplungsteil 44 in Richtung des zweiten Klauenkupplungsteils 46 axial entlang der Welle 26 bewegt (in Richtung 100). Durch die axiale Bewegung des ersten Klauenkupplungsteils 44 zu dem zweiten Klauenkupplungsteil 46 wird eine Kupplung von erstem Klauenkupplungsteil 44 und zweitem Klauenkupplungsteil 46 durchgeführt, d.h. die Kupplung wird geschlossen. Die Verzahnungselemente 48 des ersten Klauenkupplungsteils 44 und des zweiten Klauenkupplungsteils 46 greifen folglich ineinander und bilden einen Formschluss. Auf Grund des Formschlusses wirkt ein der Rotation der Abtriebswelle entgegen gerichtetes Drehmoment zwischen erstem Klauenkupplungsteil 44 und zweitem Klauenkupplungsteil 46. Folglich wird die Rotation der Abtriebswelle und des ersten Klauenkupplungsteils 44 gebremst, insbesondere gestoppt oder blockiert.
Im Ausführungsbeispiel der 2 wird das erste Klauenkupplungsteil 44 mittels des Aktorelements 36 axial bewegt. Das Aktorelement 36 ist hier als eine Hubeinheit ausgebildet, welche, ausgelöst durch einen Stromfluss durch die Hubeinheit, eine Hebelbewegung ausführt, wobei der erste Klauenkupplungsteil 44 in axialer Richtung 100 bewegt wird. Die Hebelbewegung findet in einer Zeit unter 5ms, insbesondere unter 1,5 ms, statt.
In 3 ist die Bremsvorrichtung 42 vergrößert und auf die wesentlichen Bauteile reduziert dargestellt. Die Bremsvorrichtung 42 weist zumindest ein erstes Klauenkupplungsteil 44 und ein zweites Klauenkupplungsteil 46 auf. Beide Klauenkupplungsteile 44, 46 weisen Verzahnungselemente 48 auf, zwischen denen sich jeweils Ausnehmungen 50 befinden. Das Verhältnis der Anzahl α der Verzahnungselemente 48 des ersten Klauenkupplungsteils 44 zu der Anzahl α der Verzahnungselemente 48 des zweiten Klauenkupplungsteils 46 beträgt eins (gleiche Anzahl, jeweils acht). Ein maximaler Winkelabstand Δ_max von zueinander benachbarten Verzahnungselementen 48 des ersten Klauenkupplungsteils 44 und des zweiten Klauenkupplungsteils 46 ist in Abhängigkeit von einer maximalen Drehzahl der Welle 26 bestimmt. Die maximalen Drehzahl der Welle 26 in beschriebenem Ausführungsbeispiel beträgt 5000 Umdrehungen pro Minute. Der maximale Winkelabstand Δ_max ist hier gemäß der Funktion Δ_max = U[rps] · 360° · Δt gegeben, wobei eine maximal zu tolerierende Bremsdauer Δt (ab Auslösung des Aktorelements) weniger als 1,5 Millisekunden betragen soll. Demnach ergibt sich als maximaler Winkelabstand Δ_max von zueinander benachbarten Verzahnungselementen 48 des ersten Klauenkupplungsteils 44 und des zweiten Klauenkupplungsteils 46 jeweils 45°.
Ferner ist die Anzahl α der Verzahnungselemente 48 des ersten Klauenkupplungsteils 44 und des zweiten Klauenkupplungsteils 46 gemäß der Funktion $α = \sqrt[γ]{ε /U [rpm]}$
gegeben, mit den Konstanten γ = 1,377 und ε = 79606, sodass sich die Anzahl zu (gerundet) acht ergibt. Die Breite β (maximale Breite in Umlaufrichtung oder Rotationsrichtung) der Verzahnungselemente 48 des ersten Klauenkupplungsteils 44 und des zweiten Klauenkupplungsteils 46 ist in Abhängigkeit von der Anzahl (acht) der Verzahnungselemente 48 definiert und beträgt gemäß der Funktion β = θ · α^-σ mit θ ≅ 218 und σ ≅ 1,311 ca. fünfzehn Grad.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008054694 A1 [0002]

Claims

Sicherheitsbremsvorrichtung für eine Werkzeugmaschine zum Bremsen eines mittels eines Motors über eine Welle, insbesondere eine Abtriebswelle, angetriebenen Bearbeitungswerkzeugs, aufweisend zumindest eine Bremsvorrichtung, die als zumindest zweiteilige Klauenkupplung mit einem ersten Klauenkupplungsteil und einem zweiten Klauenkupplungsteil ausgebildet ist, wobei der erste Klauenkupplungsteil auf der Welle im Wesentlichen drehfest angeordnet ist und wobei der zweite Klauenkupplungsteil dazu vorgesehen ist, im Wesentlichen drehfest bezogen auf die Werkzeugmaschine angeordnet zu sein, und der erste Klauenkupplungsteil und der zweite Klauenkupplungsteil jeweils mehr als ein Verzahnungselement aufweisen, die dazu vorgesehen sind, bei einem Bremsvorgang ineinander in Eingriff zu stehen und derart eine Rotation der Welle zu bremsen, insbesondere zu stoppen, dadurch gekennzeichnet, dass ein maximaler Winkelabstand Δ_max von zueinander benachbarten Verzahnungselementen des ersten Klauenkupplungsteil und/oder des zweiten Klauenkupplungsteil in Abhängigkeit von einer maximalen Drehzahl der Welle bestimmt ist.
Sicherheitsbremsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Winkelabstand Δ_max von zueinander benachbarten Verzahnungselementen des ersten Klauenkupplungsteils und/oder des zweiten Klauenkupplungsteils gegeben ist gemäß der Funktion U[rps] · 360° · Δt = Δ_max, mit der maximalen Drehzahl U[rps] pro Sekunde und mit einer maximalen Bremsdauer Δt, wobei insbesondere Δt ≤ 5 Millisekunden, bevorzugt Δt ≤ 3 Millisekunden, besonders bevorzugt Δt ≤ 1,5 Millisekunden.
Sicherheitsbremsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis einer Anzahl α der Verzahnungselemente des ersten Klauenkupplungsteils und des zweiten Klauenkupplungsteils ganzzahlig ist, insbesondere 1 ist.
Sicherheitsbremsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl α der Verzahnungselemente des ersten Klauenkupplungsteils und/oder des zweiten Klauenkupplungsteils gegeben ist gemäß der Funktion $α = \sqrt[γ]{ε /U [rpm]},$
mit der maximalen Drehzahl U[rpm] pro Minute und den Konstanten γ und ε, wobei insbesondere γ > 1,2 und ε > 80000, bevorzugt γ > 1,5 und ε > 170000, und besonders bevorzugt γ > 1,7 und ε > 300000.
Sicherheitsbremsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine maximale Breite der Verzahnungselemente des ersten Klauenkupplungsteils und/oder des zweiten Klauenkupplungsteils in Abhängigkeit von einer Anzahl α der Verzahnungselemente bestimmt ist.
Sicherheitsbremsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine maximale Breite der Verzahnungselemente des ersten Klauenkupplungsteils und/oder des zweiten Klauenkupplungsteils gegeben ist gemäß der Funktion β = θ · α^-σ, wobei insbesondere θ ≅ 218 und σ ≅ 1,311.
Werkzeugmaschine, insbesondere Handwerkzeugmaschine, mit einer Sicherheitsbremsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6.