专利名称：将固定元件打入底座中的设备和该设备的应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分所述的将固定元件打入底座中的设备以及一种根据权利要求26前序部分所述的该设备应用，该设备借助所述固定元件将零部件固定在底座上。
已公知了大量此类设备，它们借助诸如销、铆钉、钉等固定部件将不同的零部件固定在不同形式的底座上。根据实施形式不同，这些设备的工作方式有单独运行式、半自动或全自动式。所有设备构造基本上相同。一工作活塞通过机械方式或在介质的压力下，例如在高温过程中产生的气压下起动(加速)。该工作活塞驱动所述固定元件。此外，这些设备具有附加装置，它们满足一定的附加功能或保证其功能或操作。这种附加装置的一个例子是在打入过程之后的工作活塞的复位。其他附加装置例如起导引固定元件和减震或缓冲的作用。还有一些诸如壳体件的零部件完成功能上处于从属的任务。
本发明的目的在于-提供一种本文开头所述种类的设备，它设计成能最优地满足基本功能和不同的附加功能；使得在该设备的构造和应用中可以有大量变型；-提出一种该设备的应用。
本发明的目的是通过权利要求1和权利要求26中特征部分所述特征来实现的。本发明的设备的有利构造和优选实施例由与独立权利要求1有关的从属权利要求给出。
下面借助实施例和附图对本发明的原理和本发明所取得的优点进行详细说明。在此不仅本发明而且打入技术的基本理论和现有技术都得到阐述。附图中
图1为一种现有的由基本零部件组成的设备的简化示意图；图2示出另一现有设备；图3A示出本发明的设备，其中，工作活塞位于其初始位置，即在工作冲程之前；
图3B示出图3A所示设备，其中，工作活塞位于其终端位置，即在工作冲程之后和在复位之前；图4A和4B示出本发明设备的两种变型，其中冲程限制方式有所变化；图5A至5F示出具有不同实施形式的机械复位装置的多个设备；图6示出一种具有一构造成台阶式托板的活塞托板的设备；图7A和7B示出在活塞托板的固定区域内具有活塞轴的加固件的设备；图8示出图3A所示设备的一种变型，它具有一特殊实施形式的工作活塞；图9示出图3A所示设备的另一种变型，它具有另一特殊实施形式的工作活塞；图10A至10E示出在结构上有可能改变工作活塞的工作冲程的设备；图11A至11C示出三种设备，它们具有配置图5E所示复位弹簧的实施例；图12A和12B示出两个带有具有阻尼元件的工作活塞的实施例；图13A和13B示出两种具有串联系统的的设备；其中工作活塞包含一副活塞；图14A和14B示出两种设备，其中工作活塞电磁驱动。
在此应该指出，在不同设备中安装的满足相应功能的零部件，根据设备不同具有不同的附图标记；而且在各个设备中不是所有的组成部分都有附图标记。
图1示出一现有设备的基本零部件。在一壳体1中，借助一驱动介质2起动(加速)一工作活塞3。该工作活塞3驱动一待打入的固定元件4(例如一钉子或销)通过或为一带固定的零部件5而进入一底座6，该零部件5借助固定元件4固定在底座6上。工作活塞3在一活塞导引套7内运动。工作活塞3的复位由一还用作冲程限制件的阻尼装置9实现。工作活塞3具有一活塞轴10和一活塞托板11。通过一密封元件12来实现与在活塞托板11后的施加介质的腔2的密封。待打入的固定元件4基本上由一销轴4a、一销母14和一导引段15组成。一附加装置用作销匣13。活塞轴10和固定元件4在一轴导引套16内运动。通过一控制装置17来进行控制。一壳体18形成一从属部件。一阻尼元件19位于活塞导引套7和一装配套20之间。
影响这类设备功率的性能是工作活塞效能和活塞做功路径或工作活塞冲程。工作活塞功率主要由工作活塞的质量mk和活塞速度vk确定。活塞能Ek和活塞动量Ik在起动(加速)工作活塞时和在打入过程中传递到所述固定元件上和所述壳体上。活塞能Ek和活塞动量Ik按下式计算Ek=mk/2vk2Ik=mkvk固定元件的性能(以在打入过程中总有足够的形状稳定性为前提)可以由所期望的在底座内的打入深度和由打入通道的种类所说明或定义。假设为了底座内排挤体积元V所需的动能E近似保持为常数(在终段弹道学中该假设作为所谓的Cranz’sches模拟定律有其他扩展)，那么从关系式E／V=k式中k为一常数，得出打入功率的最基本准绳，由此得到对所述设备的基本思路。下面以一相对简单的例子来说明这一点。
设销有某一确定的打入深度，那么工作活塞为此所需的动能例如可根据Richter的理论(它在ISL中得到进一步发展)来估算。该理论针对钻入的有不同销尖形或尖拱形的刚性芯核，除材料强度外还考虑惯性力和摩擦力；该本来针对均质目标提出的理论也已扩展到带有多层结构的目标，在“ISL报告，R120／83”上由K．Hoog在论文“用于不可变形的尖拱形子弹的铠装公式及其向可变形射弹的扩展(Eine Panzerformel fuer unverformbareOgivalgeschosse und ihre Erweiterung auf verformbare Projektile)”中对此作了说明。该理论是对不变形穿透物的终段弹道学问题的分析处理的归纳。当在结构钢制的底座内打入深度为10mm，销的直径为4mm，其顶部为尖拱形，并假设该尖拱形部是细长的，那么有下式E／V≈2因此为了打入这个销子，需要0．25kJ的能量。该能量例如可以由一质量等于该销子质量和具有0．1kg重的工作活塞的设备以72m／s的速度来获得，或可以由一质量两倍于该销子质量和具有0．2kg重的工作活塞的设备以约50m／s的速度来获得。根据Richter的理论，在能量恒定时，钻入功率随碰撞速度的减低而增加，并且当碰撞速度根据上述例子从72m／s降到约50m／s时增加约20％；由于能量需求小，因此对在较低碰撞速度时给定的打入深度，碰撞速度不是50m／s，而是约40m／s。这一关系必须在考虑本设备的工作活塞的质量和速度时要予以重视。相应的考虑因此也是有意义的，因为联系到一个可能出现的弯曲(对此下面还将讨论)可以指出，不应超过一由设备所确定的临界速度或对所述设备概念要确定动态参数的极限值。
与根据预定的活塞能量时的有利活塞速度的问题有关，也应考虑到工作活塞和所讨论的设备之间的相互作用。为此进行下述考虑设活塞和壳体的质量比为1∶10，或活塞质量为0．1kg，壳体质量为1kg，以及活塞速度为30m／s，那么根据活塞和壳体的动量守恒这一事实，在工作活塞起动(加速)后壳体的返回速度为3m／s。活塞的动能为45J，壳体的动能为4．5J，因此动能和为49．5J。总动能与壳体的动能之比为49．5／4．5，或约为11。如果活塞质量提高到0．2kg，同时壳体质量下降到0．9kg，以便不改变总质量，那么当总能量保持不变和考虑到活塞和壳体的冲量必须相同，就得出活塞速度为20m／s，壳体的返回速度为4．5m／s。此时活塞的动能为40．5J，壳体的动能为9J。总动能与壳体的动能之比相应为49．5／9或约为5．5。这就意味着在工作活塞的质量从0．1kg翻倍到0．2kg时，作为反冲能量传递到壳体的能量也翻倍，即从占总能量的10％增加到占总能量的20％。
所述能量虽然可获得一高的活塞速度，但与上面阐述的Richter的理论相反。根据Richter的理论优选采用低速度。此外在实践中，结构因素引起的活塞质量变化而导致的工作活塞和壳体之间的极其微小的质量差应视作上面提及的质量差，因此当活塞速度下降时工作活塞和壳体的能量之比仅仅可以下降3％至5％。因此根据Richter理论进行的终段弹道学方面的讨论尤其适用于小的活塞速度。在此还要考虑到弯曲和许可的材料应力，这两者同样限制活塞速度。这些考虑也表明通过将质量或能量分布到壳体的冲击负荷上可以看出其影响。
对设备和材料方面问题的处理和相应的计算通常最好对其动力学行为例如可通过解析关系式描述的材料来进行。下述打入过程是十分复杂和难于处理和计算的过程，即将给定固定元件或销子打入不均质的和非金属质的底座例如混凝土，尤其是加固的混凝土、带有石子杂质的混凝土，多孔和脆性或坚硬的材料，以及多层结构的过程。在打入固定元件或销子时，另一技术方面比较棘手的问题出现在待固定的零部件(例如装罩、绝缘垫或金属板)和底座在结构和机械性能方面差异很大。
从上面对问题的说明中必定得出，所述设备的基本部件，即工作活塞单元必须这样设计和构造，使得它们适应出现的不同的使用条件。此外，该工作活塞单元在不改变所述原理或借助相对简便地改变单个零部件的条件下就能最优地满足不同的要求。上述要求还因为要遵守变化着的安全标准而强化。
打入功率、不同材料配对时的工作可靠性和预定的要保持的打入深度，以及各个设备组件可变性是获得最优技术方案的重要前提。
在迄今为止公知的设备中，一个特殊问题在于所要求的工作活塞的制动。在处理这一问题时必须区分实际上打入了固定元件的打入过程和没有打入固定元件的打入过程；后者为设备制造商所担心，并称作为“空射”。这些空射例如当在拆开所述设备时没有可打入的固定元件时出现，或当设置的底座是一空腔(例如缝隙)或具有一空腔时出现。众所周知，在打入过程中，一部分活塞能量或活塞冲量传递到固定元件和底座。工作活塞的制动和保持一定的打入深度在此发挥作用。在空射时，设备中的活塞总能量必须自动补偿。这通常在所涉及的设备部件中导致峰载荷，并需要相应的阻尼装置或设置活塞制动器。
在手工操作的设备中，该阻尼问题具有重大意义；其解决方案需要各个设备部件技术上均衡协调，并且其目标是只会出现不可避免的外力或使载荷端面得到最优化。在不是为手工操作设置的设备中没有这一要求。但是在此要考虑的是，在基本上放弃阻尼装置或阻尼元件条件下，在有些设备零部件中的应力升高，这在设计设备时要予以考虑。
本发明不仅考虑上面讨论过的理论性阐述，还考虑所有与实现该设备有关的观点。这就意味着所述新设备在工作活塞的结构范围内不仅以最优的方式满足此范围内的所有技术要求，而且在各个关系上容许最大可能地改变可供选择的设计方案。因此，该新设备例如传动机构必须最优化，该传动机构可能是机械的、热解的、气动的或电气的。此外，该新设备建造成有一个迄今为止还没有实现的最小设备长度，它实际上仅由所期望的打入深度确定。此外，该新设备具有一设计方案，它容许差异极大地实施该设备；该设备既可制造成手动设备，也可制造成满足苛刻要求的设备或根据完全确定的预先规定制造；例如用作重载荷设备，它将较大尺寸的固定元件打入钢结构，或用于生产机器人中，但也具有特别轻的或小型化的设计结构。
另一对设计该设备重要的要求是使用时设备的坚固程度。
同样期望制造出性能完好的设备，并且不需要采用特种材料。这些材料在大多数情况下只在很窄的使用范围内适用，并且可靠程度相应很低，成本高，经常在一段较长的时间内难以得到，难于加工，在与其他材料组合时常常出现问题。一个高标准的、可广泛采用的、同时成本低的解决方案的前提是各个零部件要求最少的机械加工和基本上避免代价高昂的材料处理和表面加工。
在自动运作的设备中，必须保证工作活塞在每一打入过程之后都复位。为此公知了一系列方法，从经过金属弹簧元件的废气活塞复位件(Hilti)到由弹性材料制成的复位弹簧(Wuerth)。具有废气活塞复位件的系统在技术上相对要求高，在使用范围以及结构安全性方面受限。因此它们要求例如一产生气体的起动(加速)介质。此外在发生工作故障时或在边界范围内难于保证复位过程。对金属弹簧和弹性材料复位弹簧要保证的是它们在工作冲程中不抽取太多的能量，因此与所使用的能量相比不利地影响打入功率。此外，金属弹簧不容许过高的加速，因为在动负荷时材料的机械性能有限。另外，具有缓冲功能的弹性材料或橡胶类的复位元件还影响系统的安装长度，并要求一相对大的工作空间。此外，它们还象具有废气在循环系统的装置一样限制了结构造型余量。
原则上讲，复位装置或复位元件在功能上必须有保证，以便避免惯性力和打入过程的负面影响；质量应该小；在机械方面仅受自身负荷；只应产生相对小的复位力；要求小的安装空间和以简便的方式适应于技术变化(例如单个元件的更改)。
对于图1所示公知设备所属的设备种类来说，公知了一系列对工作活塞3进行阻尼或冲程限制和对整个设备进行阻尼的可能性。在迄今为止公知的解决方案中，活塞阻尼例如通过一位于阻尼和冲程限制装置9和活塞轴10之间的摩擦卡件(由Hilti提出)或通过轴向缓冲件(例如借助由Kellner／Wuerth提出的锥)来实现，其中工作活塞3的能量或冲量通过复位弹簧8传递到阻尼或冲程限制装置9上。这就决定性地限制了复位弹簧8的结构，在工作活塞3的功率有富余(正如例如在空射时出现的那样)情况下也导致在阻尼和冲程限制装置9和活塞轴10内的不许可的负荷。在借助阻尼和冲程限制装置9来卡住工作活塞轴10时不会产生确定的制动。此外，此类与摩擦相关的过程基本上不是同类，或在使用过程中承受因表面性质所加重的变化。
图2较深入地讨论由Kellner／Wuerth提出的阻尼问题的解决方案，它与当时的技术水平相吻合。在这一设备中的基本元件是通过活塞轴锥22来限制工作活塞21的路径限制件和一弹性材料复位弹簧27。为了制动工作活塞21，活塞轴锥22座落在一锥形环状元件25上。这一锥形环状元件25通过一缓冲元件26缓冲。开口角28a和28b确定活塞能量的径向和轴向分量。活塞轴锥22的面积由后活塞轴段23和前活塞轴段24的直径之比给出。在此可以看到，对材料应力起决定性作用的圆锥面积不能随意改变或扩大一方面它位于轴的附近，半径变化对面积的影响相对较小。前活塞轴段24的最小直径由在打入固定元件时的要求确定。后活塞轴段23的直径不能随意扩大，因为否则的话，为一复位元件27保留的工作空间就太小了。在这一点上必定得出活塞套相对较长。
如果选择较大的开口角28a或28b，那么活塞轴锥22的锥面就变小，其结果是材料受的应力迅速超过许用应力。当开口角28a或28b较小时，活塞能量的径向分量扩大。这导致在活塞轴锥22内有大的压应力。在锥形环状元件25内这一相对较高的径向分量在那儿导致高的拉应力。因此在这种解决方案中，只在有限程度上可对所述设备中所设置的受应力的工作区域内起决定性作用的参数进行匹配或优化。
原则上讲，借助诸如橡胶弹簧的弹性元件使工作活塞复位是一技术上有趣的解决方案。但这种解决方案具有两个缺点。首先在此出现长的活塞轴21，因为在活塞轴锥22之后由于复位元件27的功能还必须有一相应于所要求的活塞路径的后活塞轴段23；然而该工作活塞是所述设备中在应力方面是最关键的元件；因此所述活塞轴的长度也总是一决定性的准绳。第二，所述工作活塞在能量富余较多或空射时也是一关键元件，尤其在至较细的前活塞轴段24的过渡(Obergang)处的位置。该尤其在动态负荷时的关键位置使得在整个工作活塞上采用高价的材料成为必要，因此该工作活塞是一个要求非常高、同时又是十分昂贵的部件。相应的考虑也适用于所述锥形环状元件25。总之对这一解决方案而言，带有一活塞轴锥的工作活塞的结构以及所述锥形环状元件使最优化设计变得困难，并且只在有限程度上容许改变设备构造。
具有特别意义的是，这样来构造构造活塞，使得它具有足够的防止弯曲的能力，因为已经十分微小的构造活塞的轴偏差由于打入过程的动力学关系会导致所述设备失效。在细长体承受动负荷时，在防止弯曲方面要区分静态弯曲问题和动态弯曲问题。对静态弯曲问题，根据欧拉(Euler)定律可得出一相应的弯曲临界载荷。动态弯曲问题在零部件承受高动态负荷和冲击负荷时出现，并导致所谓的动态塑性弯曲。在此参见由G．Weihrauch等发表在“ISL报告RT13／70”上的论文“细长金属圆柱在碰撞到金属目标物时的塑性弯曲研究”(ISL-Bericht RT 13／70 mit der Studie“Untersuchungenzum plastischen Knick von schlanken Metallzylindem beim Auftreffen aufmetallische Ziele”)。与静态或欧拉式弯曲相反，在动态弯曲时物体的长度和细长度不发挥作用，因为动态弯曲过程发生在冲击面和扩展的塑性峰面之间。根据细长高强度的物体以高达约100m／s的速度碰撞坚硬目标物时的碰撞速度实验研究可以得到，只要没有超过塑性极限，弯曲问题可按照欧拉定律来处理。
在起动(加速)固定元件时，在设备内有两个会优先出现弯曲的区域，一是位于活塞托板和打入头部内的前导引段之间的区域，二是位于打入头部内的前导引段和固定元件或销子或钉子之间的区域。
此外弯曲还出现在固定元件本身中，即出现在销子或钉子中。上面提及的出现在位于打入头部内的前导引段和固定元件之间的区域内的弯曲十分复杂，因为在打入时伸出的销轴的自由部分持续变长；因此所提及的弯曲尤其在碰撞到该固定元件时和在打入过程中必须与该固定元件一起考虑。
因此借助解析方法只能进行一些基本的估算，因为在横向运动时不再是轴对称分布，精确的考量必须借助三维有限元进行计算。
在按照欧拉定律估算弯曲临界载荷时，第一步是在上面提及第一和第二类弯曲问题中涉及两种弯曲的混合，即一方面自由的在轴向导入的杆端的弯曲，另一方面涉及受应力的自由运动的杆端的弯曲，因此所谓的自由弯曲长度位于1和2之间。出现在视作为杆的零部件中的应力由下式计算
σ=Eπ／4(r／L)2式中E为杆的弹性模量，r为杆的半径，L为杆长。例如当长度与直径之比为10或相应的长度与半径之比为20时，约为1300N／mm2的应力是出现静态弯曲的极限。
在工作活塞碰撞到固定元件或销子时引起的应力通常根据下式确定σ=v(Eρ)1／2式中E为弹性模量，V为碰撞速度，ρ为密度。由该等式可得出某一材料达到极限应力时的速度v。该速度对所述例子为35m／s。人们考虑到对工作活塞采用具有例如1500N／mm2的高强度材料；在动态过程中可以预计更高的极限应力，其中在所述情况下极限应力可提高约1．5倍，因此得出约60m／s的速度。当前活塞轴段或固定元件有更高的速度时，弹性极限被超过，出现局部流动。此外要考虑到欧拉弯曲。
上述估算对设计本设备具有重要意义。尤其要强调的是，工作活塞的自由长度要尽可能地短。这对销子／钉子的对中碰撞至关重要。此外，为了避免临界应力，速度不应选择得太高。这就要求所需打入功率可通过变化采用其他手段，例如通过活塞质量来调节。
图3A和3B示意性示出一种工作活塞的区域结构，该工作活塞用于根据本发明所述的打入固定元件的设备。这样设计的新设备有一系列优点，由这些优点不仅可以基本上解决上述问题，而且可确保有大量可能的结构性变型。在图3A中示出了这一方案的主要特征。它们是，为了限制工作冲程31，设置一作用在活塞托板11上的冲程限制装置。这样来构造该装置，使得在活塞托板11上有一止挡面，它在活塞的终端位置，即在工作冲程之后与一设置在圆柱体上的对接面相接触。
该止挡面可由一活塞套35的前端面37形成。对接面43可由一与环状元件39相连接的止挡套38的正对活塞托板11的端面形成。在此可能的是，只要配置活塞套35，带有止挡套38的环状元件39，或配置活塞套35和环状元件39／止挡套38的组合件。该止挡套38也可构造成接片状。
通过这种布局形成一腔室，它作为弹簧室44，在其中安装复位装置8。该复位装置8在打入过程中和在空射时仅受自身载荷。传递到活塞套35或环状元件38上的冲击通过一支撑环29作用，该支撑环29在需要时还可再次相对壳体借助阻尼元件来缓冲冲击。
下面列出本新设备的优点(不追求完整)，-活塞轴34的长度最短。
-该结构满足不同的复位可能性。因此由于所述可在宽大限度内变化的弹簧室44，不仅所有机械复位装置(例如金属弹簧或弹性系统)，而且其他复位装置(例如具有传动介质，尤其是气体的复位装置)都可以安装在该弹簧室44内。
-本设计方案基本上适合于不同类别的工作活塞传动机构，尤其也适合于一电磁或电热传动机构。
-在初始能力为常量时可通过改变活塞质量在宽大限度内改变活塞速度。
-尺寸设计与所采用的材料相匹配在此例如由于功率需求变化了，可相对容易地进行修正。
-活塞轴34可构造成具有任意刚度。
-活塞托板11与活塞套35构成一刚度极大的部件。
-在活塞托板11的区域内可有利地实施活塞导引和活塞密封。
-借助通过改变尺寸和／或选择具有其他密度的材料来改变活塞轴10的直径或工作活塞的质量，在传动机构相同时可改变本设备的功率，这在应用技术方面是特别重要的。由此，本结构设计中的各细节都匹配于打入过程的终段弹道学的给定参数。
-活塞轴10或34和活塞托板11可以是分开的部件。由此可对这两个部件例如在表面加工、材质、质量和尺寸方面分开进行最优化。当轴为一纯圆柱体时，例如可采用某些材料，它们为了达到确定的机械性能，例如达到高的抗裂性能可进行只适合于圆柱体的特殊处理，例如通过锤打的冷加工硬化。因此，另外已用氮进行合金化的钢在合适的尺寸下可具有高达约3000N／mm2的强度。
-不同的活塞轴可与多种多样的活塞托板组合。
-在图3B中用圆表示的高负荷区域内，可采用多梯度材料，它们是指例如机械性能(例如硬度)在所给定的极限值之间朝一个方向变化的材料，该方向例如在备好的物体内为轴向或径向，然而通常不会在两个正交方向。
-这些设计方案可以最优的方式匹配于对打入深度和打入功率的不同要求。因此，由于活塞轴短，其刚度大，不仅可以实现很大的打入深度，而且还可以掌握很高的打入力。
-只有少许面积需要高附加值地加工。它们可特别简便地实施。
-由于在工作活塞范围内有上述更改可能性，本设备在外力方面也可最优化，例如对在打入时的负荷形式和大小进行最优化。
-本设计方案以最优方式符合给定条件，因为所要求的复位力相对较小。这只是因为活塞质量，例如在用于手工操作的设备中活塞质量只许在50和300克之间变动。因此复位装置必须首先确保一足够快速的和可靠的复位和将活塞固定在初始位置。根据由本发明所带来的可能性，使用带宽可从质量动态变动在克范围内的小型化的器件，例如通过使用高强度的非金属部件作承受动负荷的部件，扩大到用于满足特殊要求(例如当要求极大的打击或锤击力时)的重型或大质量装置。
-活塞轴可以配置一孔，例如用于容纳一信号线或一附加机械装置。在此，例如能够想到通过一内轴在所述打入过程中或之后来触发另一功能。一中空活塞也可以容纳一内活塞或副活塞，如图11所示。
在图3B中示出了位于其最前端位置的工作活塞。活塞套35的止挡面和止挡套38的对接面相互靠在一起，因此活塞套35与止挡套38的环状元件39形成在此封闭的弹簧室44，它容纳复位装置，例如一复位弹簧或其他复位元件。
可以对旋转对称部件进行两维模拟计算和对不对称部件进行三维模拟计算以估算动态负荷，在ISL中根据本发明人的建议为了了解也进行了这样的模拟计算。借助模拟计算进行的计算不仅证实了上述对弯曲和所述出现的速度下的材料应力的考虑，还表明就在打入过程中(即在工作活塞碰撞到待打入的固定元件和在使其前进时)恰如在制动和尤其在空射时一样出现冲击载荷，该冲击载荷确定组成部件的动态性能，也确定出现的或许可的材料应力。此外，例如由于冲击叠加在局部可能出现高应力，直至超过屈服极限；这种叠加可借助结构措施加以避免。这是本发明新型设备的优点，即通过变更各个零部件就能特别简便地实施此类结构措施。
如已经提及的那样，承受高动态负荷的区域在图3B中用圆圈出。在此涉及的有-驱动固定元件或销子的工作活塞端面45a；-在区域45b内会合的止挡面和对接面；
-尤其在空射时由于活塞轴34的质量惯性而受拉伸载荷的区域45c；-在活塞轴34和活塞托板11之间的过渡区45d；-在活塞托板11和活塞套35之间的过渡区45e；-在前套面41和套缓冲器30之间或在套缓冲器30和环29之间的过渡区45f。
图4A和4B示出一复位装置8，它用一箭头表示，包含在两个极限情况下的区48A或室48B。根据图4A，区48A仅仅由一长活塞套35a形成；根据图4B，室48b仅仅由一长止挡套39a产生。在图4A所示第一种情况下夹圈50相应变平，在图4B所示第二种情况下活塞托板51相应变平。
在图4A中也示出用于输入一种工作介质(例如一种工作气体)的例子。除了一通常的中心入口46外，输入还可通过在圆周上分布的通孔47a或通过多个孔47b来实现。
同样在图4A中示出了位于工作活塞区域内相对介质室的不同密封装置，这些密封装置在采用流体驱动介质时是必要的。在此可能指一环密封件49a或一迷宫式密封件49b，它们作为例子示出在图4A的上半部；长的活塞套有利地仅安装在端部，如在图4A的下半部所示；在此由于有中空腔49c，可以放弃一特殊的密封元件。
如已多次讨论过的那样，在高打入功率下对图3A所示工作活塞的冲程31的限制和在空射时的阻尼要予以特别重视。对于阻尼，必须分辨针对运动部件的阻尼和针对其他部件(例如壳体)的阻尼。
运动部件的阻尼可以按如下方式进行-通过活塞套38继续传递工作活塞的剩余能量；-借助活塞托板11内的阻尼装置；-通过止挡套38和活塞套35的材料弹性；-部分通过复位装置8；-通过将活塞套35的面37直接放置在环29上或直接放置在活塞套7的内面上或支撑套20上。
此外，也可以通过硫化胶合将阻尼元件设置在止挡套38的区域以及在活塞托板11或活塞套35的区域。
在包围工作区域的壳体区域内的阻尼可能受到下列因素的影响-在运动的有待制动的质量和静止质量之间的确定比例；
-在壳体上的专用阻尼装置，优选弹性元件。
通过“装满度”，例如基于橡胶的特殊动态性能，在橡胶阻尼器与阻尼元件组合时可通过材料和形状选择来调节任一阻尼功能，直至达到全装满时的“硬冲击”性能。
一个在技术上要求特别高的、同时由于其简单性又是令人感兴趣的变型方案使得绝对不必设置特殊的阻尼措施。这样所出现的力必须单由结构措施和材料性能来承受。通过模式化的结构和本发明的特殊特征，有可能使用在构造、密度和承载能力方面具有极端特性的材料。用下述例子来说明这一点-相应于特性硬、重、轻、阻尼的，止挡套38完全或部分地由重金属或硬质金属、陶瓷、轻金属或纤维强化的材料制成；-相应于特性硬、轻，活塞轴34(有时仅在销子侧范围内)由硬质金属或陶瓷制成；-相应于特性轻、阻尼的，活塞托板11包含例如由玻璃纤维强化的材料制成的元件；-在活塞托板11内安置一硫化层；-活塞轴34减震地设置在活塞托板11内；-止挡套38、活塞轴34或带活塞套35的活塞托板11由一种多梯度材料制成。
尤其在已运动的和未运动的部件的直径较大时，采用低密度的材料，如轻金属、纤维强化塑料或可成形陶瓷可能是有利的。还可设想的技术解决方案是，物件构造成中空的，在需要时例如与泡沫金属相结合，该泡沫金属用于高刚度的轻质构造。
在活塞轴34和活塞托板11为两个组件的实施形式时，活塞托板11可以用浇铸技术方法来制造。这对于非旋转对称形状或活塞托板11和活塞套35与活塞轴34相连接的复杂构成特别有利。活塞托板11和活塞轴34之间的连接可以是可松开的或不可松开的，例如通过螺纹、钎焊、粘贴、硫化胶合胶合、摩擦焊、界面烧结、夹住或热装方法相连接。
图5A至5E示出具有机械复位装置或复位元件的设备的两个实施例。
根据图5A，复位元件是指一简单的橡胶套或一软管52，它例如由均质的弹性材料或发泡材料制成。对用于较大活塞冲程的长型结构，必须设置相应的导引件52a。而简单的配置仅适合于相对短的工作冲程31。但也必须例如通过构造弹簧室来确保活塞套35的运动不受干扰。一个薄套52b有助于此。
根据图5B，复位元件要么由一个带有橡胶中空室53a的系统组成，如图5B的上半部所示；要么由一个风箱式元件53b组成，如图5B的下半部所示。
图5C包含一个与图2所示相应的复位装置，然而橡胶弹簧54a不必产生制动作用或一个力来限制冲程。所述环或垫片54b在此用作固定元件。
根据图5D，复位装置是指一种金属螺旋弹簧55a。
根据图5E，所述复位装置由一具有四边形横断面的金属弹簧／扁型线材55b构成。该金属弹簧由面56a、56b或56c固定。
在图5F中示出了一个用于多节或多段状的复位装置。它是一种由一头部侧或套侧元件57a、一活塞托板侧元件57b和一分隔元件57c组成的组合件。该分隔元件也可用作端面37和43之间的缓冲器。
图6作为所述活塞托板的一个特殊实施例示出一台阶式托板60，它由一前活塞托板部分61和一后活塞托板部分62组合而成。容纳该台阶式托板60的活塞室套或活塞导引套64相应地适配。当例如在工作冲程期间有负荷变化时，这种实施形式是有利的。这样，前活塞托板部分61的外区相宜地承担导引和介质密封63的任务。用这种方式可以在被驱动的活塞部分和被导入或阻尼或复位的部分之间基本上完成一种结构性分隔。活塞室套或活塞导引套64的后部分在此以特别的方式适合于接纳例如一个用于改变腔室初始容积的调节装置64a。
在图7A和7B示出在活塞托板范围内具有可能的活塞轴加强件的设备。该设计方案适合于承受出现在活塞托板和活塞轴之间过渡区内的较高动态应力，为此参见图3B中用圆圈出的区45c、45d和45e。
根据图7A，轴66的直径向后逐渐扩大。该后活塞轴部分66a例如借助螺纹66b与相应构造的活塞托板69相连接。活塞托板69和活塞轴66或后活塞轴部分66a在此这样来构造，使得该后活塞轴部分66a穿过活塞托板69或仅插装在活塞托板69内。该在本实施例中说明的活塞轴部分66a在驱动流体侧包含一输入介质的孔67。孔的容积可通过旋入的元件68来改变。
图7B示出一个工作活塞，它带有一个装在活塞托板71内的圆柱装活塞轴70。该活塞轴70安装在活塞托板71内一个相应的活塞轴插口71a内。活塞轴70和活塞轴插口71a之间的连接例如借助螺纹、钎焊或热装方法实现。在本实施例中活塞托板71具有一凹槽72，例如为输入介质或改变原有介质容积的车削槽形式。
图8示出一工作活塞，它用于图3所示带有一直通活塞轴73的设备。该活塞轴73是纯圆柱形，因此具有最简单的形式。在活塞轴73内也可设置一孔74，它在需要时可用一个塞子75与介质室相闭合。这种孔的用途之一是通过轴73将介质引导到待打入的固定元件上。活塞托板76和其至活塞轴插口或活塞轴导引件76a的区域相应地构造。
图9示出一个用于图3所示设备的工作活塞，它在活塞托板78的区域内具有一独立的环状元件77。该环状元件77例如可以加强在此区域内的活塞轴，或改变活塞质量。此外，在碰撞到相应匹配的止挡套79的内接片80上时该环状元件77作为专用的阻尼元件。这样，例如在活塞套78区域和止挡套79的外接片81的区域以及环状元件77和止挡套79的内接片80的组合区域内分时间先后地实现套装过程。
从上述用实施例说明的设计中可以看到，在新设备中，工作活塞以其变化可能性成为本设备的中心部件。特别重要的一点是它分成一个轴段和一个活塞托板段。只有这样的分段才产生了已经说明的结构设计和材料工程的施展空间，它使得最优地匹配于各种载荷状况成为可能。
在图10A至10E中示出了几个用于改变工作冲程31或打入深度的实施例。打入深度或工作冲程31例如可通过下述方式改变-改变整个工作活塞的长度；-选择不同长度的活塞轴，为此参见图7、8、10A和10B所示；-选择不同长度的轴座83，它们要么例如通过钎焊、粘贴或金属熔结与活塞轴84固定连接，要么可替代地通过活塞座83的插头85或活塞轴84的插头86来插接或螺旋连接，参见图10C；-改变活塞套35的长度，参见图10D；-改变套接片39或止挡套的长度，参见图10E；-在活塞托板足够高时，活塞轴70在活塞托板71内的装配深度不同，例如参见图7B；-上述各种可能性的适当组合。
对本发明新设备的一系列应用可能，在此处提出的原理中出发点是即便在空射时也可放弃阻尼。在这种情况下，工作活塞单元的安装长度降到最小。在图11A至11C中示出了本设备的相应实施例。根据图11A，活塞套35直接座落在一环87上，在环87之后只装入一个用于设备19(如图1所示)的阻尼件。在此一个扁型线材弹簧作为弹簧元件安装在弹簧室55b中，参见图5e。
图11B示出本发明新设备的另一变型，其中，活塞套35直接座落在活塞室87a的前界面上。
为了扩大工作冲程，在活塞套35的长度一定时可以舍弃环87，弹簧元件55b的前端面通过直接座落在安装套89上而相应更加向前错放，参见图11C。
原则上还可设想，活塞轴34通过一内活塞托板90弹性地安置在一相应构造的外活塞托板91内。这一点可以例如借助一个活塞托板弹簧92或通过一弹性材料阻尼元件90a来实现。参见图12A。
图12B示出另一变型，其中，所述例如通过一活塞托板弹簧92或一弹性材料层90b而减震缓冲的活塞托板90直接受到气体力的作用。
图13A和13B涉及用于特殊用途的新设备的一个实施形式，在此它是指带有一个工作活塞托板97的串联系统，在此工作活塞托板97内另有一个活塞或副活塞94。根据图13A，副活塞94可动，该副活塞94具有属于它的活塞轴95，它设置在外工作活塞的活塞轴96内。在本实施例中，副活塞94和外工作活塞96大体通过一用于副活塞94的介质输入口46和一用于外工作活塞96的介质输入口47a而被分开驱动，参见图4A。
在图13B所示实施例中，内活塞94在一个用一盖板98封闭的后活塞套内运动。
在图13A和13B所示的设备中，副活塞94的活塞轴95相对于工作活塞的活塞轴96运动一段距离99。因此例如在一相应构造的固定元件或销子内可以触发某种附加功能。
在至此说明的新设备的实施形式中，其出发点是，工作活塞的传动通过驱动介质(例如一种热解产生的气体)来实现。如已经提及的那样，除了这种通常的借助气体力进行的传动外还考虑其他传动可能性。在此特别感兴趣的明显是电磁起动(加速)。这种使用可能性在下面简要地，即不采用电路和电流地进行说明，其中，相应的基础理论见Sterzelmeier著的CCG教科书。
在此基本上采用所谓的线圈起动(加速)器，它脉冲式以有时间限制的感应工作。在这种所讨论的应用中，首先采用一种所谓的扁线圈起动(加速)器，它已由电动力学所公知。该基于LENZ规则的原理众所周知，它是指通过一个良好导电的位于带有一个线圈的磁耦合器中的环导出一个电流脉冲。在此两个部件以一个大力相互排斥。这一原理适用于环状元件，也适用于平面元件。在此可区分-在活塞套或环起动(加速)器中的线圈系统；-在活塞托板或扁型线材圈起动(加速)器中的线圈系统；-电磁制动装置。
电气装置的特殊优点在于控制。因此例如可以相应于所需打入功率来调节能量。由于信号运行时间很短，在打入过程中显然可以实现控制／调节。
在图14A中示出了两种可能性。在活塞托板的底部，一个初级线圈100起动(加速)一次级线圈101。可以选择或平行布置的是，工作活塞还通过一个径向线圈系统102来驱动。
还可能的是，工作活塞的复位通过相应的线圈系统103和104以及安置在环106内的次级线圈105来实现，参见图14B。
原则上推荐采用带有在轴向比较短的、优选为朝侧向伸展的系统的电磁驱动装置，因为一方面在较大线圈系统时效率增加，另一方面在起动(加速)较高时较大的径向力必须由包围该线圈的材料来承受。
权利要求
1．一种用于将固定元件(4)打入一个底座(6)中的设备，该设备具有一包括活塞轴(34)和一活塞托板(11)在内的在打入时向固定元件(4)施加载荷的工作活塞，其中活塞托板(11)在从静止位置到达终端位置的工作冲程(31)中可在一活塞导引套(7)内移动，其特征在于在工作活塞(11、34)上设置有一止挡面(37)，它在终端位置与一设置在活塞导引套(7)上的对接面(43)相接触，以便限制工作冲程(31)。
2．根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述止挡面(37)通过一活塞套(35)的前端面形成，该活塞套(35)与活塞托板(11)相连接，并同心地包围活塞轴(34)。
3．根据上述任一项权利要求所述的设备，其特征在于对接面(43)通过一止挡套(38、39)的面对所述活塞的自由面形成，该止挡套(38、39)与活塞导引套(7)相连接，并平行于活塞轴(34)的纵轴突入活塞导引套(7)。
4．根据上述任一项权利要求所述的设备，其特征在于活塞套(35)和／或止挡套(38)具有以所述活塞的纵轴中心对称设置的接片状分面。
5．根据上述任一项权利要求所述的设备，其特征在于止挡面(37)和对接面(43)构造成圆环状或锥状。
6．根据上述任一项权利要求所述的设备，其特征在于受活塞套(35)或止挡套接片(39)和活塞轴(34)限制的空间形成一弹簧室(44)，在其中打入一复位装置(8)，以便将工作活塞(11、34)从所述终端位置回移到初始位置。
7．根据上述任一项权利要求所述的设备，其特征在于为了驱动工作活塞(11、34)设置驱动机构，它建立在化学／热解技术或高压流体或电磁技术或电热技术基础上。
8．根据上述任一项权利要求所述的设备，其特征在于活塞轴(34)在其前端面上包含一压铸的或安装在芯轴上的装置和／或一建立与固定元件(4)接触关系的承接部件和／或构造成中空的或实心的冲压工具，其中活塞轴(4)的前部区域与其后部区域在直径和／或形状方面不相同。
9．根据上述任一项权利要求所述的设备，其特征在于活塞轴(34)或活塞托板(11)或活塞套(35)可用铸造、车削、锻造或拉拔生产，由重金属、钢、诸如硬铝或钛的轻金属、陶瓷材料、纤维复合材料、通过锤锻的或冷加工硬化的金属材料或多梯度材料制成。
10．根据上述任一项权利要求所述的设备，其特征在于活塞轴(34)具有一孔，和／或由一对中的圆柱形芯和一包围该芯的轴套组成，和／或在直径和长度方面不同，和／或具有一任意的横断面。
11．根据上述任一项权利要求所述的设备，其特征在于活塞托板(11)在所述驱动机构侧是平的，或在至少一侧包含一凹槽，和／或在所述驱动机构侧具有一导入和／或分配介质的装置。
12．根据上述任一项权利要求所述的设备，其特征在于活塞托板(11)具有一安装在一孔(67)内的元件。
13．根据上述任一项权利要求所述的设备，其特征在于活塞托板(11)借助于一环(49a)或一迷宫式密封件(49b)相对于介质室(46)密封。
14．根据上述任一项权利要求所述的设备，其特征在于活塞轴(34)和活塞托板(11)通过螺纹、钎焊、粘贴、硫化胶合、夹紧或热装、摩擦焊方法相连接，或在相互的接触面上例如通过烧结或粘结方法有金属结合地相连接。
15．根据上述任一项权利要求所述的设备，其特征在于为了使工作活塞(3)止动，设置一更弹性的缓冲器、一金属元件、一摩擦夹件、一弹簧元件和／或一环状元件，其中所述环状元件在至少一侧为纯平面圆柱状，和／或在至少一侧包含一凹槽。
16．根据上述任一项权利要求所述的设备，其特征在于所述环状元件或所述止挡套具有一外接片和／或一内接片。
17．根据上述任一项权利要求所述的设备，其特征在于例如通过分布在圆周上的输入部件来集中式或分散式输入工作流体。
18．根据上述任一项权利要求所述的设备，其特征在于复位装置(8)具有一橡胶套或一橡胶软管(52)、一中空腔橡胶系统(53a)、一例如为金属质或多分子材料的弹性风箱(53b)、一橡胶弹簧(54a)、一螺旋弹簧(55a)、一扁型线材状弹簧(55b)和／或多个多段或多级状的弹簧元件(57)，其中后者有时具有一导引件(57c)。
19．根据上述任一项权利要求所述的设备，其特征在于活塞托板(11)构造成带有一前活塞托板部分和一后活塞托板部分的台阶式托板(60)，其中驱动同时通过两个台阶中的至少一个来实现。
20．根据上述任一项权利要求所述的设备，其特征在于台阶式托板(60)的各级由相同的、优选为均质的材料或由不同的材料制成，并通过钎焊、焊接、螺栓连接或硫化胶合相连接，或在它们的接触面上例如通过烧结或粘结方法有金属结合地相连接。
21．根据上述任一项权利要求所述的设备，其特征在于一环状元件(77)与一活塞轴(73)或一活塞托板(78)相连接，该环状元件(77)用于改变质量，它优选具有弹性特性和优选直接支撑在止挡套(79)上。
22．根据上述任一项权利要求所述的设备，其特征在于工作活塞(97)包含一安置在其内的副活塞(94)；工作活塞(97)和副活塞(94)优选是可驱动的，其中所述副活塞(94)在一开的或闭合的系统中是可运动的。
23．根据上述任一项权利要求所述的设备，其特征在于在活塞轴(34)和活塞托板(90)之间有一阻尼元件(92)。
24．根据上述任一项权利要求所述的设备，其特征在于在活塞托板(11)内固定至少两根活塞轴。
25．根据上述任一项权利要求所述的设备，其特征在于在活塞托板(90)和一活塞托板盖(90a)之间例如用一金属弹簧或一弹性元件设置一阻尼元件(92)。
26．上述任一项权利要求所述设备的一种应用，该设备借助一固定元件(4)将一零部件(5)固定在一底座(6)的表面上，其特征在于待固定的零部件(5)被带到底座(6)的表面上；所述设备和其轴引套(16)被带到零部件(5)上止动，其中工作活塞(3)处于其静止位置；工作活塞(3)被驱动，直到它到达其终端位置，以便在此将固定元件(4)通过零部件(5)打入底座(6)。
全文摘要
本发明涉及一种用于将固定元件打入一个底座中以便固定零部件的设备。该设备具有一个工作活塞,其加速和减速范围在保持最优的打入深度(31)和最小的活塞长度(32)的同时可以适应不同的条件。这适合于机械的、热解的、气动的、电磁的和电热的工作活塞传动。这些设备可以构造成供人工使用,也可以供生产机器人使用。其主要特征在于:工作冲程借助一与活塞托板(11)相连接的活塞套(36)、一与一环状元件(38)相连接的接片(39)或这两者的组合件来限制。因此,无论在活塞托板侧(48a)还是在环侧(48b)都形成一腔室,它容纳一个例如机械返回装置(8),该装置在打入时和在空射时只承受其自身的负荷。其余的活塞能量经过一个缓冲器(30)减轻。活塞托板(11)和活塞轴(10)的模件化设计容许在成形和材料两方面独立地对零部件进行优化。活塞质量可以变化很大。该设备可以构造成有任意的刚度,可以匹配于不同的固定元件、底座和打入条件。
文档编号B25C1/00GK1283145SQ98812545
公开日2001年2月7日 申请日期1998年11月23日 优先权日1997年12月4日
发明者阿基姆·韦劳赫 申请人:格尔德·凯尔纳