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Die Erfindung betrifft eine Federantriebseinrichtung mit einem Federelement, welches an einem Lagerende des Federelements gelagert ist und dessen gegenüberliegendes Antriebsende entgegen einer Federkraft des Federelements aus einer Entspannungsposition in eine Aufladeposition auslenkbar und dadurch das Federelement verformbar ist, und mit einem Antriebselement, welches mit dem Antriebsende des Federelements in einer Wirkverbindung steht, sodass bei einer durch die Federkraft bewirkten Verlagerung des Antriebsendes aus der Aufladeposition in die Entspannungsposition das Antriebselement antreibbar ist und aus einer Ausgangsposition in Richtung einer Zielposition verlagert werden kann. Die Erfindung betrifft auch eine Eintreibvorrichtung zum Eintreiben eines Befestigungsmittels in ein Objekt, wobei die Eintreibvorrichtung ein Gehäuse, eine in dem Gehäuse gelagerte Federantriebseinrichtung und eine Zwangsführungseinrichtung für einen Eintreibstempel aufweist, wobei ein Eintreibende der Zwangsführungseinrichtung an einem Objekt anordenbar ist, sodass das von der Antriebseinrichtung entlang der Zwangsführungseinrichtung in Richtung des Eintreibendes angetriebene Befestigungsmittel die Eintreibvorrichtung über das Eintreibende der Zwangsführungseinrichtung verlassen und in das Objekt eingetrieben werden kann.
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Derartige Federantriebseinrichtungen mit einem verformbaren Federelement sind in zahlreichen unterschiedlichen Ausgestaltungen eingesetzt. Ein Federelement für eine Federantriebseinrichtung geht beispielsweise aus der
EP 1 033 507 A1 hervor. Das bekannt und werden in vielen verschiedenen Anwendungsbereichen verformbare Federelement kann dabei aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein, die jeweils unterschiedliche Verformungseigenschaften aufweisen. In vielen Fällen eignen sich Federelemente aus Metall, insbesondere aus Federstahl, oder aus einem Faserkunststoffverbundmaterial. Durch die Auswahl eines geeigneten Materials sowie durch die Vorgabe der Formgebung des Federelements sowie dessen Lagerung in der Federantriebseinrichtung können die für den jeweiligen Verwendungszweck relevanten Eigenschaften einer Federantriebseinrichtung in weiten Bereichen vorgegeben werden. Aus der Praxis ist es deshalb bekannt und üblich, eine Federantriebseinrichtung an den jeweiligen vorgesehenen Verwendungszweck anzupassen und hinsichtlich der Federeigenschaften wie beispielsweise der Federkennlinie angepasst vorzugeben, welche den Zusammenhang zwischen einer erzwungenen Verformung des Federelements und der dafür erforderlichen Krafteinwirkung beschreibt.
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Im Hinblick auf völlig unterschiedliche Verwendungszwecke sind verschiedene Federarten wie beispielsweise Biegefedern, Torsionsfedern oder Tellerfedern entwickelt worden und mittlerweile in zahlreichen unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Während bei vielen Federantriebseinrichtungen die Federkennlinie innerhalb des für die betreffende Anwendung relevanten Verformungsbereichs einen linearen Verlauf aufweist, sind auch Federantriebseinrichtungen mit einer nichtlinearen Federkennlinie bekannt, die beispielsweise einen progressiven oder degressiven Verlauf aufweisen kann.
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Zudem ist es aus der Praxis bekannt, dass ein verformbares Federelement vorgespannt in der Federantriebseinrichtung gelagert sein kann, sodass bereits zu Beginn eines vorgegebenen Verlagerungswegs eines ersten Aufnahmelagers relativ zu einem beabstandet dazu angeordneten zweiten Aufnahmelager des Federelements eine durch die Vorspannung vorgebbare Federkraft einer weiteren Verlagerung entlang des Verlagerungswegs entgegenwirkt.
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Wenn sich die Anforderungen an eine Federantriebseinrichtung ändern und andere Federeigenschaften gewünscht oder benötigt werden, wird üblicherweise eine entsprechend modifizierte andere Federantriebseinrichtung verwendet. Es ist auch bekannt, dass beispielsweise durch eine Veränderung der Lagerung des verformbaren Federelements die Federeigenschaften der Federantriebseinrichtung verändert und angepasst werden können, ohne dass das Federelement oder die gesamte Federantriebseinrichtung ausgetauscht werden müssen.
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Insbesondere bei geplanten Anpassungen oder Verbesserungen von Geräten, bei denen eine Federantriebseinrichtung bereits eingesetzt und verwendet wird, wird es als besonders vorteilhaft angesehen, wenn der für die veränderte Federantriebseinrichtung benötigte Bauraum gleich groß oder kleiner als der bislang benötigte Bauraum ist. In diesem Fall können vielen Komponenten der Geräte wie beispielsweise ein Gehäuse des Geräts weitgehend unverändert weiterverwendet werden, sodass ein konstruktiver Aufwand für die geplante Veränderung der Federantriebseinrichtung gering gehalten werden kann.
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Bei zahlreichen verschiedenen Vorrichtungen, bei denen ein verformbares Federelement zum Speichern von Federenergie verwendet wird, die bei einer Betätigung der Vorrichtung freigesetzt und zum Antreiben eines Antriebselements umgewandelt werden kann, sind neben dem benötigten Raumbedarf auch Eigenschaften des Federelements wie beispielsweise die bei einer bestimmungsgemäßen Verformung des Federelements in der Federantriebseinrichtung speicherbare Federenergie oder auch die maximal zur Verfügung stehende Federkraft relevant. Bei einigen Vorrichtungen, bei denen eine Federantriebseinrichtung zum Antreiben eines Antriebselements verwendet wird, wie beispielsweise bei einer Eintreibvorrichtung, mit welcher ein Befestigungsmittel in ein Objekt eingetrieben werden kann, ist auch ein während einer Verformung des Federelements bei einem Aufladevorgang oder einem Antriebsvorgang zur Verfügung stehender Federweg relevant, welcher einer maximalen Auslenkung des Antriebsendes des Federelements entspricht. Je größer der Federweg ist, umso länger kann während des Antriebsvorgangs eine Federkraft zur Beschleunigung des Antriebselements auf das Antriebselement ausgeübt werden. Insbesondere bei Eintreibvorrichtungen ist es zudem vorteilhaft, wenn das Antriebsende des Federelements in der Aufladeposition einen großen Abstand von dem Befestigungsmittel aufweist, welches in das Objekt eingetrieben werden soll, damit das Antriebselement bereits beschleunigt werden kann, bevor das Antriebselement auf das Befestigungsmittel einwirkt und das Befestigungsmittel aus der Eintreibvorrichtung in ein Objekt beschleunigt und eintreibt. Eine derartige Eintreibvorrichtung mit einer Federantriebseinrichtung ist beispielsweise aus der US 2008 / 0 190 986 A1 bekannt.
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Es wird deshalb als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen, eine Federantriebseinrichtung mit den eingangs aufgeführten Merkmalen so zu verändern, dass bei einem möglichst geringen Bauraum der Federantriebseinrichtung ein möglichst vorteilhafter Verlagerungsweg des Antriebselements bereitgestellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass an dem Antriebsende des Federelements ein Zahnrad in einem Rotationslager drehbar gelagert ist, dass die Federantriebseinrichtung eine Federelementzahnstange aufweist, wobei bei einer Verlagerung des Antriebsendes des Federelements das Zahnrad in die Federelementzahnstange eingreift und zu einer Drehbewegung gezwungen wird, und dass das Antriebselement radial beabstandet von dem Rotationslager mit dem Zahnrad in Wirkverbindung steht, sodass mit dem Zahnrad eine Übersetzung der Verlagerung des Antriebsendes des Federelements relativ zu der Verlagerung des Antriebselements bewirkt wird. Das Lagerende des Federelements ist zweckmäßigerweise ortsfest gelagert, sodass durch eine Verlagerung des Antriebsendes eine Verformung des Federelements erzwungen wird. Das Lagerende kann dabei gelenkig gelagert oder eingespannt sein. Bei zahlreichen Federelementen wird bei einer Verformung des Federelements während eines Aufladevorgangs, bei welchem Federenergie auf das Federelement übertragen und darin gespeichert wird, oder während eines Antriebsvorgangs, bei welchem die zuvor gespeicherte Federenergie auf das Antriebselement übertragen und umgewandelt wird, das Antriebsende des Federelements im Wesentlichen linear verlagert und durch den dabei zur Verfügung stehenden Federweg des bestimmungsgemäß verformbaren Federelements auch ein maximaler Verlagerungsweg des Antriebselements während der Übertragung der Federenergie auf das Antriebselement vorgegeben. Durch die drehbewegliche Anordnung eines Zahnrads an dem Antriebsende des Federelements und dessen formschlüssigen Eingriff mit einer Federelementzahnstange wird die im Wesentlichen lineare Verlagerung des Antriebsendes des Federelements in eine Drehbewegung des Zahnrads überführt.
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In Abhängigkeit von der räumlichen Anordnung eines Angriffspunktes der Wirkverbindung zwischen dem Zahnrad und dem Antriebselement kann bei einem vorgegebenen maximalen Drehwinkel, welcher von dem Zahnrad während eines Antriebsvorgangs zurückgelegt wird, der von dem Antriebselement zurückgelegte Verlagerungsweg beeinflusst und vorgegeben werden. Je größer ein radialer Abstand des Angriffspunktes der Wirkverbindung von dem Rotationslager ist, umso länger ist der Verlagerungsweg. Auf diese Weise kann der Verlagerungsweg des Antriebselements abweichend von dem Federweg des Antriebsendes des Federelements vorgegeben werden. So kann beispielsweise bei einer Anordnung des Angriffspunkts der Wirkverbindung an einem Umfangsrand des Zahnrads, bei welchem das Rotationslager zentrisch angeordnet ist, der Verlagerungsweg des Antriebselements doppelt so groß wie der Federweg des Antriebsendes des Federelements vorgegeben werden.
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Bei einer gleichen Winkelgeschwindigkeit des Zahnrads kann über die Anordnung des Angriffspunktes der Wirkverbindung mit dem Antriebselement auch eine Verlagerungsgeschwindigkeit des Antriebselements beeinflusst und vorgegeben werden. So kann beispielsweise bei einer Anordnung des Angriffspunkts der Wirkverbindung an einem Umfangsrand des Zahnrads, bei welchem das Rotationslager zentrisch angeordnet ist, die Verlagerungsgeschwindigkeit des Antriebselements doppelt so hoch wie eine Verlagerungsgeschwindigkeit des Antriebsendes des Federelements während eines Antriebsvorgangs vorgegeben werden.
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Für viele Anwendungsfälle kann es vorteilhaft sein, wenn eine möglichst gleichmäßige Beschleunigung des Antriebselements während des Antriebsvorgangs erfolgt. Es kann deshalb optional vorgesehen sein, dass das Rotationslager zentrisch in dem Zahnrad angeordnet ist. Die bei einem Aufladevorgang oder bei einem Antriebsvorgang durch das sich verformenden Federelement für das Zahnrad erzwungene Drehbewegung wird dann ausschließlich durch die Verlagerung des Antriebsendes des Federelements vorgegeben.
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Gemäß einer optionalen Ausgestaltung des Erfindungsgedankens kann alternativ auch vorgesehen sein, dass das Rotationslager exzentrisch in dem Zahnrad angeordnet ist. Auf diese Weise kann für unterschiedliche Drehwinkelpositionen des Zahnrads eine voneinander abweichende Verlagerung und Verlagerungsgeschwindigkeit des Antriebselements während eines Antriebsvorgangs bzw. während einer Verlagerung des Antriebsendes des Federelements aus der Aufladeposition in die Entspannungsposition vorgegeben werden. So könnte beispielsweise eine besonders geringe oder eine besonders hohe Verlagerungsgeschwindigkeit des Antriebselements zu Beginn oder gegen Ende der Verlagerung des Antriebsendes des Federelements vorgegeben werden. Auf diese Weise können die Wirkverbindung und insbesondere die Verlagerung des Antriebselements während eines Antriebsvorgangs individuell vorgegeben und an die jeweiligen Anforderungen bei der Verwendung der Federantriebseinrichtung angepasst werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass die Federelementzahnstange einen geradlinigen Verlauf von Zähnen aufweist, zwischen welche Zähne des Zahnrads bei einer Verlagerung des Zahnrads längs der Federelementzahnstange eingreifen. Bei einer bestimmungsgemäßen Nutzung der Federantriebseinrichtung bilden die Anordnung und der Verlauf der Federelementzahnstange während des formschlüssigen Eingriffs des Zahnrads in die Federelementzahnstange eine Zwangsführungseinrichtung für das Antriebsende des Federelements. Bei vielen Federelementen entspricht eine lineare Verlagerung des Antriebsendes des Federelements relativ zu dem Lagerungsende des Federelements einer allein durch die Federkraft bewirkten Verformung des Federelements, sodass dadurch eine besonders effiziente Umwandlung und Überführung der in dem Federelement gespeicherten Federenergie auf das Antriebselement ermöglicht wird.
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Es kann jedoch beispielsweise auf Grund von bauraumbedingten Vorgaben bei einer Vorrichtung, in welcher die Federantriebseinrichtung eingesetzt und verwendet werden soll, zweckmäßig sein, dass anstelle eines gradlinig verlaufenden Federwegs ein räumlich abweichend vorgegebener Verlauf für die Verlagerung des Antriebsendes des Federelements vorgegeben wird. So kann beispielsweise ein kontinuierlich gekrümmter Verlauf der Federelementzahnstange vorgegeben werden. Es ist ebenfalls möglich, dass ein wellenförmiger Verlauf oder ein zykloidischer Verlauf der Federelementzahnstange vorgegeben wird, um durch die Wirkverbindung mit dem Antriebselement eine dadurch entsprechend beeinflusste Verlagerung des Antriebselements ermöglichen zu können.
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Einer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zufolge ist vorgesehen, dass die Wirkverbindung ein Antriebsmittel aufweist, welches mit dem Antriebselement verbunden ist, wobei das Antriebsmittel eine Antriebszahnstange ist. Die Antriebszahnstange kann zweckmäßigerweise entlang eines Umfangs des Zahnrads gegenüberliegend zu der Federelementzahnstange mit dem Zahnrad in einem formschlüssigen Eingriff stehen und in einer Antriebsmittelzwangsführungseinrichtung parallel zu der Federelementzahnstange verlagerbar geführt sein. Auf diese Weise bildet die zwangsgeführte Antriebszahnstange auch eine Zwangsführung für das Zahnrad und damit für das Antriebsende des Federelements während einer bestimmungsgemäßen Nutzung der Federantriebseinrichtung. Der formschlüssige Eingriff des Zahnrads in die Antriebszahnstange erlaubt die Übertragung großer Kräfte und Momente, ohne dass eine unerwünschte Beschädigung oder ein übermäßiger Verschleiß der derart ausgestalteten Wirkverbindung befürchtet werden müssten.
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Es ist ebenfalls denkbar und optional vorgesehen, dass die Wirkverbindung ein Antriebsmittel aufweist, welches mit dem Antriebselement verbunden ist, wobei das Antriebsmittel ein Seil oder eine Kette ist. Eine Kette kann an einem Umfangsrand des Zahnrads angeordnet sein und ebenfalls in die Zähne des Zahnrads eingreifen. Ein Seil muss dagegen nicht zwingend an einem äußeren Umfangsrand des Zahnrads festgelegt sein, sodass ein Angriffspunkt der Wirkverbindung bei einem Seil als Antriebsmittel mit einem beliebigen radialen Abstand zu dem Rotationslager auch auf einer Seitenfläche des Zahnrads vorgegeben werden kann. Im Gegensatz zu einer starren Antriebszahnstange könnten ein Seil oder eine Kette bei Bedarf auch auf dem Weg zu dem Antriebselement umgelenkt werden. Insbesondere ein Seil kann ein geringes Eigengewicht aufweisen, sodass für die Beschleunigung und Verlagerung des Seils während eines Antriebsvorgangs kaum Energie aufgewendet werden muss und eine sehr effiziente Energieübertragung und damit ein hoher Wirkungsgrad für die Umwandlung der gespeicherten Federenergie in Antriebsenergie für das Antriebselement möglich ist.
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Für viele Anwendungsfälle wird es zweckmäßig und ausreichend sein, dass die Wirkverbindung ein Antriebsmittel aufweist, welches an einem Umfangsrand des Zahnrads mit dem Zahnrad in Eingriff steht oder verbunden ist, oder an dem Zahnrad anliegt. Das Antriebsmittel kann wie bereits beschrieben beispielsweise eine Antriebszahnstange oder eine Kette sein. Es ist auch denkbar, dass das Zahnrad längs eines Umfangsrands beabstandet zu den einzelnen Zähnen eine Nut oder andere Führungselemente aufweist, in denen ein Seil längs des Umfangsrands geführt und bei einem Aufladevorgang oder einem Antriebsvorgang aufgewickelt bzw. abgewickelt wird.
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Es ist jedoch gemäß einer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ebenfalls möglich und insbesondere im Hinblick auf eine möglichst große Übersetzung des Verlagerungswegs vorteilhaft, dass ein Übersetzungsrad drehfest mit dem Zahnrad verbunden ist, und dass das Antriebselement über das Übersetzungsrad mit dem Zahnrad in Wirkverbindung steht. Das Übersetzungsrad kann beispielsweise einen doppelt so großen Radius wie das Zahnrad aufweisen. Wenn das Antriebsmittel an einem Umfangsrand des Übersetzungsrads mit dem Übersetzungsrad in Eingriff steht oder verbunden ist, wird bei einer Drehbewegung des Zahnrads eine Verlagerung des Antriebselements bewirkt, die im Vergleich zu einer Wirkverbindung am Zahnrad selbst doppelt so groß ist. Auf diese Weise kann das Übersetzungsverhältnis entsprechend des zunehmenden Radius des Übersetzungsrads im Vergleich zu dem Radius des Zahnrads skaliert werden.
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Dementsprechend kann optional vorgesehen sein, dass die Wirkverbindung ein Antriebsmittel aufweist, welches an einem Umfangsrand des Übersetzungsrads mit dem Übersetzungsrad in Eingriff steht oder verbunden ist, oder an dem Übersetzungsrad anliegt.
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Um ein unerwünschtes Verkippen oder Verkanten des Federelements oder des Zahnrads während einer bestimmungsgemäßen Nutzung der Federantriebseinrichtung zu vermeiden kann in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass die Federantriebseinrichtung entweder zwei Federelemente aufweist, zwischen deren jeweiligen Antriebsende ein Zahnrad drehbar gelagert ist, oder dass die Federantriebseinrichtung zwei Zahnräder aufweist, zwischen denen das Antriebsende des Federelements gelagert ist. Dadurch kann erreicht werden, dass auf das Rotationslager der Federantriebseinrichtung während eines Aufladevorgangs oder eines Antriebsvorgangs keine Querkräfte oder Kippmomente ausgeübt werden. Das Rotationslager kann eine durchgehende Lagereinrichtung aufweisen, mit welcher entweder die beiden Antriebsenden der beiden Federelemente an dem einen Zahnrad gelagert sind, oder mit welcher die beiden Zahnräder an dem Antriebsende des Federelements gelagert sind. Es ist ebenfalls denkbar, dass zwei getrennt voneinander ausgebildete und angeordnete Rotationslager für die Lagerung der jeweils verwendeten Federelemente und der Zahnräder vorgesehen sind, wobei die beiden Rotationslager so miteinander verbunden sind, dass sich die während eines Aufladevorgangs oder eines Antriebsvorgangs auf die beiden Rotationslager auswirkenden Kräfte und Momente derart ausgleichen bzw. kompensieren, dass keine resultierenden Querkräfte und Kippmomente auf die Federantriebseinrichtung ausgeübt werden.
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Einer als besonders vorteilhaft angesehenen Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zufolge ist vorgesehen, dass das Federelement aus einem Faserverbundkunststoffmaterial hergestellt ist. Ein Federelement aus einem geeigneten Faserverbundkunststoffmaterial hat gegenüber einem ansonsten vergleichbaren Federelement aus Stahl zahlreiche Vorteile. Üblicherweise kann mit einem Federelement aus Faserverbundkunststoffmaterial eine deutlich höhere Energiefreisetzungsrate im Vergleich zu einem Federelement aus Stahl erreicht werden, wobei in der Praxis eine zwei bis drei Mal so hohe Energiefreisetzungsrate möglich ist. Es sind sehr langlebige und ausreichend mechanisch belastbare Kunststofffaserverbundmaterial bekannt, die im Vergleich mit Federstahl beispielsweise die doppelte Federenergie bei einem auf die Hälfte reduzierten Eigengewicht speichern können. Die Federenergiedichte eines Federelements aus einem Kunststofffaserverbundmaterial kann dem zufolge etwa vierfach größer als die Federenergiedichte eines Federelements aus Federstahl sein. Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung eines geeigneten Kunststofffaserverbundmaterials ist die weitgehende Unempfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit, Temperaturschwankungen oder Verschmutzung sowie der äußerst geringe Abrieb an den Außenseiten des Federelements, der bei einer häufigen Verformung während der Nutzungsdauer der Antriebseinrichtung entstehen könnte. Auf Grund des deutlich geringeren Eigengewichts eines Federelements aus Faserverbundkunststoffmaterial, welches die gleiche Federenergie wie ein Federelement aus Stahl speichern kann, wird deutlich weniger Federenergie zur Beschleunigung und Verformung des Federelements benötigt und die gespeicherte Federenergie effizienter zum Antreiben des Antriebselements verwendet. Durch das geringe Eigengewicht des Federelements aus Faserverbundkunststoffmaterial werden Dämpfer bzw. Energieabsorber am Ende des Antriebsvorgangs entlastet und eine Verschleißwirkung auf alle Komponenten einer Vorrichtung reduziert, bei welcher die Federantriebseinrichtung mit einem Federelement aus Faserverbundkunststoffmaterial eingesetzt wird.
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Gemäß einer ebenfalls als besonders vorteilhaft erachteten Ausgestaltung des Erfindungsgedankens kann vorgesehen sein, dass das Federelement als Federknickstab ausgebildet ist. Das Federelement wird als Knickstab verwendet und in den beiden Aufnahmelagern so gelagert, dass durch eine Verlagerung des Antriebsendes in Richtung des Lagerendes des stabförmigen Federelements eine in einer Längsrichtung des Knickstabs wirkende Druckkraft auf den Knickstab übertragen wird. Sobald auf den Knickstab eine in Längsrichtung des Knickstabs gerichtete Kraft einwirkt, die größer als eine kritische Druckbeanspruchung des Knickstabs ist, knickt der Knickstab ein und weicht seitlich quer zu der Kraftwirkung aus. Zweckmäßigerweise wird durch eine Verlagerung des Antriebsendes relativ zu dem Lagerende das Federelement zumindest über einen weiten Verlagerungswegabschnitt in dem bereits ausgeknickten Knickzustand verformt, wobei das Federelement seitlich quer zu der Verlagerungsrichtung des Antriebsendes ausweicht und in einem Bereich zwischen den beiden Aufnahmelagern am Lagerende und an dem Antriebsende seitlich ausbeult. Solange das Federelement seitlich ausgeknickt ist und durch eine Verlagerung des Antriebsendes mehr oder weniger seitlich ausweichend verformt wird, übt das Federelement eine im Wesentlichen gleichbleibende Federkraft aus, welche derart auf das verformte Federelement wirkt, dass das verformte Federelement aus einer verspannten Formgebung in eine entspannte Formgebung zurückverformt und dem zufolge das Antriebsende in Richtung der Entspannungsposition verlagert werden soll. Ein als Federknickstab ausgestaltetes Federelement hat gegenüber einer herkömmlichen Ausgestaltung eines derartigen Federelements als Schraubenfeder oder als Tellerfeder zahlreiche Vorteile. Die Federkennlinie eines innerhalb des seitlich ausgebeulten Verformungszustands verformten Federknickstabs ist über den gesamten Federweg hinweg näherungsweise konstant und nimmt mit zunehmender Verformung entgegen der Federkraft nur geringfügig zu. Die bei einer bestimmungsgemäßen maximalen Verformung des Federelements wirkenden Kräfte sind bei einem Federknickstab dem zufolge nur etwa halb so groß wie die maximalen Kräfte bei einer Schraubenfeder, mit welcher dieselbe Federenergiemenge gespeichert werden kann. Dadurch können die Aufnahme- und Zwangsführungseinrichtungen, die für eine Aufnahme der Federantriebseinrichtung in ein Gerät benötigt werden, schwächer dimensioniert werden. Auch eine Spannvorrichtung, mit welcher das als Knickstabfeder ausgestaltete Federelement verspannt werden kann, um Federenergie in dem Federelement zu speichern, kann mit weniger Kraft und deutlich leistungsärmer betrieben werden, wodurch sich die Herstellungs- und Betriebskosten eines solchen Geräts erheblich reduzieren lassen. Bei einer elektrisch betriebenen Spannvorrichtung wird weniger elektrische Energie für einen Aufladevorgang des Federelements benötigt. Falls die elektrische Energie über einen aufladbaren Akkumulator zur Verfügung gestellt wird, kann mit einer Akkumulatorladung eine größere Anzahl von Aufladevorgängen durchgeführt werden, bevor der Akkumulator wieder erneut elektrisch aufgeladen werden muss.
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Würde mit einer herkömmlichen Federantriebseinrichtung mit einer Schraubenfeder oder mit einer Tellerfeder mit einer linearen Federkennlinie dieselbe Federenergie gespeichert und auf das Antriebselement übertragen werden sollen, so müsste die maximale Kraftwirkung in der Aufladeposition etwa doppelt so groß wie bei der erfindungsgemäßen Federantriebseinrichtung vorgegeben werden. Die dadurch bedingten Anforderungen an die mechanische Stabilität der einzelnen Komponenten und an die Sicherheitsmaßnahmen, die für eine Vorrichtung mit einer derartigen Antriebseinrichtung mit einer herkömmlichen Federeinrichtung mit einer linearen Federkennlinie erfüllt werden müssen, sind deutlich größer und führen zu einem höheren Kostenaufwand.
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Einer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zufolge ist vorgesehen, dass die Entspannungsposition des Antriebsendes durch ein Anschlagselement vorgegeben ist, welches eine von dem Federelement angestrebte weitere Verlagerung des Antriebsendes längs des Verlagerungswegs begrenzt, bevor das Federelement die gesamte Federenergie abgeben kann, die zuvor in dem Federelement gespeichert wurde. Auf diese Weise kann mit einfachen konstruktiven Mitteln erreicht werden, dass das als Knickstabfeder ausgestaltete Federelement ausschließlich in dem bereits ausgeknickten Zustand gehalten und während einer Verlagerung des ersten Aufnahmelagers zwischen der Entspannungsposition und der Aufladeposition ausschließlich eine im Wesentlichen gleichbleibende Federwirkung erzeugt wird. Die Knickstabfeder wird dabei zu keinem Zeitpunkt völlig entspannt. Der für einen Betrieb der Antriebseinrichtung ungünstige Fall, dass für eine Verlagerung des Antriebsendes aus der Entspannungsposition bis zum Überschreiten der kritischen Druckbeanspruchung und dem seitlichen Ausknicken des Federelements zunächst eine vergleichsweise hohe Kraft aufgebracht werden müsste, ohne dass sich das Antriebsende nennenswert entlang des Verlagerungswegs verlagert, kann dadurch vermieden werden.
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Um die während einer bestimmungsgemäßen Verwendung der Federantriebseinrichtung speicherbare Federenergiemenge zu erhöhen und um die Federkraft zu erhöhen, die mit der Wirkverbindung auf das Antriebselement übertragen werden kann, kann optional vorgesehen sein, dass die Federantriebseinrichtung zwei oder mehr Federelemente aufweist, die jeweils an einem Lagerende gelagert und an einem Antriebsende an einem diesem Federelement zugeordneten Zahnrad drehbar gelagert sind.
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Die Erfindung betrifft auch eine Eintreibvorrichtung zum Eintreiben eines Befestigungsmittels in ein Objekt, wobei die Eintreibvorrichtung ein Gehäuse, eine in dem Gehäuse gelagerte Federantriebseinrichtung und eine Zwangsführungseinrichtung für ein Antriebselement aufweist, wobei das von der Federantriebseinrichtung über eine Wirkverbindung antreibbare Antriebselement entlang der Zwangsführungseinrichtung in Richtung eines Objekts verlagerbar ist und dadurch das Befestigungsmittel in das Objekt eintreibbar ist.
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Aus der Praxis sind verschiedene Eintreibvorrichtung bekannt, bei denen eine Antriebseinrichtung für ein üblicherweise als Eintreibstempel ausgebildetes Antriebselement pneumatisch betrieben wird. Dabei wird die für die Verlagerung des Eintreibstempels verwendete Druckluft häufig entweder über einen Luftschlauch von einem Kompressor oder aus einer Druckluftkartusche bzw. aus einer Gaskartusche zugeführt. Es hat sich gezeigt, dass eine ausreichende druckdichte Abdichtung der relevanten Komponenten aufwändig ist und oftmals nach einer vergleichsweise kurzen Nutzungsdauer die Abdichtungen undicht werden und die Energieübertragung auf den Eintreibstempel zunehmend geringer wird, bis kein zuverlässiger Betrieb der Eintreibvorrichtung mehr möglich ist.
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Bei einer mechanisch betriebenen Antriebseinrichtung wird ein Schwungrad beispielsweise elektrisch in Rotation versetzt und kann über einen vorspringenden Mitnehmer mit dem Antriebselement bzw. mit dem Eintreibstempel in Eingriff gebracht werden und diesen verlagern. Die Herstellung und der Betrieb derartiger Eintreibvorrichtungen ist kostenintensiv. Durch das rotierende Schwungrad wird die Handhabung solcher Eintreibvorrichtung erschwert.
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Es sind weiterhin Eintreibvorrichtungen bekannt, deren Antriebseinrichtung pyrotechnisch betrieben wird, sodass das Antriebselement bzw. der Eintreibstempel durch die pyrotechnische Expansionsenergie angetrieben und verlagert wird. Die Verwendung von pyrotechnischen Sprengkapseln ist aufwändig und kostenintensiv. Zudem entstehen bei der Nutzung einer solchen Eintreibvorrichtung oftmals Abgase und pulverförmige Reste der explodierenden Sprengkapseln, wodurch der Nutzungskomfort reduziert wird.
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Bei den aus der Praxis bekannten Eintreibvorrichtungen, deren Antriebseinrichtung als Federantriebseinrichtung ausgebildet ist, wird oftmals eine geringe Leistungsfähigkeit und das hohe Eigengewicht der Antriebseinrichtung als ungünstig empfunden. Für eine in der Federantriebseinrichtung speicherbare Federenergie von 500 J sind üblicherweise Federelemente mit einem Eigengewicht von 2 Kg und mehr erforderlich.
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Es wird deshalb als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen, eine Federantriebseinrichtung für eine derartige Eintreibvorrichtung so auszugestalten, dass das Antriebselement möglichst effizient beschleunigt und verlagert wird, und dass die Federantriebseinrichtung möglichst verschleißarm ausgebildet und für eine lange Nutzungsdauer geeignet ist.
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Diese Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird dadurch gelöst, dass bei einer Eintreibvorrichtung mit einer Federantriebseinrichtung die Federantriebseinrichtung erfindungsgemäß ausgestaltet ist und eine der voranstehend beschriebenen Merkmalskombinationen aufweist.
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Das Antriebselement wird während der Verlagerung des Antriebsendes des Federelements von der Aufladeposition bis zur Entspannungsposition durch die Federkraft beschleunigt. Durch die in vorteilhafter Weise vorgesehene Übersetzung zwischen der Verlagerung des Antriebsendes des Federelements einerseits und des über eine Wirkverbindung angetriebenen Antriebselements andererseits kann eine sehr schnelle Verlagerung des Antriebselements über einen Verlagerungsweg hinweg bewirkt werden, wobei der Verlagerungsweg des Antriebselements deutlich länger als der Federweg bzw. als ein Verlagerungsweg des Antriebsendes des Federelements von der Aufladeposition in die Entspannungsposition ist.
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Das Federelement kann eine beliebige Formgebung aufweisen und beispielsweise als Schraubenfeder, als Tellerfeder, als mäanderförmiges Federelement oder auch als Knickstabfeder ausgestaltet sein. Die Ausgestaltung als Knickstabfeder wird als besonders vorteilhaft erachtet, da in diesem Fall mit dem Federelement über den gesamten Verlagerungsweg des Antriebsendes hinweg eine nahezu gleichbleibende Federkraft ausgeübt wird und über die Wirkverbindung auf das Antriebselement übertragen werden kann.
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Das Antriebselement kann während seiner Verlagerung innerhalb der Zwangsführung ausgehend von einer Ausgangsposition in Richtung einer Endposition über eine Antriebsweglänge hinweg zunächst von der Federkraft des sich entspannenden Federelements angetrieben werden. Die Federkraft wirkt dabei so lange auf das Antriebselement, wie das Antriebsende des Federelements entlang des Verlagerungswegs aus der Aufladeposition bis in die Entspannungsposition verlagert wird. Danach kann beispielsweise ein Eintreibstempel von dem Antriebselement entkoppelt werden, mit dem Befestigungsmittel in Eingriff treten und sich zusammen mit dem Befestigungsmittel als träge Masse längs seiner Zwangsführung weiter in der Eintreibrichtung zu der durch einen geeigneten Endanschlag vorgegebenen Endposition hin bewegen. Durch eine geeignete Dimensionierung der Zwangsführung und des Verlagerungswegs für das Antriebselement und für den Eintreibstempel kann das Risiko verringert werden, dass bei einem unerwarteten Aufprall des eindringenden Befestigungsmittel auf ein Hindernis die Federeinrichtung noch eine Federkraft auf den Eintreibstempel ausübt und die bis dahin noch in der Federeinrichtung gespeicherte Federenergie über einen unerwünschten Rückstoß der Antriebseinrichtung abgeführt werden muss.
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Die Federantriebseinrichtung kann als modulare Einheit gesondert hergestellt und mit geringem Aufwand in das Gehäuse der Eintreibvorrichtung eingesetzt werden.
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Die Eintreibvorrichtung kann ein Magazin für mehrere Befestigungsmittel aufweisen, die entweder manuell oder automatisiert der Federantriebseinrichtung zugeführt und an den Eintreibstempel anliegend positioniert werden können. Zweckmäßigerweise ist dabei vorgesehen, dass aus dem Magazin nach einer ersten Betätigung der Federantriebseinrichtung, wodurch ein erstes Befestigungsmittel in das Objekt eingetrieben wird, und vor einer nachfolgenden zweiten Betätigung der Federantriebseinrichtung automatisiert ein zweites Befestigungsmittel der Federantriebseinrichtung zugeführt wird und nach der zweiten Betätigung der Federantriebseinrichtung in dasselbe oder in ein anderes Objekt eingetrieben werden kann. Auf diese Weise können Eintreibvorrichtungen bereitgestellt werden, mit denen ein Befestigungsmittel oder sogar mehrere Befestigungsmittel je Sekunde in ein Objekt eingetrieben werden können.
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Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsbeispiele näher erläutert, die exemplarisch in den Zeichnungen dargestellt sind. Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Federantriebseinrichtung,
- 2 eine schematische Darstellung einer abweichend ausgestalteten Federantriebseinrichtung,
- 3 eine schematische Darstellung einer wiederum abweichend ausgestalteten Federantriebseinrichtung, und
- 4 eine schematische Schnittansicht einer Eintreibvorrichtung, mit welcher ein Befestigungsmittel in ein Objekt eingetrieben werden kann.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel für eine Federantriebseinrichtung 1 schematisch dargestellt. Die Federantriebseinrichtung 1 weist ein als Knickstabfeder ausgestaltetes und gelagertes stabförmiges Federelement 2 auf. Das Federelement 2 ist an einem Lagerende 3 des Federelements 2 ortsfest und gelenkig gelagert. An einem dem Lagerende 3 gegenüberliegenden Antriebsende 4 des Federelements 2 ist ein Zahnrad 5 mit einem zentrisch in dem Zahnrad 5 angeordneten Rotationslager 6 drehbar gelagert. Das Zahnrad 5 greift in eine gradlinig verlaufende Federelementzahnstange 7 ein, sodass ein Zahnstangengetriebe gebildet wird. Die Federelementzahnstange 7 ist dabei ortsfest und starr relativ zu dem Lagerende 3 des Federelements 2 angeordnet. Bei einer Verlagerung des Antriebsendes 4 des Federelements 2 parallel zu der Federelementzahnstange 7 führt das formschlüssig mit der Federelementzahnstange 7 in Eingriff stehende Zahnrad 5 eine Rotationsbewegung um das Rotationslager 6 aus.
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Auf einer der Federelementzahnstange 7 gegenüberliegenden Seite des Zahnrads 5 ist ein Antriebselement 8 in einer nicht näher dargestellten Zwangsführungseinrichtung gelagert, wobei die Zwangsführungseinrichtung ausschließlich eine lineare Verlagerung des Antriebselements 8 längs einer durch einen Doppelpfeil 9 angedeuteten Antriebsrichtung zulässt. Das Antriebselement 8 wird von einem als Antriebszahnstange 10 ausgestalteten Antriebsmittel 11 angetrieben. Die Antriebszahnstange 10 ist ebenfalls in der Zwangsführungseinrichtung zwangsgeführt gelagert. Die Antriebszahnstange 10 steht ebenfalls mit dem Zahnrad 5 in einem formschlüssigen Eingriff, sodass über das Zahnrad 5 und die Antriebszahnstange 10 eine Wirkverbindung zwischen dem Antriebsende 4 des Federelements 2 einerseits und dem Antriebselement 8 andererseits besteht. Bei einer durch eine Abrollbewegung entlang der Federelementzahnstange 7 erzwungenen Rotationsbewegung des Zahnrads 5 während einer im Wesentlichen linearen Verlagerung des Antriebsendes 4 des Federelements 2 werden die Antriebszahnstange 10 und über die Antriebszahnstange 10 das Antriebselement 8 zu einer linearen Verlagerung längs einer durch die Zwangsführungseinrichtung vorgegebenen Antriebsrichtung angetrieben. Die zwangsgeführte Antriebszahnstange 10 bildet in Verbindung mit der ortsfest angeordneten Federelementzahnstange 7 eine Zwangsführungseinrichtung für das Zahnrad 5 und damit auch für das Antriebsende 4 des Federelements 2.
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Während einer bestimmungsgemäßen Nutzung der Federantriebseinrichtung 1 wird das Antriebsende 4 des Federelements 2 aus einer Entspannungsposition entgegen einer durch die dabei erzwungene Verformung des Federelements 2 verursachten Federkraft in eine näher an dem Lagerende 3 befindliche Aufladeposition verlagert. Dabei wird das Federelement 2 aufgeladen und Federenergie in dem Federelement 2 gespeichert. Bei einer durch die Federkraft bewirkten Verlagerung des Antriebsendes 4 aus der Aufladeposition zurück in die Entspannungsposition wird die zuvor gespeicherte Federenergie freigesetzt und zum Antreiben des Antriebselements 8 in kinetische Energie umgewandelt.
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Durch das Zahnstangengetriebe bewirkt das Zahnrad 5 eine Übersetzung bei der Verlagerung des Antriebselements 8 im Vergleich zu der Verlagerung des Antriebsendes 4 des Federelements 2. Ein Verlagerungsweg der Antriebszahnstange 10 und des Antriebselements 8 ist dabei doppelt so lang wie ein Federweg des Antriebsendes 4, bzw. wie eine Verlagerung des Antriebsendes 4 zwischen der Entspannungsposition und der Aufladeposition. Eine Verlagerungsgeschwindigkeit des Antriebselements 8 längs der durch die Zwangsführungseinrichtung vorgegebenen Antriebsrichtung ist doppelt so groß wie die Verlagerungsgeschwindigkeit des Antriebsendes 4 des Federelements 2.
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In 2 ist exemplarisch ein abweichend ausgestaltetes Ausführungsbeispiel für die Federantriebseinrichtung 1 schematisch dargestellt. Das Zahnrad 5 ist drehfest mit einem Übersetzungsrad 12 verbunden, welches ebenfalls als Zahnrad ausgestaltet ist und entlang eines Umfangsrands Zähne aufweist. Ein Radius des Übersetzungsrads 12 ist größer als ein Radius des Zahnrads 5. Das wie auch bei dem vorausgehend erläuterten Ausführungsbeispiel gemäß 1 als Antriebszahnstange 10 ausgestaltete Antriebsmittel 11 greift formschlüssig in die Zähne des Übersetzungsrads 12 ein und bildet ebenfalls ein Zahnstangengetriebe bzw. eine Wirkverbindung zwischen dem Antriebsende 4 des Federelements 2 und dem Antriebselement 8, die sich über das Zahnrad 5 und das Übersetzungsrad 12 sowie über das als Antriebszahnstange 10 ausgestaltete Antriebsmittel 11 hinweg erstreckt. Über die unterschiedlichen Radien des Zahnrads 5 einerseits und des Übersetzungsrads 12 andererseits kann innerhalb eines weiten Bereichs ein Übersetzungsverhältnis zwischen der Verlagerung des Antriebsendes 4 des Federelements 2 und der Verlagerung des Antriebselements 8 vorgegeben werden, ohne dass dabei ein Raumbedarf für die Federantriebseinrichtung 1 merklich größer wird.
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Bei dem in 3 beispielhaft und schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel einer wiederum abweichend ausgestalteten Federantriebseinrichtung 1 weist die Federantriebseinrichtung 1 ein Seil 13 auf, welches als Antriebsmittel 11 dient. Das Seil 13 ist in einer entlang eines Umfangsrands 14 des Übersetzungsrads 12 verlaufenden Umfangsnut 15 so gelagert, dass das Seil 13 mindestens abschnittsweise entlang des Umfangsrands 14 des Übersetzungsrads 12 anliegt und ein von dem Übersetzungsrad 12 abstehender bzw. beabstandeter Seilabschnitt 16 bei einer bestimmungsgemäßen Nutzung der Federantriebseinrichtung 1 längs der vorgegebenen Verlagerungsrichtung des Seilabschnitts 16 verlagert wird. Das Seil 13 muss nicht gradlinig geführt sein und tangential von dem Übersetzungsrad 12 weg verlaufen. Es ist ebenfalls möglich, dass das Seil 13 einmalig oder mehrfach umgelenkt wird, sodass unabhängig von einer Anordnung und Ausrichtung des Federelements 2 der Verlagerungsweg des Antriebselements 8 nahezu beliebig vorgegeben werden kann. Auf diese Weise kann die Federantriebseinrichtung 1 an unterschiedliche räumliche Vorgaben angepasst werden.
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In 4 ist als exemplarisches Beispiel für eine Verwendung der Federantriebseinrichtung 1 eine Eintreibvorrichtung 17 mit einer erfindungsgemäß ausgestalteten Federantriebseinrichtung 1 schematisch dargestellt. Mit der Eintreibvorrichtung 17 kann ein ebenfalls exemplarisch als Nagel ausgebildetes Befestigungsmittel 18 in ein Objekt 19 eingetrieben werden. Die Eintreibvorrichtung 17 weist ein Gehäuse 20, die in dem Gehäuse 20 gelagerte Federantriebseinrichtung und eine Zwangsführungseinrichtung 21 für das Antriebselement 8 auf. Die Federantriebseinrichtung 1 ist im Wesentlichen wie das in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel ausgestaltet und weist das als Knickstabfeder ausgestaltete Federelement 2, das an der Federelementzahnstange 7 abrollende Zahnrad 5 und das als Antriebszahnstange 10 ausgestaltete Antriebsmittel 11 zum Antreiben des Antriebselements 8 auf. Das das über diese Wirkverbindung der Federantriebseinrichtung 1 antreibbare Antriebselement 8 treibt bei einer Betätigung der Eintreibvorrichtung 17 mittels eines Betätigungselements 22 entlang der Zwangsführungseinrichtung das Befestigungsmittel 18 in Richtung des Objekts 19 an, sodass das aus dem Gehäuse 20 austretende Befestigungsmittel 18 in das Objekt 19 eindringen kann.
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Die Eintreibvorrichtung 17 weist eine lediglich schematisch angedeutete elektrisch betriebene Aufladevorrichtung 23 auf, mit welcher das Federelement 2 verformt und mit Federenergie aufgeladen werden kann. Die elektrische Energie für einen Betrieb der Aufladevorrichtung 23 wird von einem elektrischen Akkumulator 24 zur Verfügung gestellt. Mit einer Steuereinrichtung 25 wird der Betrieb der Eintreibvorrichtung 17 gesteuert. In einem Magazin 26 der Eintreibvorrichtung 17 ist eine Anzahl von Befestigungsmitteln 18 bevorratet. Nach jedem Antriebsvorgang, mit welchem das Antriebselement 8 zum Eintreiben eines Befestigungsmittels 18 in das Objekt 19 angetrieben und verlagert wird, kann automatisiert das Federelement 2 wieder verformt und Federenergie in dem verformten Federelement 2 gespeichert werden und parallel oder zeitlich aufeinanderfolgend dazu ein weiteres Befestigungsmittel 18 aus dem Magazin 26 in eine Eintreibposition verlagert werden, sodass die Eintreibvorrichtung 17 für einen weiteren Antriebsvorgang vorbereitet ist, der mittels einer Betätigung des Betätigungselements 22 ausgelöst werden kann.