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Die
Erfindung betrifft einen Schwenkantrieb für eine Armatur, der in einem
Arbeitsraum mit Druckmittel derart beaufschlagbar ist, dass mittels
einer beweglichen Kolbeneinheit und Übertragungsorganen ein Abtriebsorgan,
das mit einer Schaltwelle der Armatur in Eingriff bringbar ist,
um einen Winkel verschwenkbar ist, wobei der Schwenkantrieb mindestens
eine Rückstellfeder
aufweist, mittels der insbesondere eine gegen das Druckmittel wirkende
Gegenkraft erzeugbar ist und die in oder über einer Führungseinrichtung mit einem
Abstand zu dieser geführt
ist.
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Schwenkantriebe
der beschriebenen Art sind bekannt aus den Schriften
DE 24 05 297 A1 ,
DE 44 00 743 A1 und
DE 198 28 465 C2 .
Bekanntermaßen werden
Schwenkantriebe zum Öffnen
und Schließen von
Regelarmaturen, insbesondere von Klappen, Hähnen und Ventilen verwendet.
Oft müssen Schwenkantriebe
in technischen Anlagen, für
die besondere Sicherheitsvorschriften gelten, die genannten Aufgaben
erfüllen
und sind dadurch selbst Organe, an welche erhöhte bis höchste sicherheitstechnische
Ansprüche
gestellt werden.
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Dabei
bilden die Rückstellfedern,
die gegen das hydraulische oder pneumatische Druckmittel wirken,
die also bei Druckabfall den Stellantrieb und damit die Leitungsarmatur
in eine Sicherheitsstellung (die die Öffnungs- oder die Schließstellung
sein kann) überführen, ein
besonderes, da sicherheitsrelevantes Bauteil. Da der Bruch einer
oder mehrerer Rückstellfedern
die Sicherheitsfunktion des Stellantriebs in Frage stellt und damit
unter Umständen
die gesamte Anlage gefährdet,
ist die Vermeidung oder zumindest die Minimierung dieses Sicherheitsrisikos erforderlich.
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Oftmals
wird ein derartiger Bruch der Rückstellfeder
dadurch initiiert, dass die Rückstellfeder
in gespanntem, d.h. komprimiertem Zustand aus der idealen Mittellinie
heraus ausweicht (ausknickt) und somit die reale Mittellinie einen
Bogen zwischen den eingespannten Enden der Rückstellfeder bildet. Das Ausweichen
führt oft
zu einer Berührung
mit den die Rückstellfeder
umgebenden Bauteilen, wodurch die Oberfläche der Feder auf Dauer geschädigt wird, etwa
durch Abtragung eines Korrosionsschutzes und/oder durch Kerbwirkung.
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Korrosion
ist bei derartigen Schwenkantrieben deshalb ein Problem, weil die
Federn dauernd in Kontakt mit dem Druckmittel, insbesondere Druckluft stehen,
worin korrosive Bestandteile enthalten sind, die mit jedem Arbeitszyklus
des Schwenkantriebs erneut an die Feder herangeführt werden.
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Eine
bekannte Maßnahme
gegen ein derartiges Ausknicken ist eine Führungseinrichtung – etwa in
Form eines Dornes oder einer Hülse – auf die/in
die die Rückstellfeder
gesteckt wird. Jedoch haben beide Varianten wiederum eine Reibung
der Rückstellfeder an
der Führungseinrichtung
(wenn auch weniger ausgeprägt,
da in weniger ausgelenktem Zustand) und damit Oberflächenbeschädigung,
Verlust des Korrosionsschutzes etc. zur Folge. Diese Maßnahme ist
deshalb allein keine geeignete Lösung
für die
genannten Probleme.
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Aus
der
DE 93 14 412 U1 ist
ein druckmittelbetätigter
Stellantrieb bekannt, bei dem im Innern jeder Rückstellfeder ein „Stützelement" in Form zweier teleskopartig
ausziehbarer Hülsenelemente
vorhanden ist. Auf der äußeren Mantelfläche des
im Durchmesser größeren Hülsenelements
stützt
sich ein Teil der Windungen der Rückstellfeder mit ihrer Innenseite
ab. Das äußere Hülsenelement
ist des Weiteren an einem Ende mit einem radial nach außen vorstehenden
Flansch zwischen der letzten Windung der Feder und einem Gehäusedeckel
eingeklemmt, so dass eine Bewegung dieses Teils des Stützelements
relativ zu dem Gehäuse
nicht stattfinden kann. Der bekannte Stellantrieb weist den Nachteil
auf, dass bei einer Bewegung des Kolbens und somit einer Verkürzung bzw.
Verlängerung
der wirksamen Federlänge eine
gleitende Bewegung zwischen der Innenseite der Federwindungen und
der äußeren Mantelfläche des
im Durchmesser größeren Hülsenteils
des Stützelements
stattfindet. Eine derartige gleitende Relativbewegung im Bereich
der Windungen ist unerwünscht,
da hierdurch die bereits zuvor erläuterte Problematik eines Federbruchs
hervorgerufen werden kann.
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Aufgabe
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schwenkantrieb zu schaffen,
dessen Rückstellfeder
besser vor Oberflächenschädigung,
Kerbeinwirkung und Knickung und den Folgen in Form von Korrosion
und schließlich
Bruch geschützt
ist.
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Lösung
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Die
Aufgabe wird bei dem Schwenkantrieb erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass mindestens ein Stützelement,
das einerseits mit mindestens einer Windung der Rückstellfeder
derart gekoppelt oder zwischen zwei Windungen derart angeordnet ist,
dass es einer Bewegung der Windungen der Rückstellfeder im wesentlichen
ohne Relativbewegung folgt und das sich andererseits mit einer Stützfläche an der
Führungseinrichtung
abstützt
und relativ zu dieser gleitend verschiebbar ist.
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Von
besonderem Vorteil ist es, wenn das Stützelement ein Ringelement ist,
das mit seiner Mantel- oder Innenfläche in oder auf einem Führungsglied
der Führungseinrichtung
positionierbar, verschiebbar und mit seiner Innen- oder Mantelfläche in oder
an die Windung der Rückstellfeder
entweder mit radialem Spiel gegenüber dieser oder mittels Pressung
einsetzbar oder anlegbar ist.
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Bei
einer Kompression der Rückstellfeder kann
sich das Ringelement, insbesondere in Form eines Gleitrings, auf
oder in der Führungseinrichtung entlang
verschieben. Die Verschiebung und dazu proportional die Reibung
ist dann minimal, wenn das Ringelement mittig auf oder in der Längsposition
der Rückstellfeder
angeordnet ist, da die Relativbewegung der Rückstellfeder zum Ringelement,
die in einer Änderung
der Windungsabstände
der Rückstellfeder
besteht, in diesem Fall ebenfalls minimal ist. Variationen hinsichtlich
der Federkonstanten beider Hälften
der Rückstellfeder
können,
falls diese von beiden Federenden aus komprimiert wird, im übrigen zu
einer größeren Relativbewegung
führen;
für die Rückstellfederoberfläche dürfte dieser
Umstand jedoch keine Rolle spielen, da die Rückstellfeder sich nur gegenüber dem
Ringelement in oben beschriebener Relativbewegung bewegt. Neben
der bevorzugten Mittenposition ist das erfindungsgemäße Ringelement
jedoch auch in jeder anderen Position verwendbar und generell von
Vorteil.
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Sollte
bei besonders empfindlicher Federbeschichtung diese dennoch durch
das Ringelement abgetragen werden, so wird durch die Wahl eines
geeigneten Materials für
das Ringelement eine positive „Politurwirkung" erreicht, d.h. Korrosionsstoffe
werden vorteilhafter Weise sogar abgetragen, ehe sie eine schädliche Agglomerierung
bilden können.
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Durch
die Verwendung des Ringelementes wird ohne die bekannten Nachteile
hinsichtlich der Oberflächenbeschädigung ein
Abknicken wirksam vermieden, da die durch das Ringelement verursachte
zusätzliche
Federlagerung, insbesondere in der Federmittenposition, sicherstellt,
dass die für
ein Ausknicken der Rückstellfeder
mit ausschlaggebende aktive Federlänge -die sog. Knicklänge- halbiert wird.
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Besonders
bevorzugt soll zudem sein, dass das Ringelement aus einem Elastomer,
insbesondere aus Gummi, oder aber aus Polytetrafluorethylen besteht.
Durch die Wahl eines dieser Materialen wird die Verschiebbarkeit
des Ringelements auf oder in der Führungseinrichtung erheblich
erleichtert und gleichzeitig ein Material verwendet, dessen Abriebwirkung
auch für
empfindliche Beschichtungen reduziert, dessen Politurwirkung jedoch
erhöht
wird, wodurch schließlich
vorteilhaft ein Entstehen und Festsetzen von korrosiven Stoffen
(Rost etc.) vermieden wird.
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Eine
erfindungsgemäße Weiterbildung
soll sein, dass das Ringelement mittels eines Formschlusselements
in oder auf der Rückstellfeder
fixierbar ist und eine Verschiebbarkeit und damit ein Abrieb zwischen
Rückstellfeder
und Ringelement noch weiter reduziert wird. Das Formschlusselement
kann etwa die Form einer Ausbuchtung oder die in Form eines Vorsprungs,
etwa einer Nase, besitzen, welche formschlüssig zwischen den Windungen
der Rückstellfeder
eingreift.
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Ebenfalls
weitergebildet wird die Erfindung dadurch, dass das Ringelement
gefettet ist um den möglichen
Abrieb noch weiter zu reduzieren und die Verschiebbarkeit des Ringelementes auf
bzw. in der Führungseinrichtung
nochmals zu verbessern, d.h. Haft- und Gleitreibung zu minimieren.
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Generell
ist die Erfindung sowohl für
eine hülsenförmigen Führungseinrichtung
mit innenliegender Rückstellfeder
als auch für
eine dornförmige Führungseinrichtung
mit außenliegender
Rückstellfeder
gleichermaßen
geeignet; erfindungswesentlich ist, dass sich dazwischen ein erfindungsgemäßes Ringelement
befindet, welches relativ zu der Führungseinrichtung beweglich,
mit der Rückstellfeder jedoch
im wesentlichen unbeweglich gekoppelt ist.
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Im Übrigen ist
die Erfindung für
ein vormontierbares Federpaket, etwa mit schon vorgespannter und
optional in ihrer Vorspannung einstellbarer Rückstellfeder und für eine an
mindestens einem Federende oder an beiden Enden nicht fixierte Rückstellfeder erfindungsgemäß gleichermaßen geeignet,
da die Federbruchvermeidung in erster Linie durch das erfindungsgemäße Ringelement
erfolgt und nicht durch eine endseitige Halterung der Rückstellfeder.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines schematisierten Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es
zeigt:
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1 einen
Längsschnitt
durch einen Schwenkantrieb mit drei Rückstellfedern,
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2 eine
Seitenansicht auf eine Rückstellfeder
gemäß 1 mit
Führungseinrichtung
und Ringelement und
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3 einen
Schnitt durch eine Rückstellfeder
gemäß 1 mit
Führungseinrichtung
und Ringelement.
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Der
in 1 schematisch dargestellte Schwenkantrieb 1 weist
in seinem zylinderförmigen Gehäuse 2 mit
zwei endseitigen Deckeln 3, 3' eine Schaltwelle 4 einer
hier nicht gezeigten Armatur auf, die durch zwei Kolbeneinheiten 5, 5' von zwei Federräumen 6, 6', in denen sich
jeweils bis zu sieben Federpakete 7, 7', 7'' befinden, getrennt ist. Die Schaltwelle 4 befindet
dabei in einem mit Druck von pneumatischen oder hydraulischen Druckmitteln
beaufschlagbaren Arbeitsraum 8, die beiden Federräume 6, 6' sind mit der
Umgebung durch nicht gezeigte Durchtrittsöffnungen verbunden, so dass
in ihnen stets der Umgebungsdruck herrscht.
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Die
Kolbeneinheiten 5, 5' sind jeweils einstückig mit
einem Übertragungsorgan 9, 9' in Form einer Zahnstange
verbunden. Beide Zahnstangen kämmen
mit einem Abtriebsorgan 10 in Form eines Zahnrades, wobei
die Zahnstangen auf gegenüberliebenden
Seiten des Abtriebsorgans 10 angeordnet sind. Das Abtriebsorgan 10 befindet
sich ebenfalls formschlüssig
mit der Schaltwelle 4 in Eingriff.
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Durch
den Formschluss der Verzahnung sind die beiden Kolbeneinheiten 5, 5' nur voneinander
abhängig
bewegbar, so dass bei einer Druckbeaufschlagung des Arbeitsraumes 8 die
beiden Kolbeneinheiten 5, 5' auseinanderfahren und ihre Lateralbewegung
jeweils über
die Zahnstangen und das Zahnrad in eine Rotationsbewegung des Abtriebsorgans 10 – in diesem
Fall gegen den Uhrzeigersinn – und
damit der Schaltwelle 4 übertragen. Die Kolbeneinheiten 5, 5' weisen im übrigen an
ihren kreisförmigen
Wandungen jeweils druckdichte Dichtungs- und Gleitelemente 11, 11', 12, 12' in Form von
O-Ringen und Gummistücken
auf.
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Der
Druckbeaufschlagung wirken bei dem dargestellten Schwenkantrieb 1 bis
zu vierzehn Federpakete 7, 7', 7'',
d.h. pro Federraum 6 bis zu sieben Federpakete 7, 7', 7'' entgegen, welche jeweils auf radial
innnen liegenden in Führungseinrichtungen 13, 13', 13'' geführt sind. Drei der maximal
vierzehn Federpakete 7, 7', 7'' mit
ihren Rückstellfedern 14, 14', 14'' und Führungseinrichtungen 13, 13', 13'' sind gezeigt. Jede Rückstellfeder 14, 14', 14'' mit Führungseinrichtung 13, 13', 13'' kann in einer von sieben Federkammern 15 des
jeweiligen Federraums 6, 6' aufgenommen werden. Die Federkammern 15 erstrecken
sich mit gegenüberliegenden
topfförmigen Endbereichen
sowohl in die Deckel 3, 3' als auch in die Kolbeneinheit 5, 5' Durch die Variation
der Anzahl von Rückstellfedern 14, 14', 14'' kann entsprechend stufenweise
der Gegendruck eingestellt werden, der für die jeweilige Anwendung – abhängig vom
Betriebsdruck der Druckmittelversorgung und dem für die Armatur
benötigtem
Betätigungsmoment – am besten
geeignet ist.
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In 2 ist
eine Seitenansicht auf die Rückstellfeder 14 mit
Führungseinrichtung 13 und
einem Ringelement 16 dargestellt. Dabei besteht die Führungseinrichtung 13 aus
insgesamt drei Führungsgliedern 17, 18, 18' und zwar einem
hülsenförmigen Mittelstück mit an
jeweils beiden Enden radial nach außen avorsehenden und mit einem
Außenkonus versehenen
umlaufenden Bund 19 und zwei über das Mittelstück schiebbaren
Führungsflanschen,
die mit jeweils acht Schnapphaken 20 auf das Mittelstück aufgesteckt
sind und die mittels jeweils einem vorstehenden Außenbund 21 die
Rückstellfeder 14 vorgespannt
halten und deren Endwindung abstützten. Selbstverständlich ist
es ebenso möglich,
die Rückstellfeder 14 in
der hier nicht gezeigten Führungseinrichtung
zu führen
und vorzuspannen, ebenso leicht mög lich ist es, dass die Führungsflansche
sich gegenüber
dem Mittelstück
verstellen lassen, etwa mittels eines Gewindes, wodurch die Federlänge verkürzt oder
verlängert
werden kann. Erfindungswesentlich ist das Ringelement 16,
hier aus Gummi, welches in 3 im Schnitt
dargestellt ist. Das Ringelement 16 ist gefettet und befindet
sich innerhalb der Rückstellfeder 13 auf
halber Federlänge.
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3 zeigt
verdeutlicht einen Schnitt durch eine Rückstellfeder 14 mit
Führungseinrichtung 13 und
Ringelement 16 gemäß den 1 und 2. Das
Ringelement 16 mit einer inneren MAntelfläche 22 und
einer äußeren Mantelfläche 23 dient
innerhalb des gezeigten Federpaketes 7 der Vermeidung des Ausknickens
der Rückstellfeder 14 auf
dem Führungsglied 17 in
Form des Mittelstückes.
Da das Ringelement 16 aus Gummi besteht, werden keinerlei kerbartige
oder abrasive Oberflächenschäden an der Rückstellfeder 14 erzeugt.
Ein Verschleiß einer
eventuell vorhandenen Beschichtung an der Rückstellfeder 14 wird
gering ausfallen. Im Gegenzug wird ein betroffener Bereich jedoch
von dem Ringelement 16 überstrichen
bzw. überdeckt
und durch eine „Politur" geglättet und
von auftretenden Korrosionsprodukten befreit.
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Eine
Beeinträchtigung
der Dauerfestigkeit der Rückstellfeder 14 oder
das Ausknicken mit der Gefahr einer Beschädigung der Rückstellfeder 14 und
der Folge eines Bruchs, ist damit nicht mehr zu erwarten. Durch
geeignete Maßnahmen
wie leichte Pressung des Ringelementes 16 an die Rückstellfeder 14 durch
ein entsprechendes radiales Übermaß des Ringelementes 16 oder
durch die Ausformung eines Formschlusselementes 24, welches
gestrichelt dargestellt ist, lassen sich die positiven Eigenschaften
hinsichtlich Genauigkeit der Federführung noch weiter verbessern
und sich die Relativbewegung zwischen der Rückstellfeder 14 und
dem Ringelement 16 noch besser verhindern. So kann etwa
durch das Formschlusselement 24 in Form einer Nase, die formschlüssig zwischen
die Windungen der Rückstellfeder 14 eingreift,
eine zunächst
frei wählbare und
im wesentlichen feste Position des Ringelementes 16 innerhalb
der Rückstellfeder 14 erreicht
werden. Eine Relativbewegung kann sodann nur noch dadurch auftreten,
dass sich der Abstand der den nasenförmigen Vorsprung umgebenden
Windungen zueinander im Wege des Kompressions- und Entspannungsvorgangs
der Rückstellfeder 14 leicht
verändert.
Diese Relativbewegung ist jedoch nur ein Bruchteil des Gesamtweges,
um den die Rückstellfeder 14 verkürzt wird
oder des Verschiebeweges den die mittlere Windung relativ zu der
Führungseinrichtung 13 vollführt.
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- 1
- Schwenkantrieb
- 2
- Gehäuse
- 3,
3'
- Deckel
- 4
- Schaltwelle
- 5,
5'
- Kolbeneinheit
- 6,
6'
- Federraum
- 7,
7', 7''
- Federpaket
- 8
- Arbeitsraum
- 9,
9'
- Übertragungsorgan
- 10
- Abtriebsorgan
- 11,
11'
- Dichtungselement
- 12,
12'
- Gleitelement
- 13,
13', 13''
- Führungseinrichtung
- 14,
14', 14''
- Rückstellfeder
- 15
- Federkammer
- 16
- Ringelement
- 17,
18, 18'
- Führungsglied
- 19
- Bund
- 20
- Schnapphaken
- 21
- Außenbund
- 22,
23
- Mantelfläche
- 24
- Formschlusselement