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Durch ein Fluid betätigbarer Stellantrieb
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Die Erfindung betrifft einen durch ein Fluid betätigbaren Stellantrieb
mit wenigstens einem Arbeitszylinder, der mit eine Translationsbewegung einer Kolbenstange
in eine Drehbewegung umwandelnden Getriebeelementen in Verbindung steht.
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Derartige bekannte Stellantriebe werden eingesetzt, um Kugelhähne,
KUkenhähne, Absperrklappen und Regelklappen selbsttätig zu betätigen, insbesondere
durch Fernbetätigung. Da die Betätigung des Stellantriebs nicht elektrisch, sondern
durch ein Fluid, vorzugsweise Druckluft, erfolgt, erfüllt dieser bekannte Stellantrieb
die insbesondere im Anlagenbau häufig gestellte Forderung, explosionsgeschützt zu
sein.
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Der eingangs genannte bekannte Stellantrieb besteht im einzelnen aus
einem pneumatischen Arbeitszylinder mit einem Betätigungsarm, welcher direkt an
die Dreh- oder Schwenkwelle eines Ventils angreift. - Nachteilig hierbei sind Jedoch
die sperrige Bauweise und die von dem Betätigungsarm auf die Stopfbuchsen des Ventils
ausgeübten Seitenkräfte, die zum frühzeitigen Verschleiß der Dichtungen führen können.
Wenn das Ventil bei Ausfall der Druckluft durch einen Per er geschlossen werden
soll, ist diese Fed.erkonstruktion verhältnismäßig umständlich.
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Zum Stand der Technik gehört ferner ein Doppelkolbenantrieb, in dessen
Gehäuse zwei beidseitig beaufschlagbare Kolben linear verschiebbar angeordnet sind.
Aus den Kolben sinr Zaìmstangen ausgeformt, die mit einem Rizel in Eingriff stehen,
um die S-tellkräfte von den Kolben auf eine Schwenkachse zu übertragen. -Durch diese
Bauweise werden zwar Dichtungen der in dem Gehause gelagerten Schwenkachse, die
unter dem Druck des Fluid stehen, und Kolbendichtungen verhältnismäßig geschont.
Auch hier versuchen aber die zwischen Zahnstange und Ritzel auftretenden Kräfte,
den Kolben zu kippen. Um diese Kräfte ohne Störungen abzufangen, ist eine verhältnismäßig
aufwendige Rauweise,insbesondere
hinsichtlich der Führung der Kolben
und ihrer Schmierung erforderlich. Die komplizierten Formen der einzelnen Elemente
des Doppelkolbenantriebs ist fertigungstechnisch ungUnstig. Bei einer notwendigen
Reparatur ist die Demontage des Doppelkolbenantriebs aufwendig.
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Ein weiterer bekannter durch ein Fluid betatigbarer Stellantrieb,
der eine Drehbewegung erzeugt, ist der FlUgelantrieb mit einem Gehäuse in Form eines
Viertel-Kreisausschnittes. In dem Gehäuse ist ein FlUgel um eine Schwenkachse schwenkbar
gelagert. Der Flügel muß gegenUber dem Gehäuse zur Bildung des Arbeitsdrucks sorgfältig
abgedichtet sein, beispielsweise durch eine Lippendichtung oder eine 0-Ring-Dichtung.
Die RUckstellung erfolgt durch eine in der Art einer Uhrfeder geformte Feder. -
Dieser Flugelantrieb bedingt also verhältnismäßig kompliziert geformte Teile, insbesondere
ein Gußgehäuse und den sorgfältig abzudichtenden FlUgel. Nachteilig ist ferner,
daß der Schwenkwinkel oder Drehwinkel durch das Gehäuse festgelegt ist und normalerweise
90° nicht überschreiten kann. Auch bei dem Flügelantrieb treten Seitenkräfte auf,
welche die Schwenkwelle und deren Lager beanspruchen.
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Im wesentlichen die gleichen Nachteile wie fUr den FlUgelantrieb gelten
fUr den ebenfalls zum Stand der Technik gehörenden Schwenkkolbenantrieb mit einem
annähernd kreisscheibenförmigen Gehäuse, in dem ein als Ringtorus geformter Schwenkkolben
schwenkbar gelagert ist.
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Zu der vorliegenden Erfindung gehört daher die Aufgabe, einen Stellantrieb
der eingangs genannten Gattung so weiter zu bilden, daß er herstellungs- und reparaturgünstig
aufgebaut ist, insbesondere eim Fertigung im Baukastensystem erlaubt, um durch Austausch
weniger Teile an die Jeweiligen Einsatzerfordernisse, wie
Schwenkwinkel
und Leistung angepaßt werden zu können. tm Retri@@ des Stellantriebs sollen möglichst
geringe Quer- oder Seitenkräfte auf die Elemente des Stellantriebs selbst und das
m14 ihm verbindbare Ventil ausgeUbt werden.
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Diese Aufgabe ist durch die in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs
1 angegebenen Erfindung gel;;st.
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Dieser Stellantrieb besteht also im wesentlichen aus üblichen und
daher kostengilnstig einsetzbaren Arbeitszylindern und einem mit diesem verbundenen
Block mit dem die Translationsbewefrun der Kolbenstange der Arbeitszylinder in eine
Drehbewegung so umgesetzt wird, daß im wesentlichen keine Quer- oder Sei-enkr-ifte
auftreten. Vielmehr wirken die Kräfte praktisch ausschließlicn in Richtung der Translationsbewegung
und können so als Achsialkräfte der Spindel günstig abgefangen werden. Der Stellantrieb
kann einfach den verschiedenen Einsatzbedingungen. die untersc'i-jiedliche Drehwinkel
erfordern,durch Austausch der Spindelmutter und der Spindel folgen, da der Drehbereich
bei gegebenem Hub der Kolbenstange durch die Steigung des Gewindes der Spindel unr!
der Spindelmutter gegeben ist. Die genaue Einstellung des Drehbereichs kann zweckmSßig
durch einen Anschlag in der Bewegungsbahn der Spindelmutter erfolgen. Stattdessen
oder zusätzlich zu dem ,^ schlag kann auch vorteilhafterweise das Betätigungsorgan
eines Endschalters in der Bewegungsbahn der Spindelmutter angeordnet sein, welcher
die Zufuhr des Fluids zu dem Arbeitszylinder oder den Arbeitszylindern unterbricht.
Im Rahmen des Bauksstenpr5i.
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zips liegt es auch, unter Beibehaltung des Blocks zur Umsetzung des
Hubs in eine Drehbewegung, die Leistung und oder Anzahl der Arbeitszylinder an das
geforderte Drehmoment; anzupassen, das von der Spindel abgegriffen werden soll.
Eine andere Möglichkei zur Einstellung des erzielbaren Drehmoments besteht in der
Wahl der Gewindesteigung der Spindel und der Spinde]mutter unter Reibehaltung eines
gegebenen Arbeitszylinders.
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Vorzugsweise zeichnet sich der Stellantrieb durch paarweise symmetrisch
zu der Bezugs- Längsachse auf der Grundplatte montierte Arbeitszylinder aus. So
können je nach der Leistung des einzelnen Arbeitszylinders und dem geforderten Drehmoment
zwei oder vier Arbeitszylindern symmetrisch zu der Bezugs- Längsachse auf der Grundplatte
angeordnet sein. Die Bezugs- Längsachse ist dabei identisch mit der Längsachse der
Spindelmutter. Bei der paarweisen Anordnung der Arbeitszylinder erübrigen sich Ubertragungselemente,
welchen den Hub der Kolbenstange symmetrisch zu der Bezugs- Längsachse auf die Spindelmutter
übertragen.
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Zur sicheren FUhrung der Spindelmutter ohne Belastung der Kolbenstange
ist der Stellantrieb derart ausgestaltet, daß an der ersten Grundplatte mindestens
ein Führungsbolzen befestigt ist, durch den die Spindelmutter parallel zur Kolbenstange
verschiebbar geführt ist. - Durch diesen festgelegten Führungsbolzen wird also in
wenig aufwendiger Weise eine exakte Führung der Spindelmutter erreicht, so daß die
e erwinden oder Verkanten gesichert ist.
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Dies fördert die Verschleißarmut und die zuverlässige Arbeitsweise
des Stellantrieb.
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Eine besonders fertigungsgUnstige kompakte und robuste Bauweise des
Stellantriebs besteht darin, daß der FUhrungsbolzen die erste Grundplatte mit einer
im Abstand zu ihr angeordneten zweiten Grundplatte verbindet, daß die Spindel und
die Spindelmutter zwischen der ersten und ir zweiten Grundplatte angeordnet sind
und daß die Spindel zusätzlich der zweiten Grundplatte drehbar gelagert ist. Das
Antriebsende der Spindel kann daher durch die zweite Grundplatte hindurchreichen,
welche zum Anbau des anzutreibenden Aggregats ausgebildet sein kann. Dieser Stellantrieb
läßt sich einfach an viele Ausführungsformen, von Absperr- oder Durchflußregelorganen
anbauen. Die Baukastenbauweise wird hier besonders konsequent durchgeführt, da der
gesamte Block, der die Hubbewegung der Arbeitszylinder in eine Drehbewegung umsetzt,
zwischen den beiden Grundplatten angeordnet ist, die infolge
ihrer
Verbindung durch den FUhrungebolzen oder vorzugsweise mehere symmetrisch zu der
Bezugs- Längsachse angeordnete FUhrungsbolzen eine stabile Einheit bildet. Trotzdem
ist die Demontage dieser Einheit unkompliziert, wenn beispielsweise die Spindel
oder Qie Spindelmutter ausgetauscht werden soll, da es hierzu im wesentlichen nur
erforderlich ist, eine Grundplatte von dem gesamten Block zu entfernen.
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Wenn der Stellantrieb mit Federn ausgestattet werden soll, um beispielsweise
bei Ausfall des Fluids eine selbatätige SohlieB-bewegung des Ventil hervorzurufen,
so ist die Bauweise bevorzugt so ausgwlhlt, daß mindestens eine Schreubenfeder zwischen
der Spindelmutter und der ersten oder der zweiten Grundplatte angeordnet ist und
von dem Führungsbolzen durchsetzt ist. -Die Feder ist hier durch den Führungsbolzen
ohne weiteres sichor gehalten und übt ihre Kraft in Zhnlicher Weise wie die Kolbenstangen
direkt auf die Spindelmutter aus. Zur Vorme'-dung von Quer- oder Seitenkräften empfiehlt
sich ebenfalls eine zur Bezugs- Längsachse sy-etrische Anordnung der Federn.
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Die Bauweise des ßtellantriebs kann auch dadurch kompakter gestartet
werden, daß aus der ersten Grundplatte als Bestanteil der Arbeitszylinder Kolbenstangenführungen
und Fluidkanäle ausgeformt sind. - Dadurch bildet die Grundplatte Bestandteile der
Arbeitszylinder, insbesondere deren Deckel mit Führungen und Fluidkanälen. Um die
Bauhöhe dieser Elemente kann also der gesamte Stellantrieb, verglichen zu einer
Bauweise mit vollständigen Arbeitszylindereinheiten, die an der Grundplatte angebaut
werden, herabgesetzt werden.
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In einer ersten AusfUurungsform sind die Spindel und die Spindelmutter
zur Umsetzung Hubbewegung der Arbeitszylinder in eine Drehbewegung mit einem Gewinde
worschn. - Diese Bauweise
ist verhältnismäßig fertigungsgünstig.
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Eine reibungsärmere Variante der Spindel und der Spindelmutter ist
in Anspruch 8 angegeben. - Die Reibung wird dadurch herabgesetzt, daß die Kugel
in dem Kugelkranz und der Kugelwindung rollen können, wobei grundsätzlich die gleiche
Umsetzung einer Hubbewegung in eine Drehbewegung wie bei einem Gewinde erfolgt.
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WeitereVarianten der Umsetzung der Hubbewegung in die Drehbewegung
können in Keil - oder Halbrundbolzen in einer Bohrung des als Spindelmutter bezeichneten
Teils bestehen, die mit schrauben förmige Nuten der Spindel eingreifen.
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Das voranstehend genannte Anschlagelement,in dem sich der Drehbereich
der Spindel exakt vorgebon läßt, ist vorzugsweise an dem FUhrungsbolzen angebracht
und dazu als Ring geformt.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert,
in der der Stellantrieb mit den im wesentlichen nicht dargestellten Arbeitszylind.rn
in einem ngsxohnitt gezeigt ist.
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In der Zeichnung ist mit 1 eine erste redrtnckfrmige Grundplatte bezeichnet,
die über vier in der Nähe ihrer Ecken angeschraubte F5hrungsbolzen - von denen zwei
FUhrun4sbolzen 2 und 3 in der Schnittzeichnung sichtbar sind - mit einer zweiten
Grundplatte 4 verbunden sind.
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Die erste Grundplatte 1 dient mittelbar zur Halterung von zwei in
der Zeichnung nicht dargestellten Arbeitszylindern.
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Die aus den Arbeitszylindern herausragenden Kolbenstangen sind mit
5 und 6 bezeichnet. Sie reichen gleitbeweglich durch Bohrungen 7 und 8 in der ersten
Grundplatte hindurch.
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Die Arbeitszylinder sind mit ihren Kolbenstangen symmetrisch zu einer
Bezugs- Längsachse 9 angeordnet. Die Kolbenstangen sind in einer Spindelmutter 10
drehsicher befestigt, so daß Sie Achsialkräfte auf die Spindelmutter übertragen
können. Mit den durch Bohrungen 11, 12 der Spindelmutter hindurchreichenden Führungsbolzen
ist die Spindelmutter in Richtung der Kolbenstangen verschiebbar, aber nicht drehbar
geführt.
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Die Grundplatten 1 und 4 dienen ferner zur drehbaren Lagerung der
Spindel 13 mit Wälzlagern 14 an der ersten Grundplatte und Wälzlagern 15 an der
zweiten Grundplatte. Die Spindel ist dabei so angeordnet, daß ihre Längsachse mit
der Bezugs- Ldngsachse 9 zusammenfällt. In ihren Wälzlagern 14,15 ist die Spindel
in achsialer Richtung und in radialer Richtung praktisch nicht verschiebbar.
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Die Spindel steht über einem Gewinde 16 so mit der Spindelmutter in
Verbindung1 daß bei einer Verschiebung der Spindelmutter nach unten die Spindel
in einer Richtung gedreht wird und beim Zurückziehen der Spindelmutter nach oben
in der entgegengesetzten Drehrichtung. Die Drehbewegung der Spindel kann durch einen
durch die zweite Grundplatte herausragenden Zapfen 17 auf das anzutreibende Aggregat
übertragen werden.
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Dazu weist die zweite Grundplatte,zweckmEßlg nicht dargestellte Befestigungsmittel
zur Montage des Stellantriebs an dem anzutreibenden Aggregat auf.
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Um eine bestimmte Drehung auch bei Ausfall des Fluids,mit dem die
nicht dargestellten Arbeitszylinder betrieben werden, zu erzeugen, ist zwischen
der ersten Grundplatte 1 und der Spindelmutter
10 eine Druckfeder
18 angeordnet. Die Druckfeder ist durch den FUurungsbolzen 2, der durch sie hindurchreicht,
ge halten. Weitere Druckfedersätze sind zur symmetrischen Belastung der Spindelmutter
zweckmäßig auch an den anderen Führungsbol zen angeordnet.
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Zur Begrenzung der Drehbewegung der Spindel ist ein unterer Anschlagring
19 über der zweiten Grundplatte angeordnet. Gegen diesen Anschlagring gelangt eine
an der Spindelmutter 10 befestigte Hülse 20 in Anschlag, wenn die Spindelmutter
in ihre tiefste Stellung abgesenkt ist. Ein in der Bewegungsbahn der Hülse 20 angeordneter
Endschalter 21 unterbricht in der untersten Stellung der Spindelmutter die weiter
Zufuhr des Fluids zu den Arbeitszylindern.
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In der Zeichnung ist ferner ein Gehäuse 22 angedeutet, welches sämtliche
Elemente zwischen den beiden Grundplatten 1 und 4 einschließt und außerdem die nicht
dargestellten Arbeitszylinder ummanteln kann. Es rag somit aus dem geschlossenen
Gehäuse der Zapfen 17 heraus.
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Die wesentlichen Vorteile dieses Stellantriebs bestehen darin, daß
außer der Spindelmutter und der Spindel keine Spezialteile anzufertigen sind, sondern
daß auf handelsübliche Bauelemente zurückgegriffen werden kann. Die Zeichnung macht
auch deutlich, daß der gesamte Stellantrieb einfach und schnell zu montieren ist,
was in gleicher Weis für etwaige Reparaturen zutrifft.
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Die verwedeten handelsUblichen Arbeitszylinder sind unempfindlich
gegen die Beschaffenheit des Fluids. So läßt die gesamte Bauweise des Stellantriebs
eine besonders zuverlässige Arbeitsweise erwarten.