Pneumatischer Linearantrieb mit Endlagenverriegelung

Abstract

 Linearantrieb mit einer einfachwirkenden, pneumatischen Kolben-/Zylindereinheit (1), mit mindestens einer der Pneumatikkraft entgegenwirkenden, die Kolbenstange (8) in Richtung einer Endlage belastenden Feder (5) und mit je einer formschlüssigen, pneumatischen Verriegelung für jede der beiden Endlagen der Kolbenstange (8).
Die Verriegelung umfaßt eine von diametralen Seiten in je eine Ausnehmung (9,10) der Kolbenstange (8,10) einrastbare Verriegelungskulisse (14), einen ersten, starr mit der Verriegelungskulisse verbundenen Steuerkolben (17), einen zweiten, größeren, auf einem starr mit der Verriegelungskulisse (14) verbundenen Tragrohr (30) längsbeweglich gelagerten Steuerkolben (21), eine den zweiten Steuerkolben (21) in Richtung seiner äußeren Endlage drückende Feder (37), einen gehäusefesten Anschlag (39) für den zweiten Steuerkolben (21), einen federelastisch und abdichtend mit dem zweiten Steuerkolben gekoppelten Ventilkolben (28) mit einem verschließbaren Drosselkanal (29) und eine offene Strömungsverbindung (36) vom Innenraum des zweiten Steuerkolbens (21) und des Ventilkolbens (28) zum Druckraum der Kolben-/Zylindereinheit (1).

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Linearantrieb mit einer einfachwirkenden, pneumatischen Kolben-/Zylindereinheit, mit mindestens einer der Pneumatikkraft entgegenwirkenden, die Kolbenstange in Richtung einer Endlage belastenden Feder und mit je einer formschlüssigen, pneumatischen Verriegelung für jede der beiden Endlagen der Kolbenstange gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

[0002] Aus der DE-OS 36 09 765 ist ein Linearantrieb mit einer doppeltwirkenden, pneumatischen Kolben-/Zylindereinheit bekannt, welcher im Bereich beider Zylinderenden je eine formschlüssige Verriegelung für jede der beiden Endlagen der Kolbenstange aufweist. Die Verriegelung erfolgt in beiden Positionen durch Federn, welche die Verriegelungselemente in Richtung auf die Kolbenstange zu vorspannen. Die Entriegelung erfolgt pneumatisch durch Überwinden der Federkraft, wobei das Druckgas erst nach dem vollständigen Entriegeln in die Kolben-/Zylindereinheit strömen und die Kolbenstange in Bewegung setzen kann. Auf diese Weise wird eine besonders verschleiß- und geräuscharme Betätigung erzielt. Das in Fig. 1 der DE-OS 36 09 765 rechts dargestellte Verriegelungselement liegt bei der Ausfahrbewegung der Kolbenstange (von links nach rechts) unter Federkraft an deren Oberfläche an bis es bei Erreichen der Endlage in die entsprechende Ausnehmung einrastet. Auf diese Weise übt es eine Druck- und eine Reibungskraft auf die Kolbenstange aus, welche geeignet sind, ggf. auftretende, leichte Schwingungen zu dämpfen.

[0003] Ein gewisser Nachteil dieses Linearantriebes liegt konstruktiv bedingt in der relativ großen Baulänge.

[0004] Ausgehend von dieser bekannten Lösung für einen doppeltwirkenden, pneumatischen Linearantrieb liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen pneumatischen Linearantrieb mit einer einfachwirkenden Kolben-/Zylindereinheit, mit mindestens einer der Pneumatikkraft entgegenwirkenden Feder und mit je einer formschlüssigen, pneumatischen Verriegelung für jede der beiden Endlagen der Kolbenstange zu schaffen, welcher besonders kompakt, leicht, unkompliziert und betriebssicher ist, welcher sich mit geringem Aufwand an unterschiedliche Betriebsanforderungen anpassen läßt und welcher in einem breiten Vibrationsspektrum, wie es insbesondere in der Umgebung von Raketentriebwerken auftritt, einsetzbar ist.

[0005] Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches genannten Merkmale gelöst.

[0006] Die Verriegelungen für beide Endlagen sind zu einer von diametralen Seiten In je eine Ausnehmung der Kolbenstange einrastbaren Verriegelungskulisse mit zwei an dieser angreifenden Steuerkolben zusammenfaßt, wodurch sich eine kompakte Anordnung der Verriegelungsmechanik ergibt. Der erste, vom druckbeaufschlagten Querschnitt her kleinere Steuerkolben ist starr mit der Verriegelungskulisse verbunden und ist für die Verriegelung in der pneumatisch drucklosen, d.h. in der federbetätigten, Endlage der Kolbenstange zuständig. Mit Bezug auf ein kryogenes Steuerventil wäre dies vorzugsweise die Geschlossen-Stellung des Ventils.

[0007] Der zweite, vom druckbeaufschlagten Querschnitt her größere Steuerkolben ist relativ zur Verriegelungskulisse auf einem starr mit dieser verbundenen Tragrohr begrenzt translatorisch beweglich, wobei ein tragrohrfester und ein gehäusefester Anschlag vorhanden sind, und eine Druckfeder zwischen dem Steuerkolben und der Verriegelungskulisse angeordnet ist. Somit erfolgt die Kraftübertragung zwischen Steuerkolben und Verriegelungskulisse federelastisch, d.h. relativ weich.

[0008] Der zweite, größere Steuerkolben ist für die Verriegelung in der pneumatisch druckbeaufschlagten, d.h. aktiven, Endlage der Kolbenstange zuständig, bezüglich eines kryogenen Steuerventils wäre dies vorzugsweise die Offen-Stellung.

[0009] Er ist aber außerdem für die Steuerung der Druckgaszu- und -abführung zum bzw. aus dem Druckraum der Kolben-/Zylindereinheit zuständig und zu diesem Zweck mit einem zusätzlichen Ventilkolben gekoppelt. Durch entsprechende Strömungskanäle im Bereich des Ventilkolbens, des zweiten Steuerkolbens, des Tragrohres und der Verriegelungskulisse in Verbindung mit den diversen Anschlägen wird erreicht, daß die Druckbeaufschlagung, d.h. die Aktivierung, der Kolben-/Zylindereinheit erst nach dem vollständigen Entriegeln der drucklosen Endlage erfolgt, wodurch sich eine materialschonende, weitgehend klemmungsfreie Arbeitsweise ergibt.

[0010] Beim Übergang von der aktiven in die passive Stellung, nach Entriegeln der aktiven Endlage, gibt der Ventilkolben zwischen sich und dem zweiten Steuerkolben einen zusätzlichen Strömungsquerschnitt frei, so daß die Kolbenstangenbewegung relativ zügig erfolgt.

[0011] Die erfindungsgemäße Anordnung hat zur Folge, daß jeder der beiden Steuerkolben für die Verriegelung in der einen Endlage und für die Entriegelung in der entgegengesetzten Endlage zuständig ist. Die Betätigung der Steuerkolben erfolgt aktiv durch einseitige pneumatische Druckbeaufschlagung. Während jeder Kolbenbewegung zwischen den Endlagen liegt die Verriegelungskulisse einseitig unter Pneumatik- bzw. Federkraft an der Kolbenstangenoberfläche an und dämpft ggf. auftretende Schwingungen durch die ausgeübte Normal- und Reibungskraft.

[0012] Die Unteransprüche 2 bis 4 enthalten bevorzugte Ausgestaltungen des Linearantriebes nach Anspruch 1.

[0013] Die Erfindung wird anschließend anhand der Figuren noch näher erläutert. Dabei zeigen in schematischer Darstellung:

Fig. 1

einen Teillängsschnitt durch einen Linearantrieb mit ausgefahrener, verriegelter Kolbenstange,

Fig. 2

einen Teillängsschnitt mit einfahrender, entriegelter Kolbenstange,

Fig. 3

einen Teillängsschnitt mit eingefahrener, verriegelter Kolbenstange,

Fig. 4

einen Teillängsschnitt mit eingefahrener, in der Entriegelung unmittelbar vor dem Ausfahren befindlicher Kolbenstange.

[0014] Der in seinen wesentlichen Elementen wiedergegebene Linearantrieb 1 ist Teil eines nicht dargestellten, kryogenen Steuerventils, mit welchem der Strom einer flüssigen, tiefgekühlten Raketentreibstoffkomponente gesperrt oder freigegeben wird.

[0015] Die in Fig. 1 gezeigte, ausgefahrene (linke) Stellung der Kolbenstange 8 und des Kolbens 6 entspricht der Geschlossen-Stellung des Steuerventils, die in den Figuren 3 und 4 gezeigte, eingefahrene (rechte) Stellung der Kolbenstange 8 der Offen-Stellung. Die Begriffe "eingefahren" und "ausgefahren" beziehen sich auf den vom Kolben 6 aus nach links verlaufenden Teil der Kolbenstange 8, welcher mit dem - ebenfalls nicht dargestellten - Ventilkörper des kryogenen Steuerventils verbunden ist. Der Linearantrieb 1 umfaßt die Kolben-/Zylindereinheit 2, welche im wesentlichen aus den Gehäuseteilen 3 und 4, dem Kolben 6 mit Dichtring 7 und der Kolbenstange 8 besteht.

[0016] Der Linearantrieb umfaßt weiterhin die Feder 5, welche an ihrem linken, nicht sichtbaren Ende direkt oder indirekt mit der Kolbenstange 8 verbunden ist und diese entgegen der Pneumatikkraft in Richtung ihrer linken Endlage belastet.

[0017] Der Linearantrieb 1 umfaßt ebenfalls den gesamten Verriegelungsmechanismus, über den auch die Steuerung der Kolbenstangenbewegung erfolgt. Das Gehäuseteil 3 nimmt den Hubraum der Kolben-/Zylindereinheit 2 auf und stützt den rechten Teil der Kolbenstange 8, welcher die Stangen- und Kolbenführung verbessert aber von der Gesamtfunktion her nicht zwingend erforderlich ist.

[0018] Das Gehäuseteil 4 nimmt den Verriegelungsmechanismus auf und trägt das rechte Ende der Feder 5.

[0019] Das zentrale Element der Verriegelung bildet die Verriegelungskulisse 14, welche in ihrem Hubraum 15 quer zur Kolbenstange 8 begrenzt linear beweglich ist und in den Endlagen der Kolbenstange 8 abwechselnd von gegenüberliegenden Seiten formschlüssig in deren Ausnehmungen 9, 10 eingreift. Zu diesem Zweck weist die Verriegelungskulisse 14 eine Aussparung 16 auf, welche rund um die Kolbenstange geschlossen oder quer zur Bewegungsrichtung der Verriegelung einseitig offen sein kann. Der Hubraum 15 der Verriegelungskulisse 14 weist vorzugsweise einen rechteckigen, ggf. mit gerundeten Ecken versehenen oder einen ovalen Querschnitt auf, wohingegen die Hubräume aller vorhandenen Kolben in aller Regel im Querschnitt kreisförmig ausgeführt sind. Die Verriegelungskulisse 14 ist über eine Kolbenstange 19 starr mit einem ersten, relativ kleinen Steuerkolben 17 verbunden, welcher mittels eines Dichtringes 18 in seiner Laufbahn gasdicht geführt ist. Der Steuerkolben kann,wie in den Figuren 1 und 4 mit weißen Pfeilen angedeutet, durch den Kanal 20 mit Druckgas, vorzugsweise Helium, beaufschlagt werden und erzeugt dadurch eine Kraft bzw. eine Bewegung der Verriegelungskulisse 14 radial zur Kolbenstange 8 hin.

[0020] Auf der dem Steuerkolben 17 gegenüberliegenden, in den Figuren unteren Seite ist ein zweiter, größerer Steuerkolben 21 angeordnet, welcher in Verbindung mit einem Ventilkolben 28 nicht nur zur Bewegung der Verriegelungskulisse sondern auch zur Gassteuerung für den eigentlichen Arbeitskolben, d.h. den Kolben 6, dient. Der zweite Steuerkolben 21 ist im Unterschied zum ersten (17) nicht starr mit der Verriegelungskulisse 14 verbunden sondern auf einem verriegelungskulissenfesten Tragrohr 30 begrenzt axial beweglich gelagert. Die kulissenferne Endlage des Steuerkolbens 21 wird durch einen starren Anschlag 31 am Tragrohr 30 definiert, welcher mit dem kleineren Durchmesser einer Stufenbohrung 23 im Steuerkolben 21 zusammenwirkt. Diese Kolbenstellung ist in Figur 1 gezeigt. Die Bewegung des Steuerkolbens 21 zur Verriegelungskulisse 14 bzw. zur Kolbenstange 8 hin wird zweifach begrenzt und zwar zum einen durch Anschlagen des Bodens des Ventilkolbens 28 an der Stirnfläche 32 des Tragrohres 30, zum anderen durch den Anschlag 39 im Gehäuseteil 4. Der Ventilkolben 28 liegt normalerweise durch die Kraft der vorgespannten Federfinger 27 des fest mit dem Steuerkolben 21 verbundenen Federkäfigs 25 gasdicht an der Stirnfläche 24 des Steuerkolbens 21 an, wobei in diesem Bereich ein zusätzliches Dichtelement, z.B. ein O-Ring, vorhanden sein kann. Durch entsprechende Druck- bzw. Krafteinwirkung kann der Ventilkolben 28 von der Stirnfläche 24 abgehoben werden und zwar maximal bis zum Anliegen an den Anschlagnasen 26 des Federkäfigs 25, wobei zwischen den Kolben 21 und 28 ein offener Strömungsquerschnitt entsteht. Dieser Fall ist in Fig. 4 dargestellt. Es sei darauf hingewiesen, daß der Federkäfig 25 kein geschlossenes, topfartiges Gebilde sondern einen strömungsdurchlässigen Körper mit mehreren Durchbrüchen darstellt. Somit verhalten sich die Kolben 21 und 28 zumeist wie ein integraler Körper, nur unter bestimmten Verhältnissen kommt deren federelastische Verbindung zur Wirkung.

[0021] Die Kraftübertragung vom Steuerkolben 21 zur Verriegelungskulisse 14 hin erfolgt elastisch nachgiebig über die Feder 37. Eine relativ harte, direkte Kraftübertragung ergibt sich nur in den Momenten, in denen der Boden des Ventilkolbens 28 an der Stirnfläche 32 des Tragrohres 30 anliegt.

[0022] Die Druckgasversorgung des Kolbens 6 erfolgt durch den Ventilkolben 28 und den Steuerkolben 21 hindurch, siehe hierzu insbesondere die Figuren 2 und 3. Es besteht eine ständig offene Strömungsverbindung vom Innenraum der Kolben 21 und 28 zum Hubraum 15 der Verriegelungskulisse 14 und von dort weiter durch das Wandelement 11 hindurch zur Druckseite (links) des Kolbens 6. Diese Verbindung beginnt mit den Öffnungen 33 im Bereich der Stirnfläche 32 des Tragrohres 30 und setzt sich fort mit dem Strömungskanal 36 im Tragrohrinneren sowie mit den Öffnungen 34 und 35 im Bereich der Verriegelungskulisse 14. Weiterhin gehören die Öffnungen 12 und 13 im Wandelement 11 zu dieser Strömungsverbindung. Über Anzahl, Größe und Anordnung der Öffnungen und Kanäle lassen sich die Bewegungsabläufe der Kolbenstange 8 beeinflussen und zwar auch gezielt in Abhängigkeit von der Stellung der Verriegelungskulisse 14 relativ zum Wandelement 11. Wesentlich ist aber nur, daß die genannte Strömungsverbindung immer offen ist. Unterbrochen wird jedoch in bestimmten Betriebszuständen die Strömungsverbindung von der Außenseite (Unterseite) des Ventilkolbens 28 in den Innenraum der Kolben 28 und 21 und zwar durch Anlage des Boden des Ventilkolbens 28 an der Stirnfläche 32 des Tragrohres 30 unter Verschluß des Drosselkanales 29. Dabei muß der Ventilkolben 28 auch am Steuerkolben 21 gasdicht anliegen, wobei letzterer mittels eines Dichtringes 22 in seiner Laufbahn gasdicht geführt ist. In der Mehrzahl der Betriebszustände ist die Strömungsverbindung vom Kanal 38 im Gehäuseteil 4 bis zur Druckseite des Kolbens 6 jedoch offen, wie in den Fig. 1 bis 4 gezeigt.

[0023] Zum besseren Verständnis wird anschließend noch näher auf die Betriebszustände gemäß den Figuren 1 bis 4 sowie auf deren Zusammenhänge eingegangen.

[0024] Figur 1 zeigt die ausgefahrene (linke) und verriegelte Endlage der Kolbenstange 8, welche durch die Kraft der Feder 5 herbeigeführt wird. Zur Sicherung der Verriegelung wird der Steuerkolben 17 mit Druckhelium beaufschlagt (siehe Pfeil), die Kolben 21, 28 und 6 sind "entlüftet", d.h. drucklos. Durch die Kraft der Feder 37 befindet sich der Steuerkolben 21 in seiner äußersten (untersten) Stellung auf dem Tragrohr 30 am Anschlag 31.

[0025] Um die Verriegelung zu lösen und die Einfahrbewegung der Kolbenstange 8 einzuleiten, wird der Steuerkolben 17 "entlüftet", und der Steuerkolben 21 mit Druckhelium beaufschlagt. Infolge der starken Drosselwirkung des engen Drosselkanals 29 wird der Ventilkolben 28, zusammen mit dem Steuerkolben 21, bis zum Anschlag an die Stirnfläche 32 des Tragrohres 30 geschoben, wobei der Drosselkanal 29 verschlossen, die Feder 37 zusammengedrückt wird. Ab dann bewegen sich die Kolben 21 und 28 und das Tragrohr 30 mit der Verriegelungskulisse 14 gemeinsam, wobei der dem Steuerkolben 17 zugewandte Teil der Verriegelungskulisse 14 vollständig aus der Ausnehmung 10 herausfährt und somit die Kolbenstange 8 freigibt. Der Steuerkolben 21 stößt schließlich an den gehäusefesten Anschlag 39 und bleibt stehen, das Tragrohr 30 bewegt sich zusammen mit der Verriegelungskulisse 14 weiter bis zum Anschlag an der Kolbenstange 8, wobei der Drosselkanal 29 wieder freigegeben wird und Druckhelium zum Kolben 6 strömen und die Einfahrbewegung einleiten kann. Dieser Zustand ist in Figur 2 dargestellt.

[0026] Bis zum Anschlag des Steuerkolbens 21 im Gehäuseteil 4 ist noch kaum Druckhelium zum Kolben 6 geströmt, so daß die Entriegelung weitgehend klemmungsfrei erfolgt.

[0027] Figur 3 zeigt die verriegelte, eingefahrene Stellung der Kolbenstange 8 mit maximal zusammengeschobener Feder 5, welche dem geöffneten Zustand des nicht dargestellten kryogenen Steuerventils entspricht. Die Verriegelungskulisse ist durch die Kraft der Feder 37 in die Ausnehmung 9 der Kolbenstange 8 eingerastet, der Kolben 6 steht unter Druck.

[0028] Um nun wiederum diese Verriegelung zu lösen und die Ausfahrbewegung einzuleiten, werden die Kolben 21 und 28 "entlüftet", und der Steuerkolben 17 mit Druck beaufschlagt, wodurch die Entriegelungsbewegung der Verriegelungskulisse 14 beginnt. Durch den im Hubraum des Kolbens 6 noch vorhandenen Druck, welcher sich bis in den Bereich der Kolben 21 und 28 ausbreitet, hebt der Ventilkolben 28 von der Stirnfläche 24 des Steuerkolbens 21 ab und gibt über den Drosselkanal 29 hinaus einen relativ großen Strömungsquerschnitt frei. Auf diese Weise erfolgt ein zügiger Druckabbau im Hubraum des Kolbens 6 und, nach vollständiger Entriegelung, eine relativ schnelle Ausfahrbewegung der Kolbenstange 8.

[0029] Figur 4 zeigt den Moment des Überganges von der Entriegelung zur Ausfahrbewegung.

[0030] Im weiteren Verlauf legt sich die Verriegelungskulisse 14 dann wieder dämpfend an die Kolbenstange 8 an, bis sie in der ausgefahrenen Endlage in die Ausnehmung 10 einrastet. Die Reibungskraft in der Dämpfungsphase wird durch den kleinen Druckquerschnitt des Steuerkolbens 17 auf einem mäßigen Niveau gehalten.

Ansprüche

1. Linearantrieb, insbesondere für kryogene Steuerventile in Flüssigtreibstoffleitungen von Raketentriebwerken, mit einer einfachwirkenden, pneumatischen Kolben-/Zylindereinheit, mit mindestens einer der Pneumatikkraft entgegenwirkenden, die Kolbenstange in Richtung einer Endlage belastenden Feder und mit je einer formschlüssigen, pneumatischen Verriegelung für jede der beiden Endlagen der Kolbenstange, gekennzeichnet durch eine quer zur Kolbenstange (8) bewegliche, von diametralen Seiten in je eine Ausnehmung (9, 10) der Kolbenstange (8) einrastbare Verriegelungskulisse (14), durch einen ersten, starr mit der Verriegelungskulisse (14) verbundenen Steuerkolben (17), durch einen zweiten, auf einem starr mit der Verriegelungskulisse (14) verbundenen Tragrohr (30) längsbeweglich gelagerten Steuerkolben (21), dessen druckbeaufschlagter Querschnitt größer ist als derjenige des ersten Steuerkolbens (17),
durch mindestens eine den zweiten Steuerkolben (21) in Richtung seiner äußeren, durch einen Anschlag (31) am Tragrohr (30) vorgegebenen Endlage drückende Feder (37) zwischen dem Steuerkolben (21) und der Verriegelungskulise (14), durch einen die Bewegung des zweiten Steuerkolbens (21) zur Kolbenstange (8) der Kolben-/Zylindereinheit (2) hin begrenzenden, gehäusefesten Anschlag (39), durch einen mit dem zweiten Steuerkolben (21) gekoppelten, zwischen dessen äußerer Stirnfläche (24) und einem steuerkolbenfesten Anschlag (Anschlagnasen 26) längsbeweglichen, mit mindestens einem zentrischen Drosselkanal (29) versehenen Ventilkolben (28), welcher von mindestens einer Feder (Federfinger 27) zur Anlage an der Stirnfläche (24) des Steuerkolbens (21) gebracht wird,
durch eine zum zeitweisen Verschließen des Drosselkanales (29) des Ventilkolbens (28) vorgesehene Stirnfläche (32) am äußeren Ende des Tragrohres (30), durch mindestens einen Strömungskanal (36) im Inneren des Tragrohres (30) mit jeweils mindestens einer Öffnung (33, 34, 35) im Bereich des Steuerkolbens (21) und im Bereich der Verriegelungskulisse (14) und durch mindestens eine Strömungsverbindung (Öffnungen 12, 13) zwischen dem Hubraum (15) der Verriegelungskulisse (14) und dem Druckraum der Kolben-/Zylindereinheit (2).

2. Linearantrieb nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens ein elastisches Dichtungselement im Anlagebereich des Ventilkolbens am zweiten Steuerkolben.

3. Linearantrieb nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch jeweils mindestens ein elastisches Dichtungselement (Dichtringe 7, 18, 22) zur Abdichtung des Kolbens (6) der Kolben-/Zylindereinheit (2) sowie des ersten (17) und des zweiten Steuerkolbens (21) in deren Zylinderlaufflächen.

4. Linearantrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine integrale Ausführung des steuerkolbenfesten Anschlages (Anschlagnasen 26) und der Feder (Federfinger 27) für den Ventilkolben (28) als Federkäfig (25).

Zeichnung