(19) |
|
|
(11) |
EP 2 366 908 B1 |
(12) |
EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT |
(45) |
Hinweis auf die Patenterteilung: |
|
23.09.2015 Patentblatt 2015/39 |
(22) |
Anmeldetag: 07.01.2011 |
|
(51) |
Internationale Patentklassifikation (IPC):
|
|
(54) |
Aktor
Actuator
Actionneur
|
(84) |
Benannte Vertragsstaaten: |
|
AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL
NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR |
(30) |
Priorität: |
05.03.2010 DE 102010002621
|
(43) |
Veröffentlichungstag der Anmeldung: |
|
21.09.2011 Patentblatt 2011/38 |
(73) |
Patentinhaber: Krones AG |
|
93073 Neutraubling (DE) |
|
(72) |
Erfinder: |
|
- Wiedenmann, Willi
73469 Riesbürg (DE)
- Mannl, Stephan
93073 Neutraubling (DE)
- Sauer, Martin
86687 Altisheim (DE)
|
(74) |
Vertreter: Grünecker Patent- und Rechtsanwälte
PartG mbB |
|
Leopoldstraße 4 80802 München 80802 München (DE) |
(56) |
Entgegenhaltungen: :
EP-A2- 1 222 403
|
US-B1- 6 793 194
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die
Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen
das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich
einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr
entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen). |
[0001] Die Erfindung betrifft einen Aktor gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
[0002] Bevorzugtes, jedoch nicht einschränkendes, Anwendungsgebiet solcher Aktoren sind
z.B. Scheibenventile oder Kugelhähne in der Getränkeabfüllindustrie. In solchen Scheibenventilen
oder Kugelhähnen ist häufig in zumindest einer Endstellung bzw. bei Bewegungen des
Verschlusselementes in die oder aus der Endstellung ein sehr großes bzw. das maximale
Schaltdrehmoment vom Aktor zu erzeugen, der einseitig gegen Federkraft oder doppelseitig
mit Druckmittel, z.B. Druckluft, beaufschlagbar ist.
[0003] Bei dem aus
EP 1 222 403 A bekannten, gattungsgemäßen Aktor werden beide Führungsstangen gleichzeitig und gleichartig
vom Kolben belastet, um das Reaktionsdrehmoment aus dem Schaltdrehmoment in das Gehäuse
zu übertragen, unabhängig von der jeweiligen, von der Hubrichtung des Kolbens abhängenden
Richtung des Reaktionsdrehmomentes. Beide gleich langen Führungsstangen sind im selben
Deckel verankert, z.B. verschweißt. Bei der Hubbewegung des Kolbens verändern sich
die freien Biegewirklängen der Führungsstangen umgekehrt wie die Führungslängen. Die
freie Biegewirklänge ist der maßgebliche Parameter für die Biegebelastungen oder Biegespannungen,
denen die Führungsstange hauptsächlich im Bereich der Verankerung im Deckel aber auch
im Eindringbereich in die Führung unterworfen wird. Unabhängig von der Größe des Reaktionsdrehmomentes
sind die Biegebelastungen an jeder Führungsstange dann am größten, wenn die freie
Biegewirklänge am größten ist. Da es sich nicht ausschließen lässt, abhängig von der
Bauweise und der Funktion des vom Aktor geschalteten Ventils, dass das Reaktionsdrehmoment
am Kolben dann am höchsten ist, wenn die freien Biegewirklängen an beiden Führungsstangen
am größten sind, ist die Gefahr von Verschleiß im Bereich der Verankerungen und auch
in den Mündungsbereichen der Führungen sowie dort an den Führungsstangen hoch. Um
diesem Umstand Rechnung zu tragen, sind ferner bei dem bekannten Aktor die Führungsstangen
aus extrem hochbelastbarem und teurem Material hergestellt. Zusätzlich ist die Kolbenschürze
durch ein metallisches äußeres Stützrohr verstärkt, wodurch die Teileanzahl des Aktors
unzweckmäßig erhöht ist. Da ferner aus Kostengründen der Deckel, in welchem die beiden
Führungsstangen verankert sind, nicht aus demselben teuren Material gefertigt wird
wie die Führungsstangen selbst, ist die Verschweißung zweier unterschiedlicher Materialien
problematisch, gegebenenfalls derart, dass ein automatisierter Schweißvorgang nicht
durchgeführt werden kann. Dennoch bleibt die Gefahr eines Bruchs in der jeweiligen
Schweißstelle akut, und zwar gleichzeitig bei beiden Führungsstangen, da beide Führungsstangen
im selben Deckel verankert sind und im Betrieb des Aktors gleichzeitig den höchsten
Biegekräften unterliegen, wenn ihre freien Biegewirklängen gemeinsam anwachsen. Häufig
müssen auch die Führungsstangen nach dem Verschweißen zeitaufwändig nachgerichtet
werden, damit sie ordnungsgemäß in den Führungen laufen.
[0004] Bei dem aus
EP 1 613 848 B1 (
DE 60 2004 001 988 T2) bekannten Aktor sind vier Führungsstangen im Gehäuse verankert. Ein Paar Führungsstangen
ist einendig im einen Deckel verankert, das andere Paar einendig im anderen Deckel,
wobei die freien Enden der Führungsstangen in Hubrichtung des Kolbens einander nicht
überlappen. In den Mündungen der Führungen sind Kunststoff-Gleitbuchsen angeordnet.
Abhängig von der Richtung des Reaktionsdrehmomentes, die von der Hubrichtung des Kolbens
abhängt, überträgt beim Vorwärtshub nur ein Paar das Reaktionsdrehmoment, während
das andere Paar das entgegengesetzte Reaktionsdrehmoment beim Rückwärtshub des Kolbens
in das Gehäuse übertragen. Während die zwei Führungsstangen des einen Paars das Reaktionsdrehmoment
gemeinsam aufnehmen, verändern sich über die Hubbewegung ihre freien Biegewirklängen
und umgekehrt die Führungslängen gleichartig, d.h., die Summe der freien Biegewirklängen
und die Summe der beiden Führungslängen dieser das Reaktionsdrehmoment übertragenden
Führungsstangen variieren abhängig vom Hub des Kolbens. Damit sind die Biegebelastungen
der Führungsstangen dann am größten, wenn deren freie Biegewirklängen ebenfalls am
größten sind. Dies erfordert eine sehr stabile Auslegung der Verankerungen der Führungsstangen.
Die vier Führungsstangen, die radial gleiche Abstände von der Kolbenachse haben, jeweils
paarweise diametral einander gegenüberliegen, wobei jeweils eine Führungsstange eines
Paares in Umfangsrichtung relativ eng benachbart zu einer Führungsstange des anderen
Paares platziert ist, beschränken ferner das für die Kulissen nutzbare Bogenmaß in
der Kolbenschürze unzweckmäßig. Der Aktor ist, hauptsächlich wegen der vier Führungsstangen
vielteilig und bedingt eine zeit- und kostenintensive Herstellung.
[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Aktor der eingangs genannten Art
anzugeben, der sehr funktionssicher, baulich einfach und dennoch kostengünstig ist.
[0007] Die gestellte Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
[0008] Da das Ende der einen Führungsstange in einem Deckel und das Ende der anderen Führungsstange
im anderen Deckel des Gehäuses verankert sind, ist in jeder Endstellung des Kolbens
die freie Biegewirklänge einer Führungsstange ein Minimum, so dass die Biegebelastungen
und Biegespannungen dieser Führungsstange ebenfalls minimal sind, während gleichzeitig
seine Führungslänge ein Maximum ist, so dass die spezifische Flächenpressung zwischen
der Führung und der Führungsstange gering bleibt, selbst wenn dann das zu übertragende
Reaktionsmoment ein Maximum ist. Die Führungsstange, deren freie Biegewirklänge ein
Minimum ist, entlastet somit die andere Führungsstange, deren freie Biegewirklänge
dann ein Maximum ist. Dies reduziert insgesamt die Biegebelastungen und Biegespannungen
für die beiden Führungsstangen, und zwar sowohl in den Verankerungsbereichen als auch
in den Mündungen der Führungen. Damit geht eine Minderung des Verschleißes der Führungsstangen
in den Führungen einher. Bei der Hubbewegung des Kolbens aus der jeweiligen Endstellung
nimmt zwar die freie Biegewirklänge der Führungsstange zu, deren freie Biegewirklänge
zunächst ein Minimum betrug, jedoch nimmt gleichzeitig die freie Biegewirklänge der
anderen Führungsstange ab, so dass über den Hubweg des Kolbens das Reaktionsdrehmoment
unter Reduzierung der Biegekräfte für beide Führungsstangen problemlos übertragen
wird. Die Verankerungsbereiche, z.B. Schweißbereiche, werden weniger stark belastet,
was die Gefahr von Schäden reduziert und gleichzeitig die Betriebssicherheit bzw.
Prozesssicherheit spürbar erhöht. Aufgrund der geringeren Biegebelastungen der Führungsstangen
können diese aus einem kostengünstigen Material hergestellt werden, gegebenenfalls
aus dem gleichen Material wie die Deckel. Dies vereinfacht die Verankerung beispielsweise
durch Schweißen. Der Aktor besteht nur aus einer geringen Anzahl Teilen und lässt
sich kostengünstig herstellen, da beispielsweise die Herstellung der Verankerungsbereich
automatisiert erfolgen kann, und die Führungsstangen gegebenenfalls kein Nachrichten
benötigen. Da in beiden Hubendstellungen des Kolbens das jeweilige Reaktionsdrehmoment
besonders stabil in das Gehäuse eingeleitet wird, lassen sich die dann vom Aktor auf
das Funktionselement, z.B. das Verschlussorgan eines Scheibenventils, zu übertragenden
Drehmomente in ihren Werten und Verläufen sehr präzise vorherbestimmen und auf das
Schaltverhalten des Scheibenventils abstimmen, beispielsweise so, dass diese Drehmomente
ihre, vorzugsweise plateauähnlichen, Maxima bei den Hubendstellungen des Kolbens haben.
[0009] Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform überlappen sich die freien Enden der beiden
Führungsstangen in Hubrichtung. Die Überlappung kann, vorzugsweise, etwa einem Drittel
des Kolbenaußendurchmessers entsprechen bzw. einem Mehrfachen der Stärke der Führungsstangen.
Dadurch ist die Führungslänge auch der Führungsstange relativ groß und damit tragfähig,
deren freie Biegewirklänge ein Maximum ist.
[0010] Günstig ist es, wenn die in einer jeweiligen Kolbenendstellung im Gehäuse gegebene
freie maximale Biegewirklänge der einen Führungsstange zwischen etwa der Hälfte bis
zu zwei Drittel des Kolbenaußendurchmessers und/oder etwa dem Zweifachen der Überlappung
der freien Enden der beiden Führungsstangen entspricht. Diese relativ kurze freie
Biegewirklänge reduziert die Biegebelastungen dieser Führungsstange auf ein moderates
Maß, ohnedies unterstützt durch die dann mit minimaler freier Biegewirklänge sehr
stabil lastaufnehmende andere Führungsstange.
[0011] Besonders wichtig ist die Summe der Führungslängen und die Summe der freien Biegewirklängen
von beiden Führungsstangen in den bzw. außerhalb der Führungen unabhängig von der
Richtung des Reaktionsdrehmomentes am Kolben bzw. der Hubrichtung des Kolbens über
den gesamten Kolbenhub konstant. Dies ist besonders wichtig im Hinblick auf einen
möglichst gleichmäßigen und nicht lokal konzentrierten Verschleiß in den Führungen
bzw. an den Führungsstangen.
[0012] Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform sind die Führungsstangen in Bezug auf die
Kolbenachse achssymmetrisch und diametral gegenüberliegend platziert. Auf diese Weise
wird das Reaktionsdrehmoment symmetrisch aufgenommen und in das Gehäuse übertragen.
[0013] Ferner ist es günstig, wenn der Kolben eine Kolbenplatte und eine die Kulissen und
die Führungen enthaltende Kolbenschürze aufweist, wobei eine Führung ihre offene Mündung
in der Kolbenplatte und ihr blindes Ende in der Kolbenschürze, hingegen die andere
Führung ihre offene Mündung in der Kolbenschürze und ihr blindes Ende in der Kolbenplatte
aufweist. Obwohl die beiden Führungsstangen von verschiedenen Seiten in den Kolben
eintauchen, ist durch die Ausbildung der Führungen sichergestellt, dass über die Führungen
bzw. Kulissen Druck nicht von einer Seite des Kolbens zur anderen gelangen kann. Außerdem
resultiert daraus eine weitgehend symmetrische Kolbenausbildung mit ausreichend viel
Fleisch um diejenigen Bereiche, in denen Kräfte übertragen werden.
[0014] Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist der Kolben über einen Druckmittelanschluss
und gegen eine Rückstellfeder und/oder doppelseitig über entgegengesetzte Druckmittelanschlüsse
durch Druckmittel beaufschlagbar. In der einen Variante erfolgt die Kolbenbewegung
in einer Hubrichtung durch den Druckimpuls aus dem Druckmittelanschluss, und in der
entgegengesetzten Richtung durch die Rückstellfeder, gegebenenfalls abhängig von entweder
vollkommener Druckentlastung im Druckmittelanschluss oder einer gesteuerten Druckentlastung.
Dabei kann der Aktor so eingesetzt werden, dass, z.B. ein betätigtes Scheibenventi,l
durch Druckbeaufschlagung des Kolbens geöffnet und durch die Rückstellfeder geschlossen
wird (normal geschlossen = NC), oder umgekehrt (normal offen = NO). Im anderen Fall
wird der Kolben in jeder Hubrichtung durch einen Druckimpuls eines Druckmittels, z.B.
Druckluft, betätigt.
[0015] Abhängig vom Öffnungsgrad, z.B. eines Scheibenventils, ist das zu übertragende Drehmoment
abhängig von der Winkelstellung gegenüber einer Nulllage. Dabei ist das Drehmoment
in der Regel innerhalb beispielsweise einer 90°-Drehverstellung zwischen etwa 22°
und 68° am geringsten. Hierfür wird die Steigung jeder Kulisse normalerweise in beiden
Anfangsbereichen steiler aber gleich gewählt als in einem Zwischenbereich der Kulisse.
Die Praxis zeigt jedoch, dass beispielsweise bei Druckluftbeaufschlagung des Kolbens
gegen eine Rückstellfeder, und Rückstellung des Kolbens mit der Rückstellfeder, die
Drehmomente aus der Verlagerung der Querachse in beiden Anfangsbereichen der Kulissen
unterschiedlich ausfallen. Um dies zu vermeiden, werden zweckmäßig die Steigungen
der Kulisse in den Anfangsbereichen steiler als im Zwischenbereich und verschieden
gewählt, so dass das bei der Federrückstellung erzeugte Drehmoment und das bei Beaufschlagung
mit Druckluft erzeugte Drehmoment zumindest weitestgehend gleich groß ausfallen. So
lassen sich vorteilhaft Überlastungen in den Kulissen, der Lagerung des Funktionselementes
und der Aktorwelle und den Verbindungen des Funktionselementes im Ventil vermeiden.
Außerdem stellen sich jeweils gleiche Schaltwerte bzw. Schaltverhalten bei unterschiedlichen
Arbeitsweisen ein, z.B. des vom Aktor betätigten Schaltventils, z.B. wenn das Scheibenventil
durch den Aktor luftöffnend aber federschließend oder luftschließend aber federöffnend
ausgelegt ist.
[0016] Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform differieren die Steigungswinkel in den Anfangsbereichen
um ca. 2 % bis 10 %, vorzugsweise etwa 5 %, und beträgt der Steigungswinkel im Zwischenabschnitt
etwa 60 % der Steigungswinkel in den Anfangsbereichen. Vorzugsweise beträgt der steilste
Steigungswinkel etwa 66°, der Steigungswinkel im Zwischenbereich etwa 38,9° und der
weniger steile Steigungswinkel etwa 63°. Mit dieser Differenz der Steigungswinkel
in den beiden Anfangsbereichen lassen sich bei Druckluftbeaufschlagung und Federrückstellung
zumindest weitestgehend gleiche Drehmomente erzeugen.
[0017] Dabei kann der größte Steigungswinkel in einem Anfangsbereich dort vorgesehen sein,
wo in der Hubendstellung des Kolbens und bei geringster Kraft der Rückstellfeder die
Querachse in die Kulisse eingreift.
[0018] Da auch die bei der Kraftübertragung im Kolben entstehenden Kräfte großflächig verteilt
und nur moderat sind, kann bei einer zweckmäßigen Ausführungsform der Kolben aus kostengünstigem
und gut verarbeitbarem hochdichtem Polyamid hergestellt sein. Das Polyamid benötigt
keine Faserverstärkung, wodurch jedoch nicht ausgeschlossen sein soll, z.B. eine Glasfaserverstärkung
im Kolben vorzusehen.
[0019] Zweckmäßig weist jeder Deckel eine einzige Aufnahme für ein Führungsstangenende auf.
Die Führungsstange ist mit ihrem Ende in der Aufnahme durch Schweißen, Schrauben,
Schrumpfen, Kleben oder Verstemmen verankert. Die Verankerung kann in einem automatisierten
Arbeitsablauf hergestellt werden, und dadurch mit hoher Präzision, so dass ein Nachrichten
der verankerten Führungsstangen entbehrlich wird.
[0020] Besonders zweckmäßig, kostengünstig und hinsichtlich der Qualität der Verankerung
optimal wird die Führungsstange mit ihrem Ende in der Aufnahme des Deckels durch Reibschweißen,
vorzugsweise automatisiertes Reibschweißen, verankert. Der Reibschweißvorgang führt
zu einer nahezu monolithischen Verankerung und ermöglicht es, beim Reibschweißen eine
exakte Positionierung und Ausrichtung der Führungsstange im Deckel vorzunehmen, so
dass ein Nachrichten der Führungsstange entfallen kann.
[0021] Dank der als Folge der Bauweise reduzierten Biegebelastungen oder Biegespannungen
der Führungsstangen können diese aus einem kostengünstigen Material hergestellt werden,
z.B. aus einem Stahl der Spezifikation 1.4301 oder einem zumindest im Wesentlichen
gleichartigen Material.
[0022] Im Hinblick auf einfache Herstellbarkeit kann es zweckmäßig sein, als Führungsstangen
kreiszylindrische Vollmaterialstäbe zu verwenden, und die Führungen als Blindbohrungen
im Kolben auszubilden. Dies soll jedoch nicht ausschließen, als Führungsstangen auch
Hohlprofile oder Rohre zu verwenden und letztere auf an den Deckeln vorgesehene Zapfen
aufzustecken und z.B. durch Reibschweißen zu verankern.
[0023] Eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes wird anhand der Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
- Fig. 1
- einen Achsschnitt eines Aktors in einer Endstellung,
- Fig. 2
- eine Abwicklung des Außendurchmessers eines Kolbens des Aktors mit einem charakteristischen
Verlauf einer Kulisse, und
- Fig. 3
- ein Diagramm zum vom Aktor erzeugten Drehmomentverlauf über einen nur beispielhaft
mit 90° gewählten Schaltwinkel.
[0024] Der Aktor A dient beispielsweise zum Drehverstellen eines drehbaren Funktionselementes
G, beispielsweise eines Verschlusselementes eines Scheibenventils V oder Kugelhahns,
beispielsweise in der Getränkeabfüllindustrie, wobei das Funktionselement G zur Drehverstellung
über einen bestimmten Drehwinkel (z.B. 90°) eines bestimmten Drehmoments und Drehmomentverlaufs
bedarf, das bzw. den der Aktor A erzeugt und aufbringt. Das erforderliche Schaltdrehmoment
kann beispielsweise bei der Bewegung des Funktionselementes G in oder aus eine Endstellung
ein Maximum sein. Der Aktor ist in der Ausführungsform in Fig. 1 druckmittelbetätigt,
beispielsweise mittels Druckluft, und zwar in einer Hubrichtung gegen eine Rücksteilfeder,
könnte jedoch auch doppelseitig druckmittelbeaufschlagbar sein, oder durch ein anderes,
eine lineare Bewegung erzeugendes Antriebselement angetrieben werden, und erzeugt
aus der linearen Antriebsbewegung die Drehbewegung für das Funktionselement G. Bei
der Betätigung des Aktors A in einer Hubrichtung durch Druckluft gegen die Rückstellfeder
und in der anderen Richtung durch die Rückstellfeder kann das geschaltete Ventil,
z.B. ein Scheibenventil, entweder druckluftschließend und federöffnend oder federschließend
und druckluftöffnend ausgelegt sein (NC = normal geschlossen; oder NO = normal geöffnet).
[0025] Der Aktor A weist ein in der gezeigten Ausführungsform beispielsweise kreiszylindrisches
Gehäuse 1 auf, das aus einer zylindrischen Hülse 5, z.B. aus Metall, und oberen und
unteren, die Hülse 5 verschließenden Deckeln 3, 4, z.B. aus einem Metall wie Stahl,
verschlossen ist. Die beiden Deckel 3, 4 sind in die Hülse 5 eingesetzt und beispielsweise
durch Laserschweißen fixiert.
[0026] In dem Gehäuse 1 ist ein Kolben 2 linear hin- und herverstellbar, in der gezeigten
Ausführungsform beispielsweise durch Druckluftbeaufschlagung über einen Druckmittelanschluss
11 im Deckel 3 in einer Hubrichtung gegen die Kraft einer Rückstellfeder 17 erstellbar,
die zwischen dem Kolben 2 und dem anderen Deckel 4 angeordnet ist, in der entgegengesetzten
Hubrichtung durch die Rückstellfeder 17 zurückstellbar, sobald die Druckbeaufschlagung
aufgehoben oder reduziert wird.
[0027] Der Kolben 2 kann aus Metall oder Metall und Kunststoff oder nur aus Kunststoff bestehen,
und ist zweckmäßig aus einem Polyamid in hochdichter Einstellung und ohne Faserverstärkung
hergestellt. Der Kolben 2 weist eine Kolbenplatte 10 und eine damit einstückigen Kolbenschürze
9 auf, die einen inneren Hohlraum 12 umgibt, in welchen das obere Ende einer Aktorwelle
25 eintaucht, die beispielsweise mittels eines Lagers 22, und gegebenenfalls Abdichtungen,
im Deckel 4 drehbar gelagert ist. In der Kolbenschürze 9 sind zwei in Bezug auf die
Kolbenachse diametral gegenüberliegende, gegensinnige, z.B. schraubengangartige Kulissen
13 eingeformt, in die die Enden einer in der Aktorwelle 25 fixierten Querachse 8 eingreifen.
Die Kulissen 13 können sich in Umfangsrichtung über ein Bogenmaß z.B. von 90° oder
mehr oder weniger erstrecken. Ihre Steigung kann gleichförmig oder variabel sein.
Ihre axiale Länge ist beispielsweise größer als der Gesamthub des Kolbens 2 im Gehäuse
1.
[0028] Über den Eingriff der Querachse 8 in die Kulissen 13 wandelt der Kolben 2 seine lineare
Hubbewegung in eine Drehbewegung der Aktorwelle 25 um, wobei von der Aktorwelle 25
ein konstantes oder variierendes Drehmoment über den Drehwinkel generiert wird, vorausgesetzt,
dass der Kolben 2 während seiner Hubbewegungen an einer relativen Drehung um die Kolbenachse
gehindert wird.
[0029] Zum letztgenannten Zweck sind in den Aktor A zwei Führungsstangen 6a, 6b eingebaut,
die in Führungen 18a, 18b des Kolbens 2 verschiebbar eingreifen. Die Führungsstangen
6a, 6b, z.B. Vollmaterialstäbe mit kreiszylindrischem Querschnitt, z.B. aus einem
Stahl der Spezifikation 1.4301, oder einem gleichwertigen Material, sind zueinander
parallel und wie auch die Führungen 18a, 18b parallel zur Achse des Kolbens 2 und
zu dessen Hubrichtung. Die Führungsstangen 6a, 6b sind z.B. in Bezug auf die Kolbenachse
symmetrisch und diametral gegenüberliegend platziert und jeweils an einem Ende verankert.
[0030] Die eine Führungsstange 6a ist mit ihrem oberen Ende beispielsweise in einer vertieften
Aufnahme 14 im oberen Deckel 3 verankert und kragt mit ihrem anderen Ende frei aus.
Die andere Führungsstange 6b ist hingegen mit einem Ende in beispielsweise einer Aufnahme
15 des unteren Deckels 4 verankert und kragt mit ihrem freien Ende entgegengesetzt
zur einen Führungsstange 6a aus. Die freien Enden beider Führungsstangen 6a, 6b überlappen
sich in einem Mittelbereich des Aktors A, beispielsweise mit einer Überlappung, die
etwas kürzer sein kann als eine Führungslänge xb, mit der in der gezeigten oberen
Endstellung des Kolbens 2 das freie Ende der Führungsstange 6b in der Führung 18b
geführt ist. In der gleichen Betriebsposition ist hingegen die Führungslänge xa der
einen Führungsstange 6a in der Führung 18a im Wesentlichen gleich der Auskraglänge
der Führungsstange 6a.
[0031] Die beiden Führungen 18a, 18b sind beispielsweise formgleiche Blindbohrungen, wobei
die Führung 18a ihre Mündung 20 in der Oberseite der Kolbenplatte 10 und ein blindes
Ende 19 beim unteren Ende der Kolbenschürze 9 besitzt. Hingegen hat die Führung 18b
ihre offene Mündung 20 an der unteren Seite der Kolbenschürze 9 und ihr blindes Ende
19 benachbart zur Oberseite der Kolbenplatte 10, derart, dass durch die Führungen
18a, 18b keine druckübertragende Kommunikation zwischen der Unterseite der Kolbenplatte
10 und deren Oberseite stattfinden kann. Zusätzlich ist die Kolbenplatte 10 durch
eine umfangsseitige Ringdichtung 21 an der Innenwand der Hülse 5 abgedichtet. In der
gezeigten Ausführungsform kann der Raum unterhalb der Kolbenplatte 10, in welchem
die Rückstellfeder 17 angeordnet ist, eine Entlüftungsöffnung aufweisen.
[0032] Bei der Beaufschlagung des Kolbens 2 aus der in Fig. 1 gezeigten Endstellung in Richtung
zur anderen Endstellung erzeugt die Umwandlung der linearen Bewegung in die Drehbewegung
für das Funktionselement G, die mit einem Drehmoment über ein Kupplungsende 7 der
Aktorwelle 25 übertragen wird, über die Kulissen 13 und die Querachse 8 ein Reaktionsdrehmoment
am Kolben 2, dessen Richtung von der Hubrichtung abhängt. Dieses Reaktionsdrehmoment
wird von den beiden Führungsstangen 6a, 6b in das Gehäuse 1, genauer die Deckel 3,
4 abgetragen. Dabei werden die Führungsstangen 6a, 6b Biegebelastungen unterworfen,
die hauptsächlich von den Verankerungen 16 in den Aufnahmen 14, 15 zu übertragen sind,
und zum Teil auch dort entstehen, wo die Führungsstangen 6a, 6b in die Führungen 18a,
18b eintreten.
[0033] Eine die Höhe der Biegebelastungen der Führungsstangen 6a, 6b bestimmende Variable
ist die sogenannte freie Biegewirklänge jeder Führungsstange, d.h. diejenige Länge,
die bei der Übertragung des Reaktionsdrehmomentes zwischen der Mündung der jeweiligen
Führung 18a, 18b und der jeweiligen Verankerung 16 vorliegt. In der gezeigten einen
Endstellung in Fig. 1 ist die freie Biegewirklänge ya der Führungsstange 6a minimal
bzw. sogar Null, wohingegen die freie Biegewirklänge yb der anderen Führungsstange
6b ein Ausmaß hat, das beispielsweise der Hälfte bis zwei Drittel des Außendurchmessers
des Kolbens 2 oder in etwa dem Zweifachen der Führungslänge xb entspricht. Die Führungslänge
xb kann beispielsweise etwa einem Drittel des Kolbenaußendurchmessers entsprechen,
oder einem Mehrfachen der Stärke der Führungsstangen 6a, 6b, z.B. etwa dem Dreifachen
der Stärke.
[0034] Da in der gezeigten Endstellung die freie Biegewirklänge ya ein Minimum bzw. Null
ist, entsteht beim Erzeugen des Drehmomentes für das Funktionselement G aus dem Reaktionsdrehmoment
am Kolben 2 nur eine minimale Biegebelastung für die Führungsstange 6a, eigentlich
nur eine Scherbelastung quer zur Längsrichtung der Führungsstange 6a im Zwischenraum
zwischen der Oberseite der Kolbenplatte 10 und der Unterseite des Deckels 3. Die Führungsstange
6a überträgt demzufolge einen überwiegenden Teil des Reaktionsdrehmomentes in den
Deckel 3. Allerdings assistiert auch die andere Führungsstange 6b, in dem sie zwar
Biegebelastungen aufgrund der freien Biegewirklänge yb unterliegt, wegen der Führungslänge
xb jedoch auch einen Anteil des Reaktionsdrehmomentes in den anderen Deckel 4 einleitet.
[0035] Die Summe der Führungslängen xa + xb der beiden Führungsstangen 6a, 6b in den Führungen
18a, 18b hat einen bestimmten Wert, der über den Hubweg des Kolbens 2 jedoch konstant
bleibt, da die Führungslänge xb im gleichen Ausmaß zunimmt wie die Führungslänge xa
der Führungsstange 6a abnimmt, und umgekehrt. Genauso verhält es sich mit den freien
Biegewirklängen ya, yb, deren Summe ya + yb über den Hubweg des Kolbens 2 ebenfalls
konstant bleibt.
[0036] Insgesamt bedeutet dies, dass durch die gegensinnige Verankerung der Enden der beiden
Führungsstangen 6a, 6b in den Deckeln 3, 4 die aus dem Reaktionsdrehmoment des Kolbens
resultierenden Biegebelastungen oder Biegekräfte für die Führungsstangen 6a, 6b reduziert
werden, insbesondere für die die jeweils die kürzere oder keine freie Biegewirklänge
aufweisende Führungsstange 6a oder 6b, die dann einen überwiegenden Teil des Reaktionsmomentes
überträgt, wenn ihre Führungslänge xa bzw. xb optimal groß ist, was eine geringe spezifische
Flächenpressung bei der Übertragung des Hauptteiles des Reaktionsdrehmomentes mit
sich bringt, und damit einen verringerten Verschleiß zwischen den Führungsstangen
6a, 6b und den Führungen 18a, 18b. Da über den Hubweg des Kolbens 2 die Summe der
Führungslängen und die Summe der freien Biegewirklängen konstant bleibt, variieren
die Biegebelastungen der Führungsstangen nicht oder kaum, und wird auch Verschleiß
zwischen den Führungsstangen und den Führungen vergleichsmäßigt bzw. großflächig verteilt.
Dies ermöglicht die Verwendung eines kostengünstigen Materials, beispielsweise eines
Stahls der Spezifikation 1.4301 für die Führungsstangen 6a, 6b, das gegebenenfalls
auch das Material der Deckel 3, 4 sein kann. Da ferner die Summe der Führungslängen
xa, xb der beiden Führungsstangen stets konstant bleibt, benötigt der Kolben 2 auch
keine Verstärkungen, um lokale Belastungsspitzen besser aufnehmen zu können.
[0037] Die Führungsstangen 6a, 6b können in den Aufnahmen 14, 15 verschweißt, verschraubt,
verklebt, eingeschrumpft oder verstemmt sein. Eine bevorzugte Verankerungsweise ist
Reibschweißen. Zu diesem Zweck (Ausbildung der Schweißbereiche 16 in den Aufnahmen
14, 15) wird jede Führungsstange in einem Werkzeug unter axialem Andruck in der Aufnahme
15 des Deckels 3, 4 rotiert, bis unter reibungsbedingt generierter Wärme ein Verschweißvorgang
abläuft, der zu einem nahezu integralen und monolithischen Schweißbereich 16 führt,
in welchem zumindest ein erheblicher Teil der Stirnendfläche und auch ein Teil der
Umfangsfläche des Endes der jeweiligen Führungsstange 6a, 6b mit dem Material des
Deckels 3, 4 verschweißt ist. Dieser Reibschweißvorgang kann automatisiert ablaufen
und bietet den zusätzlichen Vorteil, beim Reibschweißen bereits eine präzise Ausrichtung
der Führungsstange 6a, 6b in Bezug auf die Achse des Deckels 3, 4 und damit des Gehäuses
1 vorzunehmen, wodurch ein Nachrichten nach dem Verschweißen entbehrlich sein kann.
Dies bietet herstellungstechnische Vorteile und führt einerseits aufgrund der hohen
Qualität des Schweißbereiches 16, z.B. zwischen sehr ähnlichen oder gleichen Materialien,
und der verringerten Biegebelastungen für die Führungsstange 6a, 6b zu einer Erhöhung
der Betriebs- oder Prozesssicherheit des Aktors A. Außerdem lässt sich ein automatisierter
Schweißvorgang, es könnte alternativ auch lasergeschweißt werden, kostengünstig durchführen.
[0038] Der Durchmesser des Kolbens 2 bzw. dessen Hublänge und die Länge des Gehäuses 1 richten
sich nach den Anwendungsfällen und den benötigten Drehmomenten für das Funktionselement
G. Unterschiedliche Drehmomente für das Funktionselement G können Aktoren unterschiedlicher
Durchmesser (Kolbendurchmesser) erfordern, vorausgesetzt, dass eine Druckmittelbetätigung
(mit Druckluft) vorgenommen wird, und zwar entweder eine einseitige Druckmittelbeaufschlagung
gegen die Rückstellfeder 17 oder alternativ eine doppelseitig abwechselnde Druckmittelbeaufschlagung.
[0039] Bei einer alternativen Ausführungsform könnten die beiden Führungsstangen 6a, 6b
nicht diametral gegenüberliegend angeordnet sein, sondern in willkürlich wählbaren
gegenseitigen Winkelversetzungen, z.B. im Hinblick auf einen größeren Drehwinkel.
Die Querachse 8 kann in den Kulissen 13 über Gleitschuhe oder Gleitlager oder Wälzlager
eingreifen, um hier die Reibungsverhältnisse zu verbessern. Ferner könnten die Führungsstangen
6a, 6b beliebige, in die Führungen passende Außenquerschnitte aufweisen und/oder als
Hohlprofile oder Rohre ausgebildet werden. Im Aktor A kann ein Dauerschmierstoffvorrat
zum Schmieren der Bereiche enthalten sein, in denen Relativbewegungen bei gleichzeitiger
Kraftübertragung stattfinden. Ein Rohr als Führungsstange 6a, 6b könnte bei einer
nicht gezeigten Alternative auf einen am Deckel 3, 4 vorgesehenen Zapfen aufgesteckt
und z.B. durch Reibschweißen verankert sein. Der Zapfen bildet so eine lokale integrierte
Verstärkung im und angrenzend an den Verankerungsbereich, oder könnte sich sogar über
einen erheblichen Teil der oder die gesamte Länge des Rohres erstrecken. Auch dies
könnte eine Maßnahme sein, das Nachrichten der Führungsstangen 6a, 6b entbehrlich
zu machen.
[0040] Fig. 2 zeigt eine Abwicklung des Außenumfangs des Kolbens 2 mit der beispielsweise
nur anhand ihrer Mittellinie 21 angedeuteten Kulisse 13. Die Kulisse 13 weist Anfangsbereiche
21a, 21 c und einen Zwischenbereich 21 b auf. Die Steigung der Kulisse 13 (der mit
einer zur Kolbenachse senkrechten Radialebene eingeschlossene Winkel) ist im Anfangsbereich
21 a am größten (Steigungswinkel W1), ist im Zwischenbereich 21 b am kleinsten (Steigungswinkel
W2), und ist im anderen Anfangsbereich 21 c größer als im Zwischenbereich 21 b, jedoch
kleiner als im Anfangsbereich 21 a (Steigungswinkel W3). Bei einer konkreten Ausführungsform
können der Steigungswinkel W1 etwa 66° betragen, der Steigungswinkel W2 etwa 39° oder
38,9°, und der Steigungswinkel W3 etwa 63°. D.h., die Steigungswinkel W1 und W3 differieren
um etwa 5 %, während der Steigungswinkel W2 nur etwa 60 % der Steigungswinkel W1,
W2 beträgt. Zwischen den Bereichen 21 a, 21 b und 21 c sind saubere gerundete Übergänge
vorgesehen.
[0041] In der Ausführungsform in Fig. 1 liegt demzufolge der größte Steigungswinkel W1 beispielsweise
in dem Anfangsbereich 21 a vor, in den das Ende der Querachse 8 der Aktorwelle 25
in der gezeigten oberen Hubendstellung des Kolbens 2 eingreift, sobald der Kolben
über den Druckmittelanschluss 11 mit Druckmittel beaufschlagt wird. Hingegen läuft
die Querachse 8 in den anderen Anfangsbereich 21c mit dem etwas kleineren Steigungswinkel
W3 dann ein, wenn die Rückstellfeder 17 den Kolben 2 gerade wieder in die in Fig.
1 gezeigte obere Hubendstellung bringt.
[0042] Durch den in Fig. 2 angedeuteten Verlauf der Kulisse 13 (zweckmäßig sind zwei diametral
gegenüberliegende Kulissen 13 in der Kolbenschürze 9 vorgesehen) wird bei der Betätigung
des Aktors A ein Drehmomentverlauf erzielt, wie er in Fig. 3 schematisch angedeutet
ist. Auf der vertikalen Achse in Fig. 3 ist das Drehmoment (Nm) angedeutet, während
die horizontale Achse den Winkelbereich in Grad darstellt. Es ist ein weitgehend symmetrischer
Drehmomentverlauf (Kurve 22) gegeben, bei dem das Drehmoment seinen Maximalwert M
max jeweils bei den beiden Endstellungen des Kolbens erreicht, wobei diese Maxima nahezu
plateauartig und auf der gleichen Höhe sind, d.h., die Drehmoment-Maxima sind zumindest
in etwa gleich groß. Das Drehmoment M
max beträgt beispielsweise etwa 40 Nm, während das Minimum des Drehmoments M
min etwa nur 10 Nm beträgt. Das vom Kolben 2 auf die Führungsstangen 6a, 6b übertragene
Reaktionsmoment verläuft korrespondierend, d.h., beim stärksten Reaktionsmoment wird
die dann besonders stabile Abstützung an den Führungsstangen 6a, 6b gewinnbringend
genutzt. Das in Fig. 3 schematisch angedeutete M
min könnte flacher sein als gezeigt und z.B. plateauartig.
1. Aktor (A) für ein drehbares Funktionselement (G), insbesondere ein Verschlusselement
eines Scheibenventils oder Kugelhahns (V), mit einem wenigstens einen Druckmittelanschluss
(11) aufweisenden, beidendig durch Deckel (3, 4) verschlossenen Gehäuse (1), in welchem
ein Kolben (2) abgedichtete und linear hin- und herbewegbar geführt ist, der diametral
gegenüberliegend schraubengangartige Kulissen (13) für eine Querachse (8) einer in
einem Deckel (4) drehbar gelagerten, in den Kolben (2) eintauchenden und vom Kolben
(2) mit Drehmomenten entgegengesetzter Richtungen drehantreibbaren Aktorwelle (25)
enthält, und mit zwei nur einendig gehäusefest verankerten, zueinander parallelen
Führungsstangen (6a, 6b), die innerhalb des Kolbenhubs in in Hubrichtung verlaufende,
jeweils blind endende Führungen (18a, 18b) eingreifen, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Führungsstange (6a) in dem einen Deckel (3) und die andere Führungsstange
(6b) in dem anderen Deckel (4) verankert ist, und dass die beiden Führungen (18a,
18b) im Kolben (2) in zueinander entgegengesetzten Richtungen blind enden.
2. Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die freien Enden der beiden Führungsstangen (6a, 6b) einander in Hubrichtung überlappen,
vorzugsweise mit einer etwa einem Drittel des Kolbenaußendurchmessers entsprechenden
Überlappung.
3. Aktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in einer jeweiligen Kolbenendstellung vorgesehene freie Biegewirklänge (ya, yb)
nur einer Führungsstange (6a, 6b) zwischen etwa der Hälfte bis zu annähernd zwei Dritteln
des Kolbenaußendurchmessers und/oder etwa dem Zweifachen der Überlappung der freien
Enden der beiden Führungsstangen (6a, 6b) beträgt.
4. Aktor nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Führungslängen (xa, xb), vorzugsweise auch die Summe der freien Biegewirklängen
(ya, yb), beider Führungsstangen (6a, 6b) in den Führungen (18a, 18b) unabhängig von
der Richtung des Reaktionsdrehmomentes am Kolben (2) bzw. der Hubrichtung des Kolbens
(2) über den Kolbenhub konstant ist.
5. Aktor nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsstangen (6a, 6b) in Bezug auf die Kolbenachse achssymmetrisch und diametral
gegenüberliegend in den Deckeln (3, 4) platziert sind.
6. Aktor nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (2) eine Kolbenplatte (10) und eine die Kulissen (13) und die Führungen
(18a, 18b) enthaltende Kolbenschürze (9) aufweist, wobei eine Führung (18a) ihre offene
Mündung (20) in der Kolbenplatte (10) und ihr blindes Ende (19) in der Kolbenschürze
(9) und die andere Führung (18b) ihre offene Mündung (20) in der Kolbenschürze (9)
und ihr blindes Ende (19) in der Kolbenplatte aufweisen.
7. Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (2) in einer Hubrichtung aus einem Druckmittelanschluss (11) gegen eine
Rückstellfeder (17) und in der anderen Hubrichtung durch die Rückstellfeder (17) und/oder
über entgegengesetzt im Gehäuse (1) angeordnete Druckmittelanschlüsse doppelseitig
beaufschlagbar ist.
8. Aktor nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Kulisse (13) in Anfangsbereichen (21 a, 21 c) unterschiedliche aber größere
Steigungswinkel (W1, W3) - bezogen auf eine die Kolbenachse senkrecht durchsetzende
Radialebene - als den Steigungswinkel (W2) in einem Zwischenbereich (21 b) zwischen
den Anfangsbereichen (21a, 21c) aufweist, vorzugsweise derart, dass die von der Aktorwelle
(25) auf das Funktionselement (G) durch den Eingriff der Querachse (8) in die Anfangsbereiche
(21 a, 21c) übertragenen Drehmomente unabhängig von der Beaufschlagung des Kolbens
(2) durch Druckmittel oder die Rückstellfeder (17) zumindest in etwa gleiche Maxima
(Mmax) aufweisen.
9. Aktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigungswinkel (W1, W3) in den Anfangsbereichen (21 a, 21 c) um ca. 2 % bis
10 %, vorzugsweise um etwa 5 %, differieren, und dass der Steigungswinkel (W2) im
Zwischenbereich (21 b) etwa 60 % der Steigungswinkel (W1, W3) beträgt, wobei, vorzugsweise,
der Steigungswinkel (W1) etwa 66°, der Steigungswinkel (W2) etwa 40° oder 38,9°, und
der Steigungswinkel (W3) etwa 63° betragen.
10. Aktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der größte Steigungswinkel (W1) in dem Anfangsbereich (21 a) vorgesehen ist, in welchen
in der Hubendstellung des Kolbens (2) mit geringster Kraft der Rückstellfeder (17)
die Querachse (8) eingreift.
11. Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (2) aus hochdichtem Polyamid, vorzugsweise ohne Faserverstärkung, hergestellt
ist.
12. Aktor nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Deckel (3, 4) eine entweder vertiefte oder zapfenförmige Aufnahme (14, 15)
für ein Führungsstangenende aufweist, und dass die Führungsstangen (6a, 6b) in die
Aufnahmen (14) eingeführt oder auf die Aufnahmen (14) aufgesteckt und verschweißt,
verschraubt, festgeschrumpft, verklebt oder verstemmt sind.
13. Aktor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Führungsstange (6a, 6b) in oder auf der Aufnahme (14) des Deckels (3
oder 4) durch Reibschweißen, vorzugsweise automatisiertes Reibschweißen, vorzugsweise
stirnseitig und außen- oder innenumfangsseitig, in einem Verschweißbereich (16) verankert
ist.
14. Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Führungsstangen (6a, 6b) vorzugsweise aus einem Stahl der Spezifikation
1.4301 oder einer mit dieser Spezifikation vergleichbaren Metall-Legierung bestehen.
15. Aktor nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsstangen (6a, 6b) gleichdimensionierte, kreiszylindrische Vollmaterialstäbe
oder Rohre und die Führungen (18a, 18b) Blindbohrungen sind.
1. Actuator (A) for a rotating function element (G), in particular a closing element
of a disk valve or a ball valve (V), having a housing (1) comprising at least one
pressure means supply (11) and being closed at both ends by covers (3, 4), a piston
(2) being guided to reciprocate in the housing (1) in a sealing manner, the piston
(2) containing diametrically opposed, convolution-like guiding grooves (13) for a
transverse axis (8) of an actuator shaft (25) rotatably mounted in a cover (4), submerging
into the piston (2) and rotatably driven by the piston (2) with torques in opposite
directions, and having two parallel guide rods (6a, 6b) firmly anchored in the housing
each only at one end, the guide rods (69, 66) engaging in guides (18a, 18b) extending
in the direction of the piston stroke and ending blind within the piston stroke, characterized in that the one guide rod (6a) is anchored in the one cover (3), and the other guide rod
(6b) is anchored in the other cover (4), and that the two guides (18a, 18b) end blind
in opposite directions in the piston (2).
2. Actuator according to claim 1, characterized in that the free ends of the two guide rods (6a, 6b) overlap in the direction of the piston
stroke, preferably with an overlap approximately corresponding to one third of the
piston's outer diameter.
3. Actuator according to claim 1 or 2, characterized in that in a respective piston stroke end position the free effective bending length (ya,
yb) of only one guide rod (6a, 6b) amounts to between approximately half to nearly
two thirds of the piston's outer diameter, and/or approximately to twice the overlap
of the free ends of the two guide rods (6a, 6b).
4. Actuator according to at least one of the preceding claims, characterized in that the sum of the guide lengths (xa, xb) of both guide rods (6a, 6b) in the guides (18a,
18b), preferably also the sum of the free effective bending lengths (ya, yb), is constant
over the piston stroke independent of the direction of the reaction torque at the
piston (2) or the stroke direction of the piston (2).
5. Actuator according to at least one of the preceding claims, characterized in that the guide rods (6a, 6b) are placed in the covers (3, 4) with respect to the piston
axis axially symmetrically and diametrically opposed.
6. Actuator according to at least one of the preceding claims, characterized in that the piston (2) comprises a piston plate (10) and a piston skirt (9) containing the
guiding grooves (13) and the guides (18a, 18b), one guide (18a) having an open mouth
(20) in the piston plate (10) and its blind end (19) in the piston skirt (9), and
the other guide (18b) having an open mouth (20) in the piston skirt (9) and its blind
end (19) in the piston plate.
7. Actuator according to claim 1, characterized in that the piston (2) is to be actuated in one stroke direction from a pressure means supply
(11) against a readjusting spring (17), and in the other stroke direction by the readjusting
spring (17), and/or that it is to be actuated at both sides by pressure means supplies
disposed at opposed sides in the housing (1).
8. Actuator according to at least one of the preceding claims, characterized in that each guiding groove (13) comprises in starting regions (21 a, 21 c) different but
greater pitch angles (W 1, W3) - with respect to a radial plane perpendicularly through
the piston axis - than the pitch angle (W2) in an intermediate region (21 b) between
the starting regions (21 a, 21 c), preferably such that the torques transmitted from
the actuator shaft (25) to the function element (G) by engagement of the transverse
axis (8) in the starting regions (21 a, 21 c) at least approximately have the same
maxima (Mmax), independent of the action of the pressure means or the readjusting spring (17)
on the piston (2).
9. Actuator according to claim 8, characterized in that the pitch angles (W1, W3) in the starting regions (21a, 21 c) differ by about 2%
to 10%, preferably by about 5%, and that the pitch angle of slope (W2) in the intermediate
region (21 b) amounts to about 60% of the pitch angles (W1, W3), where preferably
the pitch angle (W1) amounts to about 66°, the pitch angle (W2) amounts to approximately
40° or 38.9°, and the pitch angle (W3) amounts to about 63°.
10. Actuator according to claim 9, characterized in that the greatest pitch angle (W1) is provided in the starting region (21 a) in which
in the stroke end position of the piston (2), the transverse axis (8) engages with
the lowest acting force of the readjusting spring (17).
11. Actuator according to claim 1, characterized in that the piston (2) is made of high-density polyamide, preferably without fiber reinforcement.
12. actuator according to at least one of the preceding claims, characterized in that each cover (3, 4) comprises either a depressed or a pin-shaped mounting (14, 15)
for a guide rod end, and that the guide rods (6a, 6b) are inserted into the mountings
(14) or placed over the mountings (14) and are welded, screwed, shrunk, glued or calked
there.
13. Actuator according to claim 12, characterized in that the respective guide rod (6a, 6b) is anchored in a welding region (16) in or on the
mounting (14) of the cover (3 or 4) by friction welding, preferably automated friction
welding, preferably at the front side and at the outer or inner periphery.
14. Actuator according to claim 1, characterized in that at least the guide rods (6a, 6b) preferably consist of a steel of specification 1.4301
or a metal alloy comparable to this specification.
15. Actuator according to at least one of the preceding claims, characterized in that the guide rods (6a, 6b) are equally dimensioned, circular cylindrical solid material
rods or tubes and that the guides (18a, 18b) are blind holes.
1. Actionneur (A) pour un élément fonctionnel (G) rotatif, notamment un élément de fermeture
d'une vanne à disque ou d'un robinet à boisseau sphérique (V), comprenant un carter
(1), qui présente au moins un raccord de branchement de fluide de pression (11) et
est fermé aux deux extrémités par des couvercles (3, 4), et dans lequel un piston
(2) est guidé de manière étanche et selon un mouvement en va et vient linéaire, et
renferme de manière diamétralement opposée, des coulisses (13) du type filet de vis
pour un axe transversal (8) d'un arbre d'actionneur (25) monté en rotation dans un
couvercle (4), plongeant dans le piston (2) et pouvant être entraîné en rotation par
le piston (2) avec des moments de rotation de directions opposées, l'ensemble comprenant
également deux tiges de guidage (6a, 6b) parallèles l'une à l'autre, ancrées seulement
à une extrémité de manière fixe au carter, et qui, sur l'étendue de la course du piston,
s'engagent dans des guides (18a, 18b) s'étendant dans la direction de la course de
déplacement et se terminant chacun de manière borgne, caractérisé en ce qu'une tige de guidage (6a) est ancrée dans un couvercle (3) et l'autre tige de guidage
(6b) est ancrée dans l'autre couvercle (4), et en ce que les deux guides (18a, 18b) se terminent de manière borgne dans le piston (2), dans
des directions mutuellement opposées.
2. Actionneur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les extrémités libres des deux tiges de guidage (6a, 6b) se chevauchent mutuellement
dans la direction de la course de déplacement, de préférence avec un chevauchement
correspondant environ à un tiers du diamètre extérieur du piston.
3. Actionneur selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la longueur active de flexion (ya, yb) de seulement une tige de guidage (6a, 6b),
prévue dans une position extrême respective du piston, a une valeur entre environ
la moitié jusqu'à approximativement deux tiers du diamètre extérieur du piston, et/ou
environ égale au double du chevauchement des extrémités libres des deux tiges de guidage
(6a, 6b).
4. Actionneur selon l'une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce que la somme des longueurs de guidage (xa, xb), de préférence également la somme des
longueurs actives de flexion (ya, yb), des deux tiges de guidage (6a, 6b) dans les
guides (18a, 18b), est constante le long de la course de déplacement du piston, indépendamment
de la direction du moment de réaction sur le piston (2), respectivement de la direction
de la course de déplacement du piston (2).
5. Actionneur selon l'une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce que par rapport à l'axe de piston, les tiges de guidage (6a, 6b) sont placées dans les
couvercles (3, 4), de manière symétrique à l'axe et de façon diamétralement opposée.
6. Actionneur selon l'une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce que le piston (2) comporte une plaque de piston (10) et une jupe de piston (9) renfermant
les coulisses (13) et les guides (18a, 18b), un guide (18a) présentant son embouchure
ouverte (20) dans la plaque de piston (10) et son extrémité borgne (19) dans la jupe
de piston (9), et l'autre guide (18b) présentant son embouchure ouverte (20) dans
la jupe de piston (9) et son extrémité borgne (19) dans la plaque de piston.
7. Actionneur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le piston (2) peut être sollicité, dans une direction de la course de déplacement,
à partir d'un raccord de fluide de pression (11) à l'encontre d'un ressort de rappel
(17), et dans l'autre direction de la course de déplacement, par le ressort de rappel
(17), et/ou des deux côtés par l'intermédiaire de raccords de fluide de pression agencés
de manière opposée dans le carter (1).
8. Actionneur selon l'une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque coulisse (13) présente dans des zones de départ (21a, 21c), par rapport à
un plan radial orthogonal à l'axe de piston, des angles d'hélice (W1, W3) différents
mais plus grands que l'angle d'hélice (W2) dans une zone intermédiaire (21b) entre
les zones de départ (21a, 21c), de préférence de manière telle, que les moments de
rotation transmis par l'arbre d'actionneur (25) à l'élément fonctionnel (G) par la
venue en prise de l'axe transversal (8) dans les zones de départ (21a, 21c), indépendamment
de la sollicitation du piston (2) par du fluide de pression ou le ressort de rappel
(17), présentent au moins sensiblement des maximas (Mmax) identiques.
9. Actionneur selon la revendication 8, caractérisé en ce que les angles d'hélice (W1, W3) dans les zones de départ (21a, 21c) diffèrent d'environ
2% à 10%, de préférence d'environ 5%, et en ce que l'angle d'hélice (W2) dans la zone intermédiaire (21b) vaut environ 60% des angles
d'hélice (W1, W3), l'angle d'hélice (W1) valant de préférence environ 66°, l'angle
d'hélice (W2) environ 40° ou 38,9°, et l'angle d'hélice (W3) environ 63°.
10. Actionneur selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'angle d'hélice (W1) le plus grand est prévu dans la zone de départ (21a), dans
laquelle vient en prise l'axe transversal (8) dans la position extrême de course de
déplacement du piston (2) avec la plus faible force du ressort de rappel (17).
11. Actionneur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le piston (2) est fabriqué en un polyamide haute densité, de préférence sans renfort
de fibres.
12. Actionneur selon l'une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque couvercle (3, 4) présente un élément d'accueil (14, 15) en creux ou en forme
de tenon pour une extrémité de tige de guidage, et en ce que les tiges de guidage (6a, 6b) sont introduites dans les éléments d'accueil (14) ou
emmanchés sur les éléments d'accueil (14) et y sont soudés, vissés, frettés de manière
fixe, collés ou fixés par matage.
13. Actionneur selon la revendication 12, caractérisé en ce que la tige de guidage (6a, 6b) respective est ancrée dans une zone de soudage (16),
dans ou sur l'élément d'accueil (14) du couvercle (3 ou 4), par soudage par friction,
de préférence par soudage par friction automatisé, de préférence frontalement et sur
la périphérie extérieure ou intérieure.
14. Actionneur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins les tiges de guidage (6a, 6b) sont de préférence réalisées en un acier de
spécification 1.4301 ou en un alliage métallique comparable à cette spécification.
15. Actionneur selon l'une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce que les tiges de guidage (6a, 6b) sont des barres de matériau plein ou des tubes, cylindriques
circulaires, de même dimension, et les guides (18a, 18b) sont des alésages borgnes.
IN DER BESCHREIBUNG AUFGEFÜHRTE DOKUMENTE
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde ausschließlich zur Information
des Lesers aufgenommen und ist nicht Bestandteil des europäischen Patentdokumentes.
Sie wurde mit größter Sorgfalt zusammengestellt; das EPA übernimmt jedoch keinerlei
Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
In der Beschreibung aufgeführte Patentdokumente