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Die
Erfindung betrifft eine Verriegelungsvorrichtung für Linearaktuatoren,
insbesondere für
fluidbetätigte
Verstelleinrichtungen, mit einer zu einer Aufnahme axial verschieblich
gelagerten Kolbenstange, die einen sich in Axialrichtung erstreckenden Hohlraum
aufweist, in dem in Axialrichtung ortsfest verteilt Formschlusseinrichtungen
und in der Kolbenstange zu den Formschlusseinrichtungen korrespondierende
Formschlusselemente an einer Spreizhülse radial verlagerbar angeordnet
sind, wobei den Formschlusselementen eine Betätigungseinrichtung in Gestalt
eines axial verschieblichen Spannkonus zugeordnet ist, der die Formschlusselemente
radial verlagert. Die Erfindung ist insbesondere für hydraulische
Verstelleinrichtungen geeignet, die für sicherheitskritische Anwendungen
eingesetzt werden.
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Aus
dem Stand der Technik sind für
hydraulische Verstellvorrichtungen hydraulische Verriegelungen in
Gestalt eines Rückschlagventils
bekannt. Insbesondere bei sicherheitskritischen Anwendungen in der
Luftfahrt sind Rückschlagventile
zur Verriegelung der hydraulischen Verstelleinrichtung nachteilig,
da die Möglichkeit
der Leckage an jeder im System befindlichen Dichtung gegeben ist.
Eine Fehlfunktion des Ventils kann schwerwiegende Folgen haben.
Weiterhin werden durch die im Flugbetrieb vorhandenen Temperaturschwankungen
Volumenänderungen
des Hydraulikfluids hervorgerufen, die im Falle der hydraulischen
Verrie gelung zum Austritt von Hydraulikflüssigkeit durch Überdruck
oder durch Eintritt von Umgebungsluft durch Unterdruck führen könnten.
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Weiterhin
sind reibschlüssige
Verriegelungen über
verschiedene Klemmprinzipien bekannt. Nachteilig daran ist die hohe
hertzsche Pressung, die zum Bereitstellen der erforderlichen Haltekraft
notwendig ist. Darüber
hinaus ist der konstruktive Aufwand der Klemmverbindungen außerordentlich
hoch und hat ein hohes Strukturgewicht zur Folge. Nachteilig an
Klemmverbindungen ist deren Tendenz zur Irreversibilität, so dass
nach einer Verriegelung ein Lösen
der Klemmverbindungen nicht oder nur sehr schwer möglich ist.
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Aus
der
DE 31 33 117 C2 ist
eine teleskopisch längenveränderliche
Stützstrebe
für einziehbare
Flugzeugfahrwerke bekannt, bei der bei einem komplett eingefahrenen
Fahrwerk eine Verriegelung in der Endlage durch Formschluss erfolgt.
Eine Verriegelung in einer nicht eingefahrenen Position ist nicht
möglich.
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Die
DE 198 06 501 C1 beschreibt
eine Arretiervorrichtung zwischen zwei koaxial ineinander verschieblichen,
zylindrischen Bauteilen mit einer in einem Behälter nach außen abgedichtete
und axial geführte
Kolbenstange. Die Kolbenstange trägt einen Dämpfkolben und ist an dem aus
dem Behälter
ragenden Ende mit einem Stützrohr
verbunden. Die Arretiervorrichtung ist zwischen dem Stützrohr und
dem Behälterrohr
angeordnet und weist ein durchmesserveränderliches Spannelement auf,
das von einer Betätigungseinrichtung
betätigbar
ist. Der Spannkörper wird
in Axialrichtung komprimiert oder gestreckt und bewirkt ein Einklemmen
des Behälterrohres
in dem Stützrohr.
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Die
DE 295 03 236 U1 beschreibt
eine Positioniervorrichtung zum genauen Positionieren von pneumatischen
und hydraulischen Arbeitszylindern, bei der eine Spreizhülse in einer
Innenbohrung einer Kolbenstange eines Arbeitszylinders angeordnet
ist. Die Spreizhülse
ist an einem Ende mehrfach in Längsrichtung
geschlitzt, die Segmente sind mit einem Außengewinde versehen.
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An
dem geschlitzten Ende ist ein Formkeil angeordnet, der bei einer
axialen Verlagerung ein Aufspreizen der Hülse bewirkt. Dadurch greifen
die Gewindesegmente auf der Spreizhülse formschlüssig in
das Innengewinde der Kolbenstange des Arbeitszylinders ein. Um eine
präzise
Positionierung der Kolbenstange zu gewährleisten wird die Gewindespreizhülse gedreht.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verriegelungsvorrichtung
für Linearaktuatoren, insbesondere
für fluidbetätigte Verstelleinrichtungen mit
einer zu einer Aufnahme axial verschieblich gelagerten Kolbenstange
bereitzustellen, mit der eine sichere Verriegelung über den
gesamten Hubweg der Linearaktuatoren möglich ist.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch eine Verriegelungseinrichtung mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst,
bei der die Kolbenstange einen sich in Axialrichtung erstreckenden
Hohlraum aufweist, in dem in Axialrichtung verteilt Formschlusseinrichtungen
angeordnet sind. In der Kolbenstange sind zudem zu den Formschlusseinrichtungen
korrespondierende Formschlusselemente radial verlagerbar angeordnet,
die zu der Aufnahme axial ortsfest gelagert sind. Den Formschlusselementen
ist eine Betätigungseinrichtung
zugeordnet, die die Formschlusselemente radial verlagert. Dadurch
ist es möglich,
die Formschlussele mente über
die Betätigungseinrichtung
in formschlüssigen
Eingriff mit den Formschlusseinrichtungen innerhalb der Kolbenstange
zu bringen, so dass eine formschlüssige Verriegelung innerhalb
der Kolbenstange an diskreten Stellen über den gesamten Hub möglich ist.
Dadurch ist es möglich,
ohne eine hydraulische Verriegelung und mit einem minimalen konstruktiven
Aufwand eine sichere Verriegelung der Linearaktuatoren zu ermöglichen.
Darüber
hinaus bietet die mechanische Verriegelung durch Formschluss innerhalb
der Kolbenstange die Möglichkeit
einer geschützten
Unterbringung des Verriegelungsmechanismusses. Um auf eine einfache
und zuverlässige
Art und Weise eine Radialverschiebung der Formschlusselemente zu
erreichen, ist die Betätigungseinrichtung
als ein axial verschieblicher Spannkonus ausgebildet, durch dessen axiale
Verlagerung die Formschlusselemente in Eingriff oder außer Eingriff
mit den Formschlusseinrichtungen der Kolbenstange gebracht werden.
Dazu ist es vorgesehen, dass an der Spreizhülse ein zu dem Spannkonus komplementärer Gegenkonus
ausgebildet ist, über
den die Formschlusselemente außer Eingriff
mit den Formschlusseinrichtungen gehalten werden. Eine solche Ausbildung
ist dann vorgesehen, wenn die Formschlusselemente unter Spannung
außer
Eingriff gehalten werden. Dazu ist der Spannkonus als ein kappenförmiger Außenkonus ausgebildet,
in den der Gegenkonus eingreift.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Formschlusseinrichtungen
innerhalb der Kolbenstange als Nuten, insbesondere radial umlaufende
Nuten ausgebildet sind. Um eine Kerbwirkung innerhalb der Kolbenstange
zu vermeiden und die Stabilität
der Kolbenstange nicht zu beeinträchtigen, sind die Formschlusseinrichtungen
in Gestalt von Nutenringen ausgebildet, die in der Kolbenstange hintereinander
angeordnet eingelegt sind. In der hohlen Kolbenstange sind einzelne
Ringe unterschiedlichen Durchmessers oder Ringe mit eingearbeiteten Nuten
eingebracht und darin festgelegt. Dies hat zudem die Vorteile einer
einfachen Fertigung und leichten Montage.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Aufnahme für die Kolbenstange
ein Zylinder ist, insbesondere ein Hydraulik- oder Pneumatikzylinder,
in dem ein an der Kolbenstange befestigter Kolben verschiebbar gelagert
ist. Der Kolben ist beidseitig druckbeaufschlagbar, so dass die
Kolbenstange in Axialrichtung hin und her verschieblich gelagert
ist.
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Darüber hinaus
ist es vorgesehen, dass die Formschlusselemente radial federnd ausgebildet oder
radial federnd gelagert sind, um eine Reversibilität des formschlüssigen Eingriffes
einfach bewirken zu können.
Dabei ist es möglich,
dass die Formschlusselemente während
des Betriebes des Linearaktuators unter Spannung außer Eingriff
mit den Formschlusseinrichtungen gehalten werden und dass nach Lösen der
Spannung die Formschlusselemente durch die Federkraft in Eingriff
mit den Formschlusseinrichtungen gebracht werden. Alternativ ist es
vorgesehen, dass die Formschlusselemente in der entspannten Stellung
außer
Eingriff befindlich sind und erst durch die Betätigungseinrichtung in den formschlüssigen Eingriff
mit den Formschlusseinrichtungen gebracht werden. Nach Entfernen
der Betätigungseinrichtung
oder einem Zurückbewegen
in die Ausgangsposition federn die Formschlusselemente in die entspannte
Stellung zurück,
so dass die freie Beweglichkeit des Aktuators oder der Verstellvorrichtung
wieder gegeben ist.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Formschlusselemente
an einem Halter angeordnete oder ausgebildete Vorsprünge sind.
Alternativ sind die Formschlusselemente verschieblich gelagerte
Segmente, die radial verschoben werden oder radial federnd ausgebildete
Federringe, die entweder in die Formschlusseinrichtungen einfedern oder
aus diesen ausfedern.
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Eine
vorteilhafte Variante der Erfindung sieht vor, dass der Halter als
eine Spreizhülse
ausgebildet ist, die in Axialrichtung mit Schlitzen versehen ist,
so dass die geschlitzten Abschnitte radial verlagerbar sind. Die
Formschlusselemente sind an den geschlitzten Abschnitten, vorzugsweise
an den Enden der Abschnitte ausgebildet oder angeordnet, so dass eine
Verriegelung der Kolbenstange in Bezug auf den Halter bzw. die Aufnahme über den
gesamten Verschiebebereich der Kolbenstange möglich ist. Die Formschlusselemente
sind dabei axial ortsfest zu der Aufnahme an dem Halter gelagert.
Der Halter oder die Spreizhülse
wird von der Kolbenstange zumindest im Bereich der Formschlusselemente
umfasst, so dass die Formschlusselemente symmetrisch, vorzugsweise
kreisumfänglich
innerhalb der Kolbenstange in die Formschlusseinrichtungen eingreifen können.
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Um
ein Ausweichen der Formschlusselemente radial nach innen zu verhindern,
wenn diese in Eingriff mit den Formschlusseinrichtungen stehen,
ist innerhalb der Spreizhülse
eine Zug- und Verriegelungshülse
als Stützhülse angeordnet,
die im verriegelten Zustand in den Bereich der geschlitzten Abschnitte
verlagert wird und eine Stützwirkung
ausübt. Dazu
ist es vorgesehen, dass der Spannkonus über einen federbelasteten Zuganker
mit der Zug- und Verriegelungshülse
gekoppelt ist, so dass automatisch bei Entlastung die Zug- und Verriegelungshülse über eine
Feder verschoben wird.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand der beigefügten
Figuren näher erläutert. Es
zeigen:
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1 – eine Querschnittsansicht
einer hydraulischen Verstelleinrichtung;
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2 – die Einzelheit
C der 1;
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3 – eine Einzeldarstellung
einer Spreizhülse;
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4 – die Einzelheit
B in der 1; sowie
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5 – die Einzelheit
D in der 4.
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Die 1 zeigt
einen Linearaktuator 1, vorliegend eine hydraulische Verstelleinrichtung,
mit einer Kolbenstange 10, die in einer als Zylinder ausgebildeten
Aufnahme 30 verschieblich geführt ist. Die beiden Enden 2, 3 der
Verstelleinrichtung 1 weisen Befestigungseinrichtungen
auf, die an beweglich zueinander zu lagernden Objekten angebracht
werden können.
Der als Aufnahme für
die Kolbenstange 10 dienende Zylinder 30 ist ein
Hydraulikzylinder, in dem ein Kolben 31, der an der Kolbenstange 10 befestigt ist,
in Richtung des Doppelpfeils bewegt werden kann. An der der Kolbenstange 10 abgewandten
Seite des Zylinders 30 ist ein Halter 20 befestigt,
der durch den Kolben 31 hindurchgeht und bis in einen Hohlraum 11 der
Kolbenstange 10 hineinragt. An dem kolbenstangenseitigen
Ende des Halters 20 sind nicht dargestellte Formschlusselemente
ausgebildet, die in ebenfalls nicht dargestellte Formschlusseinrichtungen
im Inneren der Kolbenstange 10 bei Bedarf eingreifen. Es
erfolgt eine formschlüssige
Verriegelung der Kolbenstange 10 im Verhältnis zu
dem Zylinder 30 bzw. dem Halter 20, wobei die
Verriegelung in nahezu jeder Stellung der Kolbenstange 10 im
Verhältnis
zu dem Zylinder 30 vorgenommen werden kann, da die Formschlusseinrichtungen
aus axial hintereinander angeordneten Nuten bestehen, die in dem
Ausführungsbeispiel über die
gesamte Länge der
Kolbenstange 10 in dem Hohlraum 11 angeordnet
sind. In dem dargestellten Zustand sind die Formschlusselemente
des Halters 20 außer
Eingriff mit den Formschlusseinrichtungen innerhalb der Kolbenstange 10,
so dass die Kolbenstange 10 axial frei beweglich ist. Der
Halter 20 ist mit dem Zylinder 30 bzw. mit dem
Zylindergehäuse
verbunden und an diesem festgelegt, so dass auch die Formschlusselemente
in Axialrichtung unbeweglich zu dem Zylindergehäuse 30 befestigt sind.
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In
der 2 ist die Einzelheit C der 1 in einem
vergrößerten Maßstab dargestellt
und zeigt in Querschnittsansicht das Zylindergehäuse 30 mit dem darin
befestigten Halter 20. Der Halter 20 weist eine Zentralbohrung 25 auf,
in der längsverschieblich
ein Zuganker 43 für
eine nicht dargestellte Zug- und Verriegelungshülse angeordnet ist, die über eine
Haltevorrichtung 99 ortsfest gehlaten wird. Um die Außenwandung
des Halters 20 herum ist eine Grundplatte 32 angeordnet,
die an dem Kolben 31 befestigt ist. Der Kolben 31 ist
wiederum an der Kolbenstange 10 befestigt, die in ihrem
Inneren Formschlusseinrichtungen 12 aufweist. Die Formschlusseinrichtungen 12 sind
in Gestalt von Nutenringen ausgebildet, die innerhalb des Hohlraumes 11 der
hohl gebohrten Kolbenstange 10 hintereinander geschichtet
sind. Durch die Grundplatte 32 werden die Nutringe 12 in
der Kolbenstange 10 gehalten. Die Nutringe 12 bilden
umlaufende Nuten aus. Die Kolbenstange 10 und die Nutringe 12 sind
so dimensioniert, dass der Kolben 31 und die Grundplatte 32 an
dem Halter 20 entlang gleiten können. Der Kolben 31 dient
in Verbindung mit der Grundplatte 32 als Führung für den Halter 20, der
dadurch eine bessere Knickfestigkeit erhält.
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An
dem nicht dargestellten oberen Ende des Halters 20 ist
eine Spreizhülse
ausgebildet, wie sie in der 3 gezeigt
ist. Die Spreizhülse 20 besteht
dabei aus geschlitzten Abschnitten 21, die durch axial verlaufende
Schnitte 24 gebildet werden. Die geschlitzten Abschnitte 21 sind
radial verlagerbar und weisen auf ihrer Außenseite Formschlusselemente 22 in
Gestalt von Erhebungen oder Klin ken auf. Der obere Abschluss der
Spreizhülse 20 wird
durch einen Gegenkonus 23 gebildet, der sich nach oben
verjüngt.
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In
der 4 ist die Einzelheit B der 1 gezeigt,
in der das Zylindergehäuse 30 mit
der verschieblich darin gelagerten Kolbenstange 10 zu erkennen
ist. In dem Hohlraum der Kolbenstange 10 sind die Formschlusseinrichtungen 12 in
Gestalt von Nutringen eingebracht, alternativ können die Nuten in der Kolbenstange 10 eingearbeitet
sein. Des Weiteren können
die Nuten als Gewinde (Trapezgewinde oder dergl.) ausgestaltet sein,
beispielsweise als Innengewinde innerhalb der Kolbenstange 10.
Die Formschlusselemente können
als Außengewinde
auf der Spreizhülse 20 ausgebildet
sein. Innerhalb der Kolbenstange 10 und innerhalb der Nutringe 12 ist der
Halter 20 geführt,
der als Rohr ausgebildet ist. In dem Halter 20 ist eine
Zug- und Verriegelungshülse 45 verschieblich
gelagert. Innerhalb der Zug- und Verriegelungshülse 45 ist ein Zuganker 43 gelagert, der über eine
Spiralfeder 45 in Richtung des zylinderseitigen Endes des
Halters 20 belastet wird. An dem kolbenstangenseitigen
Ende des Halters 20 ist die in der 3 gezeigte
Spreizhülse
ausgebildet, die von dem vorderen Ende des Zugankers 43 umfasst
wird. Das vordere Ende des Zugankers 43 ist mit einem Spannkonus
versehen, der den Gegenkonus 23 durch Aufbringen einer
Axialkraft radial nach innen verlagert, so dass der Außendurchmesser
der Spreizhülse 20 verkleinert
wird. Dadurch werden die Formschlusselemente 22 außer Eingriff
mit den Formschlusseinrichtungen 12 gebracht, so dass die Kolbenstange 10 axial
frei beweglich ist.
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In
der 5 ist die Einzelheit D der 4 gezeigt,
anhand der zu erkennen ist, dass der Spannkonus 40 als
Betätigungseinrichtung
den Gegenkonus 23 der Spreizhülse 20 radial nach
innen verlagert. In diesem Zustand ist die Spreizhülse 20 gespannt
und der Linearaktuator 1 ist frei beweglich. Wird die axiale
Haltekraft auf die Zug- und Verriegelungshülse 45 eliminiert,
indem eine Haltevorrichtung 99, wie sie in der 2 angedeutet
ist, gelöst
wird, wird aufgrund der Radialspannung der geschlitzten Abschnitte 21 der
Spreizhülse 20 durch
Wirkung des Gegenkonus 23 auf den Spannkonus 40 der
Zuganker 43 in Richtung auf die Kolbenstange 10 verschoben.
Die Spreizhülse 20 entspannt
sich und die geschlitzten Abschnitte 21 federn radial nach
außen. Dadurch
treten die Formschlusselemente 22 mit den Formschlusseinrichtungen 12 in
Eingriff und verriegeln die Kolbenstange 10 in dieser Position.
Die Klinken oder die Vorsprünge 22 pressen
sich durch die Eigenspannungen, hervorgerufen durch die Federwirkung
der geschlitzten Abschnitte 21, sowie durch die durch die
Schraubenfeder belastete Zug- und Verriegelungshülse 45, die auf die
Innenflanke der noch nach innen verformten Spreizhülse 20 eine
Keilwirkung ausübt,
an die Nutenringe 12. Sofern die Nuten und die Vorsprünge bzw.
Klinken einander gegenüberliegen,
erfolgt ein Einrasten. Nach dem Einrasten der Formschlusselemente 22 in
den Nutenringen 12 liegt eine zylindrische Geometrie innerhalb
der geschlitzten Abschnitte 21 der Spreizhülse 20 vor.
Nun wird die zylindrische Zug- und Verriegelungshülse 45,
durch die gespannte Schraubenfeder 44 getrieben, vollständig in
den geschlitzten Bereich der Spreizhülse 20 verschoben.
Dabei stützt
sich die Zug- und Verriegelungshülse 45 über die
Schraubenfeder 44 am Zuganker 43, über den
Spannkonus 240 und den Gegenkonus 23 axial am
Gegenkonus 23 ab. Ein Zurückrutschen der Zug- und Verriegelungshülse wird
somit verhindert. Dadurch wird verhindert, dass die geschlitzten
Abschnitte 21 der Spreizhülse 20 nach innen
knicken. Zum Entriegeln der Verriegelung wird die Zug- und Verriegelungshülse 45 in
die entgegengesetzte Richtung, also in Richtung auf den Zylinder 30,
verfahren, die Schraubenfeder 44 wird vorgespannt. Dann
wird der Zuganker 43 formschlüssig durch die Zug- und Verriegelungshülse 45 mitbewegt,
der Spannkonus 40 tritt in Eingriff mit dem Gegenkonus 23 und
verlagert die geschlitzten Abschnitte 21 radial nach innen.
Dadurch werden die Formschlusselemente 22 außer Eingriff
mit den Formschlusseinrichtungen 12 gebracht und die Verstelleinrichtung 1 ist
axial frei beweglich.
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Die
Verriegelungsvorrichtung kann überall dort
eingesetzt werden, wo eine axiale Bewegung reversibel, formschlüssig und
möglichst über den
gesamten Hub blockiert werden muss. Durch die Anordnung der Nutenringe 12 hintereinander
ist eine außerordentlich
feine Abstufung der formschlüssigen Verriegelung
möglich.
Durch die innerhalb des Zylinders 30 angeordnete Verriegelungsvorrichtung
ist ein sehr guter Schutz vor äußeren Einflüssen gegeben. Das
gesamte System ist geschlossen, so dass eine Beschädigung aufgrund äußerer Einflüsse nahezu ausgeschlossen
ist. Die reversible Verriegelung an diskreten Positionen über den
gesamten Hub der Verstelleinrichtung 1 ist gewährleistet,
so dass auch für
sicherheitskritische Anwendungen eine Einsatzmöglichkeit besteht. Die Betätigung der
Zug- und Verriegelungshülse 45 kann
durch die Zentralbohrung 25 des Halters 20 erfolgen,
beispielsweise hydraulisch oder elektromotorisch. Ebenfalls ist
eine Notfallbetätigung
durch eine Zündkapsel
möglich.
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Alternativ
zu einer hydraulischen Verstelleinrichtung können sämtliche Linearaktuatoren damit ausgerüstet werden.
Anstatt der dargestellten Version der außer Eingriff gehaltenen Formschlusselemente 22 ist
es vorgesehen, den Spannkonus so auszubilden, dass er die Spreizhülse 20 aufweitet. Ebenfalls
ist es möglich,
dass innerhalb der Spreizhülse 20 oder
des Halters verschieblich gelagerte Klinken oder Segmente angeordnet
sind, die formschlüssig
in Eingriff mit den Formschlusseinrichtungen 12 gebracht
werden, indem diese federgelagerten Segmente durch einen Konus nach
außen
gedrückt
werden. Falls Federringe verwendet werden, können diese analog außer Eingriff
gehalten werden und bei Bedarf entriegelt werden.