DE102005006864A1

DE102005006864A1 - Elektromotorischer Linearantrieb

Info

Publication number: DE102005006864A1
Application number: DE200510006864
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr. Keuper; Sönke Dr. Jessen; Werner Steprath
Original assignee: Bosch Rexroth AG
Current assignee: Bosch Rexroth AG
Priority date: 2005-02-15
Filing date: 2005-02-15
Publication date: 2006-08-17

Abstract

Offenbart ist ein elektromotorischer Linearantrieb zum Verstellen eines Ventilschiebers, mit einem Motor und mit einem mechanischen Getriebe zum Umwandeln der Motordrehzahl in eine lineare Hubbewegung des Ventilschiebers, wobei das Getriebe einen Drehzahldifferentialeffekt erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromotorischen Linearantrieb zum Verstellen eines Ventilschiebers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ventilschieber werden üblicherweise entweder hydraulisch mittels eines Steuerdrucks oder über einen elektrischen Linearantrieb verstellt. Der elektrische Linearantrieb kann in Form eines Elektromagneten ausgebildet sein, der bei Bestromung eine magnetische Stellkraft zum Verstellen des Ventilschiebers erzeugt.
Nachteilig an dieser Lösung ist, daß nur relativ kurze Schieberhübe realisierbar sind, da die magnetische Stellkraft nur über einen schmalen Arbeitsspalt ausreichend groß ist.

Alternative elektrische Linearantrieb sehen vor, einen Elektromotor zum Verstellen des Ventilschiebers zu verwenden. Einen derartigen elektromotorischen Antrieb zeigt die DE-OS 2 141 519, gemäß der eine Drehbewegung eines Motors über ein Spindelgetriebe in eine Linearbewegung des Ventilschiebers umgesetzt wird. Einen anderen elektromotorischen Antrieb zeigt die Veröffentlichung "Schrittmotor als Aktuator für Hydraulik-Wegeventile in O+P Ölhydraulik und Pneumatik, 44 (2000) Nr. 4, gemäß der ein Schrittmotor über ein zweistufiges Zahnradgetriebe mit einer Zahnstange auf den Ventilschieber wirkt.

Diese bekannten elektromotorischen Linearantriebe haben jedoch den Nachteil, daß die Dimensionen der Getriebe bei steigenden Übersetzungsverhältnissen zunehmen, so daß bei angestrebter kompakter Bauweise nur stark begrenzte Übersetzungsverhältnisse realisierbar sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen elektromotorischen Linearantrieb zu schaffen, der bei kompakter Bauweise hohe Übersetzungsverhältnisse erlaubt und fertigungstechnisch einfach und kostengünstig herzustellen ist.

Diese Aufgabe wird durch einen elektromotorischen Linearantrieb mit den Merkmalen nach dem Anspruch 1 gelöst.

Der erfindungsgemäße elektromotorische Linearantrieb zum Verstellen eines Ventilschiebers hat einen Motor und ein mechanisches Getriebe zum Umwandeln der Motordrehzahl in eine lineare Hubbewegung des Ventilschiebers. Erfindungsgemäß ist das Getriebe ein Differentialgetriebe. An einem Differentialgetriebe ist vorteilhaft, daß aufgrund des Differentialeffekts hohe Übersetzungsverhältnisse zwischen der Drehbewegung der Motorausgangswelle und der Linearbewegung des Ventilschiebers realisierbar sind, ohne daß ein mehrstufiges und sperriges Zahnradgetriebe eingesetzt werden muß. Das Differentialgetriebe kann besonders flexibel ausgebildet werden, wobei sich die Bauweise und die Übersetzungsverhältnisse bzw. der Eintrieb und der Austrieb an dem jeweiligen Anwendungsfall orientieren. Mögliche Anwendungsfälle sind zum Beispiel Wegeventile, mit geringer Dynamik, und Regelventile mit hoher Dynamik, in der Mobilhydraulik.

Das Differentialgetriebe kann zwei von einer Motorausgangswelle angetriebene Zahnräder mit unterschiedlicher Zähnezahl und/oder unterschiedlichen Durchmessern haben, die über ein Übertragungsmittel mit dem Ventilschieber derart in Wirkverbindung stehen, daß eine Verstellung des Ventilschiebers aufgrund des Differentialeffekts in Abhängigkeit der unterschiedlichen Zähnezahl und/oder unterschiedlichen Durchmesser erfolgt.

Bei einer Ausführungsform treiben die Zahnräder zwei Antriebsscheiben an, denen jeweils eine Umlenkrolle zugeordnet ist. Die Umlenkrollen treiben ein umlaufendes Zugmittel an, das jeweils mit einem zwischen den Zahnrädern und den Umlenkrollen geführten Abschnitt gegenläufig am Ventilschieber geführt ist. Vorzugsweise ist das Zugmittel ein Zahnriemen und die Antriebsscheiben sind Riemenscheiben, wobei die gegenläufige Führung des Zahnriemens am Ventilschieber über zwei Umlenkscheiben erfolgt.

Bei einer anderen Ausführungsform sind eine Vielzahl von Ventilschiebern über einen Motor und einen umlaufenden Zahnriemen verschiebbar. Dabei sind entsprechend der Anzahl der Ventilschieber mehrere Differentialgetriebe parallel geschaltet. Zur individuellen Lageänderung der Ventilschieber können zwischen den einzelnen Getrieben Verstelleinrichtungen vorgesehen sein, über die die Laufbahn des Zahnriemens beeinflußbar ist. Diese haben jeweils zwei Verstellräder, die durch den Zahnriemen gegenläufig angetrieben sind.

Bei einer weiteren Ausführungsform sind die Zahnräder nicht direkt auf der Motorausgangswelle angeordnet, sondern sie werden über einen Motorzahnriemen angetrieben. Dies hat den Vorteil, daß der Motor von dem Getriebe entkoppelbar ist, so daß der Ventilschieber über seine Zentrierfeder unabhängig von einem möglichen Restdrehmoment des Motors in seine Neutralstellung überführbar ist und somit eine Fail-Safe-Funktion gewährleistet ist. Weiterhin hat dies den Vorteil, daß der Motor nahezu beliebig zum Getriebe und somit zum Ventilschieber positionierbar ist.

Ebenso ist es vorstellbar, die Zentrierfeder als eine Spiralfeder auszuführen und im Bereich der Motorausgangswelle anzuordnen. Das hat den Vorteil, dass auf die Kupplung verzichtet werden kann, da die Spiralfeder ausreichend stark ist, die Selbsthemmung zu überwinden.

Zum Messen des Schieberhubs kann auf dem Zahnriemen zumindest ein Markierungscode, zum Beispiel eine visuelle Skalierung, aufgetragen sein. Die Messung kann jedoch auch induktiv durch eine Magnetisierung der in dem Schieberzahnriemen eingebrachten Stahlbänder erfolgen. Auf ein derartige Wegmessung kann dann verzichtet werden, wenn der Antrieb ein Schrittmotor ist. Allgemein ist eine inkrementale, zyklisch absolute und absolute Schieberhubmessung vorstellbar. Bei der inkrementalen Messung ist idealerweise für einen maximalen Schieberhub weniger als ein Umlauf des Schieberzahnriemens notwendig. Bei der zyklisch absoluten und/oder der absoluten Messung kann ein zusätzlicher Markierungscode mit einer anderen Teilung als der erste Markierungscode an den Schieberzahnriemen vorgesehen sein, so daß zum Beispiel die Drehrichtung erkennbar ist und somit die Schieberhubrichtung bestimmt werden kann

Bei einer alternativen Ausführungsform hat das Getriebe zwei Zahnstangen, die von jeweils einem der Zahnräder angetrieben werden. Dabei sind die Zahnstangen gegenläufig angetrieben und kämmen mit einem an dem Ventilschieber drehbar gelagerten Ventilschieberrad.

Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform sind die Zahnstangen durch zwei Ketten, die jeweils über zwei Kettenräder umgelenkt sind, ersetzt. Die Kettenbauweise hat im Vergleich zur Zahnstangenbauweise den Vorteil, daß bei im wesentlich gleichen Abmessungen größere Schieberhübe verwirklicht werden können.

Bei anderen alternativen Ausführungsformen ist der Differentialeffekt über ein Differentialgetriebe in Kegelrad- oder Stirnradbauweise realisiert, wobei das Getriebe ein Zahnstangenabtrieb zum Zusammenwirken mit dem Ventilschieber hat. Es sei auf die CH-PS 582 442 verwiesen, bei der zwei eingehende Rotationsbewegungen über ein Differentialgetriebe in Stirnradbauweise zu einer ausgehenden Rotationsbewegung abgeglichen werden. Nachteilig an dieser Lösung ist jedoch, daß die ausgehende Rotationsbewegung über ein elektronisches Servoelement in eine Translationsbewegung umgewandelt werden muß.

Sonstige vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand schematischer Darstellungen näher erläutert. Es zeigen
1 eine Vorderansicht eines Ventilantriebs mit einem Differentialgetriebe in Zahnriemenbauweise,
2 eine Draufsicht auf das Getriebe aus 1,
3 eine teilweise Vorderansicht eines Differentialgetriebes eines Ventilantriebs, das über einen Riementrieb mit dem Motor verbunden ist,
4 eine Vorderansicht eines Ventilantriebs mit mehreren parallel geschalteten Getrieben aus 1,
5 eine Vorderansicht eines Ventilantriebs mit einem Differentialgetriebe in Zahnstangenbauweise,
6 eine Draufsicht auf das Getriebe aus 5,
7 eine Vorderansicht eines Ventilantriebs mit einem Differentialgetriebe in Kettenbauweise,
8 eine Draufsicht auf das Getriebe aus 7,
9 einen Querschnitt eines Ventilantriebs mit einem Differentialgetriebe in Kegelradbauweise,
10 einen Längsschnitt des Getriebes aus 9,
11 einen Querschnitt eines Ventilantriebs mit einem Differentialgetriebe in Stirnradbauweise,
12 einen Längsschnitt des Getriebes aus 11,
13 einen Querschnitt eines Ventilantriebs mit einem Differentialgetriebe in alternativer Stirnradbauweise, und
14 einen Längsschnitt des Getriebes aus 13,
Die 1 und 2 zeigen einen erfindungsgemäßen Linearantrieb 1 für ein Ventil mit einem Motor 2 und mit einem Getriebe 4, das zwischen dem Motor 2 und einem Ventilschieber 6 geschaltet ist, so daß Drehbewegungen einer Motorausgangswelle 8 des Motors 2 in lineare Bewegungen zum Verstellen des Ventilschiebers 6 in einer Ventilbohrung 7 umgewandelt werden. Dabei bestimmt die Drehrichtung des Motors 2 die Hubrichtung des Ventilschiebers 6. Der Motor 2 kann ein einfacher, vergleichsweise schwacher, Elektromotor oder ein Schrittmotor sein.
Das Getriebe 4 ist in Zahnriemenbauweise ausgebildet und in einem Gehäuse 10 aufgenommen. Es hat zwei diametral angeordnete Zahnräder 12, 14 die mit einem Ritzel 16 auf der Motorausgangswelle 8 kämmen. Die Zahnräder 12, 14 haben unterschiedliche Zähnezahlen. Jedes Zahnrad 12, 14 treibt über seine Welle 18, 20 eine Riemenscheibe 22, 24 zur Aufnahme eines Zahnriemens 26 an, der zwischen diesen und zwei Umlenkrollen 28, 30 aufgespannt ist. Die Riemenscheiben 22, 24 sind zur Verhinderung eines Schlupfes identisch gezahnt, jedoch sind auch ungezahnte Riemenscheiben verwendbar. Die Umlenkrollen 28, 30 können gezahnt oder ungezahnt sein. Der Zahnriemen 26 steht weiterhin mit zwei Umlenkscheiben 32, 34 in Verbindung, die an einer axialen Verlängerung 36 des Ventilschiebers 6 drehbar gelagert sind. Dabei sind die Umlenkscheiben 32, 34 so in dem Getriebe angeordnet, daß der Zahnriemen 26 an ihren gegenüberliegenden Umfangsflächenabschnitten anliegt und sie somit gegenläufige Drehrichtungen aufweisen.
Aufgrund des unterschiedlichen Zähnezahlen der Zahnräder 12, 14 entsteht beim Antrieb durch das Ritzel 16 ein Differentialeffekt, wodurch die eine der schiebergebundenen Umlenkscheiben 32, 34 und damit der Ventilschieber 6 entweder aus der Darstellung der Figur nach oben oder nach unten bewegt wird. Die jeweils andere Umlenkscheibe 34, 32 wird durch den Ventilschieber 6 mitgenommen, so daß die Spannung innerhalb des Zahnriemens 26 aufrecht gehalten wird. Somit ändert sich die Gesamtlänge der Umschlingung nicht. Der Ventilschieber 6 kann daher durch den auf Zug belasteten Zahnriemen 26 in beiden Richtungen verstellt werden. Die Geschwindigkeit des Zahnriemens 26 ist im Vergleich zur translatorischen Bewegung des Ventilschiebers 6 sehr hoch. Bevorzugte Übersetzungsverhältnisse sind etwa 20:1 oder 30:1, d.h. der Zahnriemen 26 legt den 20 bzw. 30-fachen Weg des Ventilschiebers 6 zurück.
Bei einer bevorzugten Auslegung des Getriebes 4 hat das Ritzel 16 12 Zähne, das in den 1 und 2 dargestellte linke Zahnrad 12 22 Zähne und das rechte Zahnrad 14 21 Zähne. wenn das linke Zahnrad 12 mit 23 Zähnen versehen ist, führt dies zu einer Halbierung der Stellkraft und einer doppelten Stellgeschwindigkeit. Die Riemenscheiben 22, 24 haben jeweils 15 Zähne. Die Umlenkrollen 28, 30 haben einen Durchmesser von 12 mm und können ebenfalls 15 Zähne auf weisen. Die Teilung des Zahnriemens 26 beträgt vorzugsweise 2,5 mm bis 3 mm.
Zur Bestimmung des Schieberhubs kann ein nicht dargestelltes Wegmeßsystem vorgesehen sein. Ein Wegmeßsystem ist besonders dann vorteilhaft, wenn der Antrieb ein einfacher Elektromotor und kein Schrittmotor ist.
Die Messung des Schieberhubs erfolgt mittelbar über die Bestimmung des zurückgelegten Zahnriemenwegs, wobei die Messung inkremental, zyklisch absolut oder absolut sein kann. Dazu ist der Zahnriemen 26 zumindest mit einem Markierungscode versehen. Dieser Markierungscode kann visueller Natur, zum Beispiel in Form einer aufgetragenen Strichelung, oder induktiver Natur, zum Beispiel über eine festgelegte Magnetisierung der in dem Zahnriemen 26 angeordneten Stahlbänder sein.
Bei der inkrementalen Messung ist das Getriebe 2 so ausgelegt, daß für den gesamten Schieberhub weniger als ein Umlauf des Zahnriemens 26 benötigt wird. Die inkrementale Messung ist besonders bei einem federzentrierten Ventilschieber 6 vorteilhaft, da dann der Nullpunkt als Referenzmarke bekannt ist.
Zur Durchführung der zyklisch absoluten oder der absoluten Messung ist der Zahnriemen 26 mit einem zweiten Markierungscode versehen. Dabei weist bei der zyklisch absoluten Messung der zweite parallele Markierungscode sich regelmäßig wiederholende Referenzpunkte auf, so daß bis zu diesen Referenzpunkten eine inkrementale, und ab diesen Referenzpunkten eine absolute Messung erfolgen kann. Bei der absoluten Messung weist der zweite Markierungscode eine unterschiedliche Teilung als der erste Markierungscode auf, bspw. eine 1/4-Teilung, so daß anhand des sich drehenden Zahnriemens 26 die Drehrichtung des Motors 2 und somit die Schieberhubrichtung bestimmbar ist.
Gemäß 3 kann der Motor 2 über einen Motorzahnriemen 38 mittelbar mit dem Getriebe 4 in Wirkverbindung stehen. Eine derartige Lösung bietet die Möglichkeit, den Motor 2 nahezu beliebig zum Getriebe 4 anordnen zu können, so daß der Motor 2 frei positioniert werden kann.
In der einfachen dargestellten Ausführungsform sitzt auf der Motorausgangswelle 8 ein Riemenrad 40, dessen Drehbewegungen über den Motorzahnriemen 38 auf zwei Kupplungsscheiben 42, 44 übertragen werden, die drehfest mit der jeweiligen Welle 18, 20 der Riemenscheiben 22, 24 des Getriebes 4 verbunden sind. Vorteilhafterweise sind das Riemenrad 40, die Kupplungsscheibe 42 und die Kupplungsscheibe 44 gezahnt, wobei der Differentialeffekt über die unterschiedliche Zähnezahl der Kupplungsscheiben 42, 44 realisiert ist, da dann das Getriebe 4 gemäß den 1 und 2 symmetrisch aufgebaut sein kann.
4 zeigt eine parallele Anordnung von drei Ventilschiebern 6a, 6b, 6c, beispielsweise einen Steuerblock, die über die Ansteuerung eines gemeinsamen Motors 2 axial verschiebbar sind. Jedem Ventilschieber 6a, 6b, 6c ist ein Getriebe 4a, 4b, 4c in Zahnriemenbauweise gemäß den 1 bis 3 zugeordnet, die über einen gemeinsam umlaufenden Zahnriemen 26 miteinander verbunden sind. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß nur ein Motor 2 notwendig ist und die Bewegung der Ventilschieber 6a, 6b, 6c über ein einziges Wegmeßsystem erfaßbar ist.
Aufgrund des umlaufenden Zahnriemens 26 ist der Motor 2 mit jedem der außenliegenden Getriebe 4a, 4c verbunden, während das mittlere Getriebe 4b, über ein Ritzel 16 direkt von dem Zahnriemen 26 angetrieben wird. Um einen Differentialeffekt auch bei den Getrieben 4a, 4c zu erzielen kämmen deren verschieden gezahnte Zahnräder 12a, 14a bzw. 12c, 14c mit jeweils einem gemeinsamen Koppelrad 46, 48.
Über zwei zwischen den drei Getrieben 4a, 4b, 4c angeordnete Verstelleinrichtungen 50, 52 kann die relative Lage der Ventilschieber 6a, 6b, 6c zueinander individuell eingestellt werden. Dabei ist maximal eine Verstelleinrichtung 50, 52 weniger notwendig als Ventilschieber 6a, 6b, 6c zu verstellen sind, d.h. die maximale Anzahl der Verstelleinrichtungen 50, 52 gegenüber der Anzahl der Getriebe 4a, 4b, 4c bzw. der Ventilschieber 6a, 6b, 6c ist um die Differenz 1 verringert. Die Verstelleinrichtungen 50, 52 sind in Schieberhubrichtung bewegbar und haben jeweils zwei Verstellräder 54, 56; 58, 60. Diese sind so angeordnet, daß der Zahnriemen 26 an deren gegenüberliegenden Umfangsflächenabschnitten anliegt und somit die jeweils an einer Verstelleinrichtung 50, 52 angeordneten beiden Verstellräder 54, 56; 58, 60 gegenläufig angetrieben sind. Wird bspw. die dargestellte rechte Verstelleinrichtung 52 nach unten bewegt, so wird der rechte Ventilschieber 6c relativ zum mittleren Ventilschieber 4b nach oben verschoben. Selbstverständlich können die Verstelleinrichtungen 50, 52 auch miteinander gekoppelt werden, so daß sie gleichzeitig verschiebbar sind.
5 und 6 zeigen eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektromotorischen Linearantriebs 62 in Zahnstangenbauweise zum translatorischen Bewegen eines Ventilschiebers 6.
Der Linearantrieb 62 weist ein Getriebe 64 mit zwei Zahnstangen 66, 68 auf, die parallel angeordnet mit einem Zahnrad 70, 72 auf einer Motorausgangswelle 8 eines Motors 2 kämmen. Die Zahnräder 70, 72 sind gemäß 6 in axialer Richtung versetzt zueinander angeordnet und weisen zur Erzeugung eines Differentialeffekts einen unterschiedlichen Durchmesser und eine verschiedene Anzahl von Zähnen auf. Bei einer Drehbewegung der Motorausgangswelle 8 werden die Zahnstangen 66, 68 in eine lineare Bewegung versetzt, wobei je nach der Drehrichtung die eine Zahnstange 66, 68 aus der Figur linear nach unten und die andere Zahnstange 68, 66 linear nach oben bewegt wird. Die Zahnstangen 66, 68 kämmen mit einem Ventilschieberrad 74, das drehbar an einer axialen Verlängerung 36 des Ventilschiebers 6 befestigt ist, wobei sich die Längsachse des Ventilschiebers 6 und die Rotationsachse der Motorausgangswelle 8 nicht schneiden.
Aufgrund der unterschiedlichen Zähnezahl der motorseitigen Zahnräder 70, 72 ergibt sich betragsmäßig eine andere Aufwärtsbewegung der einen Zahnstange 66, 68 als eine Abwärtsbewegung der anderen Zahnstange 68, 66. Diese Differenz verursacht am Rad 74 eine Differentialbewegung. Dabei können bereits durch geringe Zähnezahlunterschiede der Zahnräder 70, 72 bei geringem Bauraum hohe Stellkräfte bei einer schnellen, linearen Bewegung erzeugt werden.
7 und 8 stellen einen erfindungsgemäßen elektromotorischen Linearantriebs 76 in Kettenbauweise zum translatorischen Bewegen eines Ventilschiebers 6 dar.
Vom Prinzip her entspricht dieser Linearantrieb 76 in Kettenbauweise dem vorbeschriebenen Linearantrieb 62 gemäß den 5 und 6 in Zahnstangenbauweise.
Der Linearantrieb 76 hat ein Getriebe 78 mit zwei Ketten 80, 82, die jeweils in Verschieberichtung zwischen zwei Kettenrädern 84, 86, 88, 90 aufgespannt sind. Die Ketten 80, 82 kämmen jeweils mit einem, auf einer Motorausgangswelle 8 drehfest angeordneten Zahnrad 70, 72. Die Zahnräder 70, 72 sind in axialer Richtung versetzt zueinander angeordnet, wobei sie zur Generierung eines Differentialeffekts eine unterschiedliche Zähnezahl aufweisen. Die Ketten 80, 82 treiben ein an einer axialen Verlängerung 36 des Ventilschiebers 6 drehbar gelagertes Ventilschieberrad 74 an, wobei sie diametral an dem Ventilschieberrad 74 angreifen.
Durch die Verwendung von umlaufenden Ketten 80, 82 anstatt von Zahnstangen 66, 68 gemäß den 5 und 6 ist bei gleichem Übersetzungsverhältnis und gleichem maximalen Schieberhub eine wesentlich kürzere Baulänge möglich, da der maximale Schieberhub nicht mehr über die Länge der Zahnstangen 66, 68 definiert ist, sondern durch die Ketten 80, 82 quasi "unendlich lange Zahnstangen" verwendet werden.
9 und 10 zeigen eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Linearantriebs 92 mit einem Differentialgetriebe 94 in Kegelradbauweise.
Das Differentialgetriebe 94 hat ein Gehäuse 10, in dem zwei Zahnradpaare aufgenommen sind, die um eine imaginäre Achse drehbar derart gelagert sind, daß sie bei Betätigung eines Motors 2 gegenläufig angetrieben werden. Die Zahnradpaare weisen jeweils ein äußeres Zahnrad 96, 98 auf, das von einem kegelradartigen Ritzel 100 auf einer Motorausgangswelle 8 des Motors 2 angetrieben wird. Zur Erzeugung eines Differentialeffekts haben die beiden äußeren Zahnräder 96, 98 eine Zähnezahldifferenz. Des weiteren weisen die Zahnradpaare jeweils ein Kegelrad 102, 104 auf, das an einem freien Endabschnitt der Wellen 106, 108 der Zahnräder 96, 98 drehfest angeordnet und in einem rotierbaren Käfig 110 aufgenommen ist. Die Kegelräder 102, 104 kämmen mit zwei gegenüberliegenden kegelförmigen Koppelrädern 112, 114, die mit einem axialen Vorsprung den Käfig 110 durchsetzen und mit einem den Käfig 110 umgreifenden Zahnkranz 116 in Verbindung stehen. Der Zahnkranz 116 steht mit einer Zahnstange 118 in Verbindung, die auf einen nicht dargestellten Ventilschieber 6 wirkt.
Bei Betätigung des Motors 2 werden die äußeren Zahnräder 96, 98 über das Ritzel 100 in Rotation versetzt. Die betragsmäßige Drehzahldifferenz der äußeren Zahnräder 96, 98 wird an die Kegelräder 102, 104 weitergeleitet und über die mit den Kegelrädern 102, 104 kämmenden Koppelräder 112, 114 auf den Käfig 110 übertragen. Über den Zahnkranz 116 wird eine der Drehzahldifferenz entsprechende Vorschubbewegung auf die mit dem Ventilschieber 6 verbundene Zahnstange 118 übertragen, so daß die Drehbewegung der Motorausgangswelle 8 in eine translatorische Bewegung des Ventilschiebers 6 umgewandelt ist.
11 und 12 zeigen einen erfindungsgemäßen Linearantriebs 120 mit einem Differentialgetriebe 122 in Stirnradbauweise.
Das Differentialgetriebe 122 hat ein Gehäuse 10, in dem zwei Zahnradpaare gegenüberliegend aufgenommen sind. Die Zahnradpaare weisen jeweils ein äußeres Zahnrad 96, 98 auf, das mit einem kegelartigen Ritzel 100 einer Motorausgangswelle 8 eines Motors 2 kämmt. Die äußeren Zahnräder 96, 98 haben eine unterschiedliche Zähnezahl und greifen derart an dem Ritzel 100 an, daß sie von diesem gegenläufig angetrieben werden. Weiterhin weisen die Zahnradpaare zwei in einem drehbaren Käfig 110 gelagerte Stirnräder 124, 126 auf, die jeweils an einem freien Endabschnitt der Wellen 106, 108 der äußeren Zahnräder 96, 98 drehfest befestigt sind. Die Stirnräder 124, 126 kämmen mit jeweils zwei diametral angeordneten Koppelzahnwalzen 128, 130, 132, 134, die wiederum mit ihren freien, sich überlagernden Endabschnitten paarweise 128, 132, 130, 134 miteinander in Wirkverbindung stehen (12). Zum Abtrieb von Drehbewegungen des Käfigs 110 ist dieser von einem Zahnkranz 116 umgriffen, der mit einer Zahnstange 118 im Eingriff steht, die mit einem nicht dargestellten Ventilschieber verbunden ist.
Bei Ansteuerung des Motors 2 dreht sich das Ritzel 100 und die Zahnradpaare werden gegenläufig angetrieben, wobei sich aufgrund der unterschiedlichen Zähnezahl ein betragsmäßiger Drehzahlunterschied ergibt. Über die Stirnräder 124, 126 werden die Koppelzahnwalzen 128, 130, 132, 134 in Rotation versetzt, wobei durch die paarweise Koppelung ein Abgleich der Drehzahlen und Drehrichtungen erfolgt und die abgeglichene Drehbewegung auf den Käfig 110 abgeleitet wird. Der Käfig 110 wird in Rotation versetzt und eine der abgeglichenen Drehbewegung entsprechende Vorschubbewegung wird über den Zahnkranz 116 auf die mit dem Ventilschieber 6 verbundene Zahnstange 118 übertragen.
13 und 14 zeigen einen erfindungsgemäßen Linearantriebs 136 mit einem alternativen Differentialgetriebe 138 in Stirnradbauweise. Prinzipiell ist dieses Differentialgetriebe 138 wie das vorbeschriebene Getriebe 122 nach den 11 und 12 aufgebaut, jedoch erfolgt eine andersartige Wirkverbindung mit einem Motor.
Das Differentialgetriebe 138 weist zwei gegenüberliegende Zahnradpaare in einem Gehäuse 10 auf. Die Zahnradpaare haben jeweils ein äußeres großes Stirnrad 140, 142 und ein in einem rotierbaren Käfig 110 angeordnetes kleines Stirnrad 124, 126. Dabei haben die großen Stirnräder 140, 142 bzw. die kleinen Stirnräder 124, 126 jeweils die gleiche Zähnezahl.
Der Antrieb der Zahnradpaare erfolgt über ein Zahnradwerk 144, das in dem Gehäuse 10 gelagert ist und auf die äußeren großen Stirnräder 140, 142 wirkt. Das Zahnradwerk 144 hat eine Welle 146, mit der es mit einer nicht dargestellten Motorausgangswelle des Motors in Wirkverbindung steht und die achsparallel zur Drehachse der Zahnradpaare verläuft. Es hat ein großen Antriebsrad bzw. Zahnrad 148, das gemäß der 12 das obere äußere große Stirnrad 124 antreibt. Zur Erzeugung einer gegenläufigen Drehbewegung der Zahnradpaare und zur Generierung einer Drehzahldifferenz ist ein kleines Antriebsrad bzw. Zahnrad 150 vorgesehen, das über ein achsparallel versetztes Zwischenrad 152 auf das gemäß der 12 untere äußere große Stirnrad 126 wirkt (14).
Die kleinen Stirnräder 144, 146 stehen mit jeweils zwei Koppelzahnwalzen 128, 130, 132, 134 in Wirkverbindung, die jeweils paarweise 128, 132, 130, 134 mit ihren freien, sich überlagernden Endabschnitten kämmen (14). Die Rotationsbewegungen des Käfigs 110 können über einen umlaufenden Zahnkranz auf eine Zahnstange 118 übertragen werden, die auf einen nicht dargestellten Ventilschieber wirkt.
Bei Ansteuerung des Motors werden die Zahnradpaare über das Zahnwerk 148 gegenläufig mit betragsmäßig unterschiedlichen Drehzahlen angetrieben. Die Drehbewegungen werden über die Stirnräder 124, 126 und die Koppelzahnwalzen 128, 130, 132, 134 abgeglichen und an den Käfig 110 abgeleitet, so daß dieser rotiert. Über den Zahnkranz 116 wird die abgeglichene Drehzahl an die Zahnstange 118 und von dieser auf den Ventilschieber übertragen.
Die Wirkverbindung zwischen dem Motor 2 und dem Getriebe 4; 64; 78; 92; 122; 136 gemäß der vorbeschriebenen Ausführungsformen kann über eine nicht dargestellte Kupplung unterbrochen werden. Eine derartige Entkoppelung kann notwendig sein, um den federvorgespannten Ventilschieber 6 nur durch die Kraft seiner Zentrierfeder bei abgeschalteten Motor 2 in seine Neutralstellung zu bewegen (Fail-Safe-Funktion). Aufgrund eines möglichen Motorrestdrehmoments und des hohen Übersetzungsverhältnisses kann sich eine Selbsthemmung einstellen, die von der Zentrierfeder nicht überwunden werden kann. Um dies zu vermeiden, ist es vorteilhaft, eine Kupplung vorzusehen, die bei Nichtbestromung die Wirkverbindung Motor 2 – Getriebe 4; 64; 78; 92; 122; 138 unterbricht.
Ebenso ist es vorstellbar, zumindest bei dem Getriebe 4 nach den 1 bis 4 eine Zentrierfeder nicht am Ventilschieber 6 anzuordnen, sondern an der Motorausgangswelle 8. Eine derartige Zentrierfeder kann z.B. als eine Dreh- bzw. Spiralfeder mit gegenläufiger Wirkrichtung ausgeführt sein und hat den Vorteil, dass auf eine Kupplung zur Realisierung der Fail-Safe-Funktion verrichtet werden kann. Der Motor 2 macht vornehmlich 8 bis 10 Umdrehungen, um den Ventilschieber 6 aus seiner Neutralstellung bzw. Mittellage bis zur Grundstellung zu bewegen, wobei die Spiralfeder entsprechend gespannt wird. Besonders vorteilhaft ist es, dass bei der Ausführungsform gemäß 4 nur eine derartige Zentrierfeder notwendig ist. Selbstverständlich kann die Spiralfeder auch durch ein Paar von Spiralfedern ersetzt werden.
Zusätzlich kann bei dem Linearantrieb 1 in Zahnriemenbauweise nach der 3 mit einem zweiten Wegmeßsystem an dem Motorzahnriemen 38 in Kombination mit dem ersten Wegmeßsystem an dem Zahnriemen 26 des Getriebes 4 eine freie Bewegung des Ventilschiebers 6 erkannt werden, wenn dieser sich nicht in einer federzentrierten Neutralstellung befindet. Ebenso kann festgestellt werden, ob der theoretische Nullpunkt, d.h. der mit Motorunterstützung anfahrbare Nullpunkt, dem realen, per Federzentrierung anfahrbaren Nullpunkt entspricht. Ferner können die Wegmeßsysteme für neue Schieberhübe abgeglichen werden.
Der Vollständigheitshalber sei erwähnt, daß die Drehzahldifferenz über Zähnezahlunterschiede und/oder Durchmesserunterschiede der jeweiligen Zahnräder realisiert werden können.
Offenbart ist ein elektromotorischer Linearantrieb zum Verstellen eines Ventilschiebers, mit einem Motor und mit einem mechanischen Getriebe zum Umwandeln der Motordrehzahl in eine lineare Hubbewegung des Ventilschiebers, wobei das Getriebe einen Drehzahldifferentialeffekt erzeugt.

1: Linearantrieb
2: Motor
4: Getriebe
4a: Getriebe
4b: Getriebe
4c: Getriebe
6: Ventilschieber
6a: Ventilschieber
6b: Ventilschieber
6c: Ventilschieber
7: Ventilbohrung
8: Motorausgangswelle
10: Gehäuse
12: Zahnrad
12a: Zahnrad
12c: Zahnrad
14: Zahnrad
14a: Zahnrad
14c: Zahnrad
16: Ritzel
18: Welle
20: welle
22: Riemenscheibe
24: Riemenscheibe
26: Zahnriemen
28: Umlenkrolle
30: Unlenkrolle
32: Umlenkscheibe
34: Umlenkscheibe
36: Verlängerung
38: Motorzahnriemen
40: Riemenrad
42: Kupplungsscheibe
44: Kupplungsscheibe
46: Koppelrad
48: Koppelrad
50: Verstelleinrichtung
52: Verstelleinrichtung
54: Verstellrad
56: Verstellrad
58: Verstellrad
60: Verstellrad
62: Linearantrieb
64: Getriebe
66: Zahnstange
68: Zahnstange
70: Zahnrad
72: Zahnrad
74: Ventilschieberrad
76: Linearantrieb
78: Getriebe
80: Kette
82: Kette
84: Kettenrad
86: Kettenrad
88: Kettenrad
90: Kettenrad
92: Linearantrieb
94: Differentialgetriebe
96: Zahnrad
98: Zahnrad
100: Ritzel
102: Kegelrad
104: Kegelrad
106: Welle
108: Welle
110: Käfig
112: Koppelrad
114: Koppelrad
116: Zahnkranz
118: Zahnstange
120: Linearantrieb
122: Differentialgetriebe
124: Stirnrad
126: Stirnrad
128: Koppelzahnwalze
130: Koppelzahnwalze
132: Koppelzahnwalze
134: Koppelzahnwalze
136: Linearantrieb
138: Differentialgetriebe
140: großes Stirnrad
142: großes Stirnrad
144: Zahnradwerk
146: Welle
148: großes Antriebsrad
150: kleines Antriebsrad
152: Zwischenrad

Claims

Elektromotorischer Linearantrieb zum Betätigen eines Ventilschiebers (6), mit einem Motor (2) und mit einem mechanischen Getriebe (4; 64; 78; 92; 122; 138) zum Umwandeln der Motordrehzahl in eine lineare Hubbewegung des Ventilschiebers (6), dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe (4; 64; 78; 92; 122; 138) ein Differentialgetriebe ist.
Elektromotorischer Linearantrieb nach Anspruch 1, wobei das Differentialgetriebe (4; 64; 78; 92; 122; 138) zwei von einer Motorausgangswelle (8) angetriebene Zahnräder (12, 14; 70, 72; 96, 98; 148, 150) mit unterschiedlicher Zähnezahl und/oder unterschiedlichen Durchmessern hat, die über eine Übertragungseinrichtung mit dem Ventilschieber (6) in Wirkverbindung stehen, so daß dessen Verstellung aufgrund des Differentialeffekts in Abhängigkeit der unterschiedlichen Zähnezahl und/oder unterschiedlichen Durchmesser erfolgt.
Elektromotorischer Linearantrieb nach Anspruch 2, wobei die Zahnräder (12, 14) jeweils eine Antriebsscheibe (22, 24) antreiben, denen jeweils eine Umlenkrolle (28, 30) zugeordnet ist, wobei die Antriebsscheiben (22, 24) ein an den Umlenkrollen (28, 30) umgelenktes Zugmittel (26) antreiben, das jeweils mit einem sich zwischen den Zahnrädern (12, 14) und den Umlenkrollen (28, 30) erstreckenden Abschnitt gegenläufig am Ventilschieber (6) geführt ist.
Elektromotorischer Linearantrieb nach Anspruch 3, wobei das Zugmittel (26) ein Zahnriemen ist.
Elektromotorischer Linearantrieb nach Anspruch 4, wobei die Führung am Ventilschieber (6) über zwei Umlenkscheiben (32, 34) erfolgt, die durch den Zahnriemen (26) gegenläufig angetrieben sind.
Elektromotorischer Linearantrieb nach Anspruch 5, wobei eine Vielzahl von parallel geschalteten Getrieben (4a, 4b, 4c) zum gleichzeitigen Verstellen mehrerer Ventilschieber (6a, 6b, 6c) vorgesehen ist, wobei die Wirkverbindung zwischen dem Motor (2) und den Ventilschiebern (6a, 6b, 6c) über einen umlaufenden Zahnriemen (26) erfolgt.
Elektromotorischer Linearantrieb nach Anspruch 6, wobei zwischen den einzelnen Getrieben (4a, 4b, 4c) verschiebbare Verstelleinrichtungen (50, 52) mit jeweils zwei Verstellrädern (54, 56, 58, 60) zur individuellen relativen Lageveränderung der Ventilschieber (6a, 6b, 6c) vorgesehen ist, die durch den Zahnriemen (26) gegenläufig angetrieben sind.
Elektromotorischer Linearantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Zentrierfeder zur Realisierung einer Fail-Safe-Funtion des Ventilschiebers (6) als Spiralfeder an der Motorausgangswelle (8) angreift.
Elektromotorischer Linearantrieb nach Anspruch 7, wobei eine Kupplung zur Unterbrechung der Wirkverbindung Motor (2) – Ventilschieber (6) vorgesehen ist.
Elektromotorischer Linearantrieb nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei ein Wegmeßsystem zum Messen des Schieberhubs vorgesehen ist.
Elektromotorischer Linearantrieb nach Anspruch 10, wobei die Wegmessung visuell über einen auf dem Zahnriemen (26) aufgetragenen und/oder induktiven Markierungscode erfolgt.
Elektromotorischer Linearantrieb nach Anspruch 11, wobei die Wegmessung inkremental erfolgt und das Getriebe (4) so ausgelegt ist, daß für einen maximalen Schieberhub weniger als ein Umlauf des Zahnriemens (26) notwendig ist.
Elektromotorischer Linearantrieb nach Anspruch 11, wobei die Wegmessung zyklisch absolut erfolgt und ein zweiter Markierungscode vorgesehen ist.
Elektromotorischer Linearantrieb nach Anspruch 11, wobei die Wegmessung absolut erfolgt und die Markierungscodes eine unterschiedliche Teilung haben.
Elektromotorischer Linearantrieb nach Anspruch 2, wobei die Zahnräder (70, 72) jeweils eine Zahnstange (66, 68) antreiben, die mit einem an dem Ventilschieber (6) gelagerten Ventilschieberrad (74) kämmen.
Elektromotorischer Linearantrieb nach Anspruch 2, wobei die Zahnräder (70, 72) jeweils eine umgelenkte Kette (80, 82) antreiben, die mit einem an dem Ventilschieber (6) gelagerten Ventilschieberrad (74) kämmen.
Elektromotorischer Linearantrieb nach Anspruch 2, wobei das Getriebe (92; 122; 138) ein Differentialgetriebe in Kegelrad- oder Stirnradbauweise ist und über eine Zahnstange (118) auf den Ventilschieber (6) wirkt.
Elektromotorischer Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und 15 bis 17, wobei der Motor (2) ein Schrittmotor ist.