DE102006029523A1 - Stellvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Stellvorrichtung, die einen Hauptzylinder (2) und einen davon getrennt angeordneten Federzylinder (3) aufweist, wobei bei Druckabfall die Federkraft hydraulisch auf den Hauptzylinder (2) übertragen wird. Um eine derartige Stellvorrichtung effektiver zu gestalten, ist die wirksame Federkolbenfläche veränderbar.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Stellvorrichtung, die einen Hauptzylinder mit einem Hauptkolben und einen Federzylinder mit einem Federkolben aufweist, wobei der Hauptkolben in seine beiden Bewegungsrichtungen mit Druck beaufschlagbar ist und der Federkolben in eine Richtung durch den Druck einer Feder und in entgegengesetzter Richtung durch einen Betriebsdruck beaufschlagbar ist, wobei ein Druckraum des Federzylinders mit einer ersten Druckkammer des Hauptzylinders verbindbar ist und eine zweite Druckkammer des Hauptzylinders mit einer Versorgungsleitung verbunden ist.
  • Derartige Stellvorrichtungen werden z.B. für die Betätigung von Ventilklappen eingesetzt. Sie weisen in der Regel einen hydraulisch wirkenden Zylinder auf, der in einem Gehäuse untergebracht ist, wobei die Kolbenstange durch eine Öffnung in einem Ende des Gehäuses austritt.
  • Bei linear bewegten Ventilklappen wird die lineare Bewegung der Kolbenstange meist direkt übertragen. Bei schwenkbaren Ventilklappen muß die lineare Bewegung des Kolbens erst in eine Rotation umgewandelt werden. Dies geschieht z.B. mit Hilfe eines Steilgewindes zwischen Kolbenstange und Gehäuse, das zu einer Rotation der Zylinderstange führt. Eine andere Möglichkeit stellt die Verwendung einer Zahnstange mit einem entsprechenden Ritzel dar, wobei die Umwandlung der linearen Bewegung in eine rotatorische Bewegung dann typischerweise außerhalb des Gehäuses erfolgt.
  • Es wird zwischen doppelt wirkenden und einfach wirkenden Stellvorrichtungen unterschieden. Doppelt wirkende Stellvorrichtungen werden über zwei Druckleitungen gesteuert, wobei durch Anlegen eines Steuerdrucks an eine erste Druckleitung ein Öffnen und durch Anlegen des Steuerdrucks an eine zweite Druckleitung ein Schließen der Ventilklappe erfolgt. Doppelt wirkende Stellvorrichtungen werden normalerweise nach dem Drehmoment und dem Drehwinkel bzw. nach der Hubkraft und der Hublänge dimensioniert, was für ein zuverlässiges Betätigen der Ventilklappe erforderlich ist.
  • Einfach wirkende Stellvorrichtungen kommen dagegen mit einer einzigen Steuerdruckleitung aus. Dabei wird der Kolben durch den Steuerdruck entgegen der Kraft einer Feder bewegt, die bei Verringerung des Steuerdrucks für die Rückstellbewegung des Kolbens sorgt. Das hat den Vorteil, daß auch bei einer Störung, beispielsweise einem Druckverlust in der Steuerleitung, eine Rückstellbewegung des Kolbens erfolgen kann. Bei Ventilklappen erfolgt häufig das Öffnen der Klappen durch das Anlegen eines Steuerdrucks, während das Schließen durch die Federkraft erfolgt. Dadurch wird sichergestellt, daß das Ventil auch bei einer Störung des Systems geschlossen wird. Das Ventil kann aber auch andersherum gesteuert werden, so daß es sich beim Anlegen eines Steuerdrucks schließt.
  • Die Dimensionierung der Feder erfolgt anhand der erforderlichen Schließkraft, wobei sowohl Verluste in den Federn als auch das Nachlassen der Federkraft bei abnehmender Federspannung berücksichtigt werden. Als Federn werden z.B. Teller- oder Schraubfedern verwendet, die zwischen einer der Kolbenseiten und dem entsprechenden Ende des Gehäuses verspannt werden. Auch der Einsatz verschiedener Arten von Gasfedern ist bekannt.
  • Ein Nachteil derartig ausgebildeter einfach wirkender Stellvorrichtungen besteht darin, daß der Kolben ständig der Federkraft ausgesetzt ist. Neben der Stellkraft zum Betätigen der Ventilklappe muß also auch noch eine Kraft aufgebracht werden, die die Federkraft ausgleicht. Diese Kraft könnte durch eine Erhöhung des Steuerdrucks aufgebracht werden, was allerdings häufig nur aufwendig realisierbar ist. Deshalb wird in der Regel die wirksame Kolbenfläche vergrößert. Durch den größeren Querschnitt steigt bei gleichem Steuerdruck auch die gesamte Spannung im Gehäuse, so daß die Gehäuse entsprechend kräftiger ausgelegt werden müssen.
  • Das führt dazu, daß einfach wirkende Stellvorrichtungen mehr Bauraum benötigen als doppelt wirkende Stellvorrichtungen bei gleichem Drehmoment bzw. gleicher Hubkraft. Dadurch entstehen höhere Fertigungs- und Trans portkosten. Darüber hinaus wirkt sich die größere Bauweise gerade beim Einsatz der Stellvorrichtungen an Bord von Schiffen negativ aus, da das Mehrgewicht eine vibrationssichere Montage erschwert.
  • Die Erfindung geht aus von einer Verstellvorrichtung, wie sie aus DE 195 43 237 A1 bekannt ist. Dort ist eine hydraulische Stellvorrichtung offenbart, die einen Hauptzylinder und einen davon getrennt angeordneten Federzylinder aufweist. Durch die getrennte Anordnung erfolgt das Spannen der Feder nicht über den Hauptkolben, so daß der Hauptzylinder kleiner dimensioniert werden kann, als bei üblichen einfach wirkenden Stellvorrichtungen.
  • Der Hauptkolben wird in Öffnungsstellung bewegt, indem eine erste Druckkammer des Hauptzylinders mit dem Steuerdruck beaufschlagt wird. Dabei wird gleichzeitig ein Druckraum des Federzylinders mit dem Steuerdruck beaufschlagt, so daß die Feder komprimiert wird. Eine Verringerung des Betriebsdrucks, ob durch eine Störung oder einen absichtlichen Eingriff, führt zu einer Entspannung der Feder. Dadurch wird Druckmittel aus dem Druckraum des Federzylinders in eine zweite Druckkammer des Hauptzylinders gedrückt. Da die erste Druckkammer des Hauptzylinders zumindest einen verringerten Druck aufweist, wird der Hauptkolben in Schließstellung bewegt. Die Federkraft wird also bei Druckabfall hydraulisch auf den Hauptkolben übertragen. Dabei kann eine Übersetzung der Federkraft erfolgen, wodurch z.B. eine kürzere Federlänge verwendet werden kann, was zu einer kompakteren Bauform führt. Durch die hydraulische Übertragung wird auch die Schwingungsneigung der Stellvor richtung vermindert, da die Hydraulikflüssigkeit als Dämpfung dient.
  • Aus EP 0 902 195 A1 ist eine Stellvorrichtung bekannt, bei der ein Federzylinder außerhalb des Hauptzylinders angeordnet ist. Der Federzylinder wird durch den Steuerdruck vorgespannt, der auch zur Betätigung des Hauptzylinders dient. Bei Druckabfall wird die Federkraft mechanisch auf den Hauptkolben übertragen, wobei dabei keine Übersetzung der Federkraft vorgesehen ist.
  • Bei den bekannten Stellvorrichtungen nimmt die Stellkraft, die durch die Feder erzeugt wird und den Hauptkolben zurück in die Schließstellung bewegen soll, mit zunehmender Entspannung der Feder ab.
  • Wird durch den Hauptkolben eine Ventilklappe bewegt, soll diese in der Regel in der Schließstellung einrasten, um einen zuverlässigen Sitz der geschlossenen Ventilklappe zu gewährleisten. Dafür ist am Ende der Schließbewegung eine zusätzliche Kraft erforderlich. Die Feder wird nach der Kraft bemessen, die für ein sicheres Schließen der Ventilklappe erforderlich ist, was am Ende der Stellbewegung erfolgt. Das führt dazu, daß die Feder über einen großen Bereich überdimensioniert ist, da die Federkraft mit zunehmender Entspannung der Feder abnimmt.
  • Am Anfang der Rückstellbewegung ist häufig eine ähnlich große Kraft erforderlich, wie zum sicheren Halten am Ende der Bewegung, da zuerst die statische Reibung der stillstehenden Ventilklappe überwunden werden muß. Während des größten Teils der Schließbewegung ist dagegen nur eine geringere Kraft erforderlich. Die bekannten Stellvorrichtungen sind also in einem großen Bewegungsbereich überdimensioniert, was ein Mehrgewicht verursacht und außerdem grundsätzlich die Gefahr erhöht, die Kolbenstange oder eine Spindel der Ventilklappe zu überlasten.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach wirkende Stellvorrichtung effektiver zu gestalten.
  • Diese Aufgabe wird bei einer Stellvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die wirksame Federkolbenfläche veränderlich ist.
  • Da der Schließdruck, der durch den Federkolben aufgebracht werden kann, dem Verhältnis der Federkraft zur wirksamen Federkolbenfläche entspricht, kann durch eine Verringerung der wirksamen Federkolbenfläche das Nachlassen der Federkraft aufgrund der zunehmenden Ausdehnung der Feder kompensiert werden. Dabei ist es möglich, am Anfang und am Ende der Rückstellbewegung gleiche Drücke an der Schließseite des Hauptkolbens zu erzeugen, während im mittleren Teil der Schließbewegung geringere Drücke herrschen.
  • Durch die veränderliche wirksame Federkolbenfläche kann der Federzylinder nach der für die Durchführung der Schließbewegung notwendigen Volumenänderung dimensioniert werden, wobei sich der Kraftbedarf am Ende der Schließbewegung hauptsächlich auf das Verhältnis der wirksamen Federkolbenflächen auswirkt. Da der Hauptkolben nicht zur Spannung der Feder beitragen muß und der am Ende der Schließbewegung vorhandene Schließdruck auf den Hauptkolben bei entsprechender Auslegung des Federzylinders ähnlich dem Betriebsdruck wirkt, kann der Hauptkolben nach den gleichen Kriterien dimensioniert werden, wie sie doppelt wirkenden Stellvorrichtungen zugrunde gelegt werden. Die Stellvorrichtung wird damit kleiner als bekannte einfach wirkende Stellvorrichtungen. Dabei ist denkbar, das Federgehäuse auch räumlich getrennt vom Hauptgehäuse anzuordnen. Die Größe der wirksamen Federkolbenfläche kann beispielsweise von der Position des Hauptkolbens oder von dem Druck in einzelnen Druckkammern und Druckleitungen abhängig sein.
  • Vorzugsweise ist die wirksame Federkolbenfläche von der Position des Federkolbens abhängig. Dadurch ergibt sich ein einfacher Aufbau, da der Federkolben als mechanisches Betätigungselement beispielsweise für Ventilvorrichtungen dienen kann.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Federzylinder mindestens zwei voneinander getrennte Druckräume auf, die an der gleichen Seite des Federkolbens angeordnet sind, wobei die Anzahl der wirksamen Druckräume veränderbar ist. Mit Hilfe einer veränderbaren Anzahl von Druckräumen läßt sich auf einfache Art und Weise die wirksame Federkolbenfläche beeinflussen. Am Anfang und während des größten Teils der Schließbewegung stehen beispielsweise zwei Druckräume unter Druck, während am Ende der Bewegung nur noch ein Druckraum unter Druck steht. Dadurch wird die wirksame Federkolbenfläche am Ende der Schließbewegung kleiner als am Anfang der Schließbewegung, so daß ein höherer Druck erzeugt werden kann. Eine Erhöhung der Anzahl der entgegen der Federkraft wirkenden Druckräume bei entsprechender Ausle gung dieser Druckräume kann prinzipiell zur Erzeugung beliebiger Kraft- bzw. Drehmomentcharakteristiken genutzt werden. Die Anzahl der wirksamen Druckräume kann beispielsweise in Abhängigkeit von der Position des Hauptkolbens gesteuert werden.
  • Dabei ist besonders bevorzugt, daß die Anzahl der wirksamen Druckräume des Federzylinders von der Position des Federkolbens abhängig ist. Dadurch kann gewährleistet werden, daß an jeder Position des Federkolbens auch die vorbestimmte Anzahl an Druckräumen wirksam ist. Gleichzeitig kann der Federkolben als Stellglied beispielsweise für Ventilelemente verwendet werden. Derartige Ventile können z.B. dafür eingesetzt werden, einzelne Druckräume zu einem Tank zu entlasten.
  • Vorzugsweise weist die Stellvorrichtung ein Steuerventil auf, das die Druckräume des Federzylinders mit der Versorgungsleitung verbindet, wobei in einer ersten Stellung ein Druckausgleich von den Druckräumen des Federzylinders zur Versorgungsleitung verhindert und in einer zweiten Stellung freigegeben wird. Dieses Steuerventil sorgt also dafür, daß durch den Steuerdruck ein Druck in den Druckräumen des Federzylinders erzeugt werden kann, so daß der Federkolben entgegen der Federkraft ausgelenkt wird. Wird bei verringertem Steuerdruck das Ventil in die zweite Stellung bewegt, wird mindestens ein Druckraum des Federzylinders zur Versorgungsleitung entlastet, wodurch sich die wirksame Federkolbenfläche verringert. Das Steuerventil kann dabei beispielsweise durch ein mechanisches Element, was mit dem Federkolben im Eingriff steht, entgegen der Kraft einer Feder in die zweite Stellung bewegt werden.
  • Vorteilhafterweise ist in der Verbindung zwischen dem Druckraum des Federzylinders und der ersten Druckkammer des Hauptzylinders ein Ventil angeordnet. Durch dieses Ventil wird sichergestellt, daß beim Anliegen eines Steuerdrucks an der zweiten Druckkammer des Hauptzylinders dieser Druck nicht auch über den Druckraum des Federzylinders in die erste Druckkammer des Hauptzylinders gelangt und damit einer Bewegung des Hauptkolbens entgegensteht.
  • Bevorzugterweise ist die Stellung des Ventils vom Druck in der Versorgungsleitung abhängig, wobei bei Anliegen eines Mindestdrucks die erste Druckkammer des Hauptzylinders entlastet wird und bei zu geringem Druck zumindest einer der Druckräume des Federzylinders mit der ersten Druckkammer des Hauptzylinders verbunden ist. Durch die Entlastung der ersten Druckkammer wird sichergestellt, daß der Hauptkolben durch den Steuerdruck bewegt werden kann. Dabei erfolgt die Entlastung in der Regel zu einem Tank. Da das Ventil vom Druck der Versorgungsleitung abhängig ist, erfolgt automatisch eine Verbindung des Druckraums des Federzylinders zur ersten Druckkammer des Hauptzylinders, sobald in der Versorgungsleitung ein Druckabfall auftritt. Dadurch wird der Kolben automatisch zurück bewegt, ohne daß eine externe Einflußnahme benötigt wird. Dadurch ist ein sicheres Schließen auch im Havariefall gewährleistet.
  • Vorteilhafterweise ist die zweite Druckkammer des Hauptzylinders direkt zum Tank entlastbar. Dadurch kann verhindert werden, daß der Hauptkolben beispielsweise in einer Zwischenstellung verharrt, wenn nur ein verringerter Steuerdruck zur Verfügung steht. Durch die Entlastung der zweiten Druckkammer wird vielmehr dafür gesorgt, daß der Hauptkolben durch den Federzylinder zurück in seine Ausgangsstellung bewegt wird.
  • Es ist besonders bevorzugt, daß die Druckleitungen in Wänden der Zylinder angeordnet sind. Eine derartige Ausführung ergibt eine kompakte, störunanfällige Stellvorrichtung, da keine externen Leitungen zwischen Federzylinder und Hauptzylinder verlegt werden müssen.
  • Vorzugsweise weist der Federzylinder mindestens ein Rückschlagventil auf, das zwischen den Druckräumen des Federzylinders angeordnet ist. Durch ein solches Ventil wird ein Druckausgleich zwischen den Druckräumen des Federzylinders verhindert, wenn einer dieser Druckräume entlastet wird, um die wirksame Federkolbenfläche zu verringern. Wird ein Steuerdruck angelegt, wird durch diesen das Rückschlagventil geöffnet, so daß alle Druckräume des Federzylinders mit Druck beaufschlagt werden können.
  • Vorzugsweise ist der Federkolben zweistufig ausgeführt. Durch eine zweistufige Ausführung des Federkolbens können auf einfache Art und Weise zwei getrennte Druckräume realisiert werden. Die Abdichtung zwischen diesen Druckräumen erfolgt dann über den Federkolben.
  • Bevorzugterweise weist der Federkolben mehrere Federkolbenflächen auf, die sich in Bewegungsrichtung zumindest teilweise überlappen. Dabei kann es sich z.B. um mehrere, aneinandergereihte, zusammengesetzte Kolben handeln. Die Kraftübertragung zwischen den einzelnen Teilkolben kann dabei sowohl mechanisch als auch hydraulisch erfolgen.
  • Vorzugsweise weist der Hauptzylinder ein Übertragungselement auf, das aufgrund der Bewegung des Hauptkolbens rotiert. Dafür wird das Übertragungselement bei rotierendem Hauptkolben mit diesem drehfest und axial beweglich verbunden. Führt der Hauptkolben nur eine translatorische Bewegung durch, kann das Übertragungselement z.B. durch ein zwischen ihm und dem Hauptkolben angeordnetes Gewinde zum Rotieren gezwungen werden. An ein derartiges Übertragungselement kann eine schwenkbare Ventilklappe z.B. direkt angekoppelt werden. Dadurch kann auf ein zusätzliches Übersetzungsgetriebe verzichtet werden.
  • Dabei ist besonders bevorzugt, daß das Übertragungselement eine Aufnahme aufweist, die eine formschlüssige Verbindung zu einem Abtriebselement ermöglicht. Durch die Integration einer Aufnahme in das Übertragungselement kann eine Spindel der Ventilklappe mit dem Übertragungselement leicht verbunden werden. Durch eine Normierung dieser Aufnahme ist dabei auch ein einfacher Austausch der Ventilklappen oder der Stellvorrichtungen untereinander möglich.
  • Vorzugsweise weist die Stellvorrichtung eine Welle auf, die sich durch die gesamte Stellvorrichtung erstreckt. Die Welle kann als einzelnes Bauteil oder als Teil des Übertragungselements ausgebildet sein. Sie dreht sich mit dem Übertragungselement bzw. dem Hauptkolben und kann zur Positionsanzeige und zur Steuerung von Ventilen der Stellvorrichtung dienen. Es ist ebenfalls denk bar, in Abhängigkeit der Stellung der Welle die Anzahl der wirksamen Druckräume zu steuern. In die Welle können auch Druckleitungen integriert sein, so daß auf zusätzliche Leitungen verzichtet werden kann.
  • Dabei ist besonders bevorzugt, daß die Welle mehrteilig ausgeführt ist. Eine mehrteilige Ausführung der Welle erleichtert die Montage bzw. Demontage des Federzylinders, da dieser wegen der notwendigen Federvorspannung nur unter Zuhilfenahme von schweren Maschinen zerlegt werden kann. Dabei ist eine Teilung der Welle in axialer Richtung besonders günstig, obwohl eine konzentrische Teilung ebenfalls möglich ist.
  • Vorzugsweise weist die Feder in jeder Position des Federkolbens eine Vorspannung auf. Dadurch wird sichergestellt, daß die Feder auch in der Schließposition, also bei maximal möglicher Ausdehnung, eine Kraft aufbringen kann.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Hauptzylinder und der Federzylinder auf einer gemeinsamen Achse angeordnet. Dadurch kann einerseits Material eingespart und andererseits eine Ventilanordnung günstig zwischen den beiden Zylindern angeordnet werden, da an dieser Stelle mechanische Signale, die die Positionen beider Kolben und der Ventilklappe wiedergeben, besonders leicht zugänglich gemacht werden können.
  • Vorzugsweise weist mindestens einer der Federdruckräume einen Drucksensor auf. Durch einen solchen Sensor läßt sich ein Signal erzeugen, das beispielsweise an eine übergeordnete Sicherheitseinrichtung weitergeleitet werden kann, sobald ein ungewollter Druckabfall auftritt.
  • Vorzugsweise weist die Stellvorrichtung mindestens ein mechanisches Element auf, das zwischen Hauptkolben und Federkolben angeordnet ist, wobei über das mindestens eine mechanische Element bei bis zum Anschlag entspannter Feder axiale Kräfte und bei bis zum Anschlag gespannter Feder keine axialen Kräfte zwischen Hauptkolben und Federkolben übertragbar sind. Ein solches mechanisches Element kann dabei unabhängig von der Ausführungsform des Federzylinders eingesetzt werden, d.h. auch bei Federzylindern, bei denen die wirksame Federkolbenfläche nicht veränderbar ist. Durch diese mechanischen Elemente kann die Kraft, die die Feder auf den Federkolben ausübt, auch dann auf den Hauptkolben übertragen werden, wenn die Verbindungsleitung zwischen einem Druckraum des Federzylinders und der ersten Druckkammer des Hauptzylinders undicht ist, wodurch die Feder entspannt. Das Schließen oder zumindest das Nichtöffnen der Ventilklappe wird also auch im Falle von Undichtigkeiten innerhalb der Stellvorrichtung gewährleistet.
  • Vorzugsweise ist die Länge des mindestens einen mechanischen Elements geringer als der ordnungsgemäße Abstand zwischen Hauptkolben und Federkolben. Während bei ordnungsgemäßem Betrieb keine Kraftübertragung durch das mechanische Element vom Federkolben auf den Hauptkolben möglich ist, verringert sich bei einer Undichtigkeit der Abstand zwischen Hauptkolben und Federkolben und es erfolgt eine mechanische Kraftübertragung vom Federkolben auf den Hauptkolben mit Hilfe der me chanischen Elemente. Wird die Bewegung des Federkolbens auf den Hauptkolben im Normalfall durch ein flüssiges Druckmittel übertragen, führt der Gebrauch der mechanischen Elemente zu einem plötzlichen Druckabfall innerhalb der Druckräume des Federzylinders. Durch die mechanischen Elemente wird also die Sicherheit, daß eine Rückstellbewegung erfolgt, erhöht.
  • Vorzugsweise ist das mechanische Element druckdicht und axial verschiebbar in Öffnungen in einer Wand zwischen Hauptzylinder und Federzylinder gelagert. Dadurch ist ein besonders einfacher Aufbau der Stellvorrichtung möglich, wenn der Hauptzylinder und der Federzylinder auf einer gemeinsamen Achse angeordnet sind. Dabei dient die Wand zum einen zur Führung des mechanischen Elementes, zum anderen zur Trennung des Druckraums des Federzylinders und der ersten Druckkammer des Hauptzylinders. Durch die druckfeste Lagerung wird dabei ein Druckausgleich zwischen dem Druckraum des Federzylinders und der ersten Druckkammer des Hauptzylinders verhindert.
  • Vorzugsweise ist das mechanische Element schwimmend gelagert. Dabei wird es während der Öffnungsbewegung durch den Hauptkolben bewegt, der deshalb mit einer geringfügig größeren Kraft beaufschlagt werden muß. In entgegengesetzter Richtung wird das mechanische Element dann durch den Federkolben bewegt. Auf eine Befestigung des mechanischen Elements an einem der beiden Kolben kann so verzichtet werden, so daß die Anzahl der notwendigen Bauelemente gering gehalten wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist das mechanische Element fest mit dem Federkolben verbunden. Dadurch ist es nicht nötig, daß der Hauptkolben während der Öffnungsbewegung eine zusätzliche Kraft aufbringen muß.
  • Bevorzugterweise ist das mechanische Element exzentrisch gegenüber dem Federkolben angeordnet. Dadurch dient es gleichzeitig als Verdrehsicherung für den Federkolben.
  • Vorzugsweise ist das mechanische Element als zylindrische Stange ausgebildet. Ein solches Element läßt sich einfach herstellen. Gleichzeitig können zur Abdichtung des mechanischen Elements in der Wand zwischen Hauptzylinder und Federzylinder einfache Dichtringe verwendet werden. Die Herstellung bleibt damit kostengünstig.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform,
  • 2 eine Ventilanordnung, wie sie zwischen Hauptzylinder und Federzylinder angeordnet werden kann,
  • 3 ein Ausführungsbeispiel für ein Steuerventil,
  • 4 ein hydraulisches Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform mit den Druckzuständen während des Öffnens,
  • 5 das hydraulische Schaltbild mit den Druckzuständen am Anfang der Schließbewegung,
  • 6 das hydraulische Schaltbild mit den Druckzuständen zum Ende der Schließbewegung,
  • 7 eine alternative Steuerung des Ventils und
  • 8 ein hydraulisches Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform mit einem mehrstöckigen Federkolben.
  • In 1 ist eine als Drehantrieb ausgelegte Stellvorrichtung 1 dargestellt. Dabei sind ein Hauptzylinder 2 und ein Federzylinder 3 auf einer gemeinsamen Achse angeordnet und an einer Stirnseite miteinander verbunden. Der Hauptzylinder 2 weist an seiner anderen Stirnseite einen Montageflansch 4 auf. Innerhalb des Hauptzylinders 2 ist ein Hauptkolben 5 angeordnet, der über ein nicht selbsthemmendes Gewinde 6 geführt wird. Aufgrund dieses Gewindes 6 rotiert der Hauptkolben 5 bei einer axialen Verschiebung. Diese Rotation wird durch Formschluß auf ein Übertragungselement 7 übertragen, wobei das Übertragungselement 7 in Axialrichtung festgelegt ist und somit axial keine Bewegung ausführen kann. Dafür wird es in axialer Richtung durch einen Ring 8 fixiert, der in den Hauptzylinder 2 eingeschraubt ist.
  • Das Übertragungselement 7 weist einen inneren Hohlraum 9 auf, der derart ausgebildet ist, daß er ein weiteres Übertragungselement, beispielsweise eine Spindel, formschlüssig aufnehmen kann. Eine solche Aufnahme kann z.B. als Dreikant, Vierkant oder Sechskant ausgebildet sein.
  • Auf der Rotationsachse des Hauptzylinders 2 ist eine Welle 10 angeordnet, die sich auch durch den Federzylinder 3 hindurch erstreckt und fest mit dem Übertragungselement 7 verbunden ist. Die Welle 10 führt also eine Rotation in Abhängigkeit der Bewegung des Hauptkolbens 5 aus und kann dadurch als Positionsanzeiger oder als Steuerung von Ventilen der Stellvorrichtung 1 genutzt werden.
  • Die gezeigte Ausführungsform weist einen alternativen Positionsanzeiger 11 auf. Dieser wird durch eine Feder gegen eine exzentrische Fläche am Übertragungselement 7 gedrückt und verändert somit seine radiale Position in Abhängigkeit der Rotation des Übertragungselements 7.
  • Der Hauptzylinder 2 weist eine erste Druckkammer 19 und eine zweite Druckkammer 12 auf. Zur Druckkammer 12 gehören zwei zwischen Hauptkolben 5 und Übertragungselement 7 gebildete ringförmige Hohlräume. Der Hauptzylinder 2 wird über einen nicht dargestellten Zulaufanschluß mit einem Steuerdruck beaufschlagt, wobei der Zulaufanschluß mit der zweiten Druckkammer 12 des Hauptzylinders 2 in Verbindung steht. Der gleiche Steuerdruck beaufschlagt auch einen ersten Druckraum 13 und einen zweiten Druckraum 14 des Federzylinders 3, die durch die stufenförmige Ausgestaltung des Federkolbens 15 gebildet werden. Die beiden Druckräume 13, 14 des Federzylinders 3 sind druckdicht voneinander getrennt. Über ein in 1 nicht dargestelltes Rückschlagventil 16 kann ein Druckausgleich vom ersten Druckraum 13 zum zweiten Druckraum 14 des Federzylinders 3 erfolgen. Der Federkolben 15 wird auf der den beiden Druckräumen 13, 14 entgegenliegenden Seite durch die Kraft einer Feder 17 beaufschlagt, die als Zusammenschaltung von Tellerfedern ausgeführt ist. Die Feder 17 wird unter Spannung eingebaut, so daß auf den Federkolben 15 in jeder Position eine gewisse Mindestkraft ausgeübt wird. Dabei wird die Feder 17 über einen Teil ihrer Länge auf der Innenseite durch den Federkolben 15 geführt. Zur Führung des anderen Teils ist ein Führungsrohr 18 vorgesehen, das die Außenseite der Feder 17 führt.
  • Die erste Druckkammer 19 des Hauptzylinders 2 ist durch eine deckelförmige Wand 20 verschlossen. Diese Wand 20 begrenzt die Bewegung des Hauptkolbens 5 und die erste Druckkammer 19 des Hauptzylinders 2. Die Wand 20 ist mit einem Außengewinde 26 versehen, das mit einem entsprechenden Innengewinde 27 des Hauptzylinders 2 im Eingriff steht. Dadurch wird die Wand 20 im Hauptzylinder 2 erhalten.
  • Die Wand 20 weist drei Öffnungen 21, 22, 23 auf, durch die die Welle 10 und zwei rotationssymmetrische mechanische Elemente 24, 25 geführt sind. Dabei sind Dichtungen vorgesehen, die einen Druckverlust durch die Wand 20 verhindern.
  • Die mechanischen Elemente 24, 25 sind mit dem Federkolben 15 fest verbunden und so angeordnet, daß sie bei einem Druckverlust im zweiten Druckraum 14 des Federzylinders 3 vom Federkolben 15 gegen den Hauptkolben 5 gedrückt werden, wobei letzterer dann ausreichend beeinflußt wird, um eine Ventilklappe, die über eine Spindel mit dem Übertragungselement 7 verbunden sein kann, zumindest in der derzeitigen Stellung festzuhalten oder vollständig zurückzubewegen. Somit wird verhindert, daß sich die Ventilklappe im Falle einer Undichtigkeit im Inneren der Stellvorrichtung 1 in eine undefinierte Position bewegt. In der gezeigten Ausführung werden die mechanischen Elemente 24, 25 im normalen Betrieb keine Kräfte zwischen den Kolben 5, 15 übertragen, weil die Kolben 5, 15 so gesteuert werden, daß der Mindestabstand zwischen ihnen größer ist als die Länge der mechanischen Elemente 24, 25. Es sind aber andere Ausführungen denkbar, worin die mechanischen Elemente 24, 25 z.B. am Ende der normalen Schließbewegung zur Kraftübertragung zwischen den Kolben 5, 15 genutzt werden.
  • In der gezeigten Ausführungsform sind die mechanischen Elemente 24, 25 durch Federringe 28, 29 mit dem Federkolben 15 fest verbunden. Sie können jedoch auch schwimmend gelagert werden, wobei sie dann allerdings während des Öffnens statt vom Federkolben 15 vom Hauptkolben 5 bewegt werden müssen, wodurch die Belastung des Hauptkolbens 5 etwas ansteigt. In beiden Fällen sind Abdichtungen zwischen dem zweiten Druckraum 14 des Federzylinders 3 und der ersten Druckkammer 19 des Hauptzylinders 2 erforderlich. Ist mehr als ein mechanisches Element 24, 25 vorgesehen, oder das einzige mechanische Element 24, 25 exzentrisch zur Federkolbenachse angeordnet, dann wird der Federkolben 15 gleich zeitig am Drehen gehindert. In diesem Falle kann auch die Rotation der Welle 10 relativ zum Federkolben 15 zur Steuerung einer Ventilvorrichtung genutzt werden.
  • In der gezeigten Ausführung fällt der Druck im ersten Druckraum 14 des Federzylinders 3 aufgrund der relativen Inkompressibilität des Druckmittels schnell ab, wenn die mechanischen Elemente 24, 25 auf dem Hauptkolben 5 anliegen. Da der erste Druckraum 14 des Federzylinders 3 in allen anderen Situationen unter Druck steht, kann ein einfacher Druckgeber oder Druckschalter dazu genutzt werden, eine evtl. Leckage anzuzeigen. Dies kann sowohl optisch, mechanisch oder elektrisch erfolgen.
  • In 2 ist eine Ventilanordnung dargestellt, wie sie zwischen Hauptzylinder 2 und Federzylinder 3 angeordnet werden kann. Ein Ventil 30 der Ventilanordnung weist einen Ventilschieber 31 auf, der in Schließrichtung durch den Druck in der zweiten Druckkammer 12 des Hauptzylinders 2 belastet wird und in Öffnungsrichtung durch eine nicht dargestellte Feder. In der dargestellten Offen-Stellung ist der zweite Druckraum 14 des Federzylinders 3 mit der ersten Druckkammer 19 des Hauptzylinders 2 verbunden, so daß Druckmedium vom Druckraum 14 in die Druckkammer 19 strömen kann, wodurch der Hauptkolben 5 bewegt wird.
  • Ein Rückschlagventil 32, welches zwischen einem Niederdruckanschluß 33 und der ersten Druckkammer 19 des Hauptzylinders 2 angeordnet ist, wird durch den Druck in der ersten Druckkammer 19 in Schließrichtung beaufschlagt. Das Rückschlagventil 32 wird durch den Ventil schieber 31 geöffnet, wenn sich dieser in der Schließstellung befindet.
  • Desweiteren ist ein Rückschlagventil 16 vorgesehen, das den ersten Druckraum 13 des Federzylinders 3 und den zweiten Druckraum 14 des Federzylinders 3 miteinander verbindet. Das Rückschlagventil 16 stellt sicher, daß ein Druckausgleich nur vom ersten Druckraum 13 zum zweiten Druckraum 14 des Federzylinders 3 erfolgen kann, und nicht in entgegengesetzter Richtung.
  • In 3 ist ein Steuerventil 34 dargestellt, über das eine Versorgungsleitung 35 mit dem ersten Druckraum 13 des Federzylinders 3 verbunden wird. Dabei wird das Steuerventil 34 durch den Druck in der Versorgungsleitung 35 und einen Stößel 36 in Öffnungsrichtung und durch den Druck im ersten Druckraum 13 und einer Feder in Schließrichtung mit Druck beaufschlagt. Der Stößel 36 wird durch ein eigens dafür angebrachtes, federbelastetes Element 39, das mit dem Federkolben 15 in Verbindung steht, in Öffnungsrichtung bewegt, sobald der Federkolben 15 eine entsprechende Position erreicht hat. Dadurch wird der erste Druckraum 13 des Federzylinders 3 zur Versorgungsleitung 35 entlastet, so daß die wirksame Federkolbenfläche verkleinert wird. Möglich ist auch, daß die Welle 10 entsprechend ausgebildet ist, beispielsweise in Form einer Nockenwelle, und so den Stößel 36 betätigt oder daß die Betätigung durch eines der mechanischen Elemente 24, 25 oder irgendein anderes internes oder externes mechanisches Signal erfolgt.
  • In 4 ist das hydraulische Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt, wobei der Zustand während des Öffnens gezeigt ist. Zum Öffnen wird der Zuführanschluß 11 der Stellvorrichtung 1 z.B. mit Hilfe einer Pumpe mit einem Steuerdruck über die Versorgungsleitung 35 beaufschlagt. Der Steuerdruck liegt dann in der zweiten Druckkammer 12 des Hauptzylinders 2 an. Dadurch verschiebt sich der Hauptkolben 5 in 1 und in 4 nach rechts.
  • Das Ventil 30 wird durch den Steuerdruck in die in 4 gezeigte Position bewegt, in der es die erste Druckkammer 19 des Hauptzylinders 2 zum Tank 37 entlastet. Dabei ist das Ventil 30 mit unterschiedlich großen Betätigungsklappen ausgebildet, damit es auch dann sicher durch den Steuerdruck bewegt werden kann, wenn im zweiten Druckraum 14 des Federzylinders 3 noch der Schließdruck herrscht.
  • Der Steuerdruck liegt über das Steuerventil 34 auch im ersten Druckraum 13 des Federzylinders 3 und weiter über das Ventil 16 im zweiten Druckraum 14 des Federzylinders 3 an. Dadurch wird der Federkolben 15 in der Zeichnung nach oben bewegt und spannt dabei die Feder 17. Die Verbindung des zweiten Druckraums 14 des Federzylinders 3 zur ersten Druckkammer 19 des Hauptzylinders 2 ist dabei über das Ventil 30 gesperrt.
  • Fällt nun der Steuerdruck ab, entweder um einen Schließvorgang einzuleiten oder aufgrund einer Störung, herrschen die in 5 dargestellten Verhältnisse. Die Versorgungsleitung 35 ist drucklos, so daß die zweite Druckkammer 12 des Hauptzylinders 2 entlastet ist. Das Ventil 30 wird durch den Druck im zweiten Druckraum 14 des Federzylinders 3 in die gezeigte Position bewegt, da der Gegendruck aus der Versorgungsleitung 35 fehlt. Dadurch wird der zweite Druckraum 14 des Federzylinders 3, der mit dem ersten Druckraum 13 über das Ventil 16 verbunden ist, mit der ersten Druckkammer 19 des Hauptzylinders 2 verbunden. Da der erste Druckraum 13 und der zweite Druckraum 14 des Federzylinders 3 durch die Feder 17 unter Druck gesetzt werden, findet von dort ein Druckausgleich zur ersten Druckkammer 19 des Hauptzylinders 2 statt und der Hauptkolben 5 bewegt sich in der Zeichnung nach links.
  • Erreicht der Federkolben 15 eine vordefinierte Stelle, wird das Ventil 34 in die in 6 dargestellte Position bewegt. Dies geschieht z.B. durch eines der mechanischen Elemente 24, 25. Dadurch wird der erste Druckraum 13 des Federzylinders 3 zur drucklosen Versorgungsleitung 35 entlastet. Dann ist nur noch eine kleinere Federkolbenfläche gegen die Feder 17 wirksam, wodurch ein höherer Druck auf den Hauptkolben 5 übertragen werden kann. Das Rückschlagventil 16 verhindert einen Druckausgleich vom zweiten Druckraum 14 des Federzylinders 3 zum ersten Druckraum 13 des Federzylinders 3, die über das Steuerventil 34 zur Versorgungsleitung 35 entlastet ist.
  • In 7 ist eine vereinfachte Ansteuerung des Ventils 30 dargestellt. Dabei wird das Ventil 30 durch den Druck in der Versorgungsleitung 35 gegen eine Feder 38 in die Position bewegt, in der es die erste Druckkammer 19 des Hauptzylinders 2 zum Tank 37 entlastet. Sinkt der Druck in der Versorgungsleitung 35, wird das Ventil 30 durch die Feder 38 in die Position bewegt, in der es den zweiten Druckraum 14 des Federzylinders 3 mit der ersten Druckkammer 19 des Hauptzylinders 2 verbindet. Das Ventil 30 verbindet bei dieser Ausführungsform in seiner Ausgangsstellung den zweiten Druckraum 14 des Federzylinders 3 mit der ersten Druckkammer 19 des Hauptzylinders 2.
  • In 8 ist der Federkolben 15 als mehrstöckiger Kolben ausgebildet, d.h., daß sich die beiden Federkolbenflächen in Bewegungsrichtung teilweise überlappen. Dadurch werden ebenfalls zwei Druckräume 13, 14 gebildet, wobei der erste Druckraum 13 ab einer gewissen Position des Federkolbens 15 über das Ventil 34 zur Ansteuerleitung 35 entlastet wird.
  • In den gezeigten Ausführungsformen wird überschüssiges Druckmittel aus der zweiten Druckkammer 12 des Hauptzylinders 2 und aus dem ersten Druckraum 13 des Federzylinders 3 beim Schließen in die Versorgungsleitung 35 der Stellvorrichtung 1 zurückgeführt. Falls dabei noch ein Restdruck in der Versorgungsleitung 35 der Stellvorrichtung 1 vorhanden ist, kann dieser Druck unter Umständen der Bewegung des Hauptkolbens 5 entgegenwirken, so daß dieser und damit auch die Ventilklappe in einer Zwischenposition stehenbleiben. Da für die Oberwindung der statischen Friktion meist eine erhöhte Kraft erforderlich ist, und da der Federzylinder 3 entsprechend der Erfindung in Zwischenpositionen weniger Kraft überträgt als in den Endpositionen, kann es bei weiterem Druckabfall in dieser Situation vorkommen, daß die Rückstellbewegung des Hauptkolbens 5 nicht mehr vollständig ausgeführt wird. Falls es erforderlich ist, auch in diesem Fall ein zuverlässiges Schließen zu gewährleisten, kann die Ventilanordnung so geändert werden, daß überschüssiges Druckmittel aus der zweiten Druckkammer 12 des Hauptzylinders 2 und aus dem ersten Druckraum 13 des Federzylinders 3 beim Schließen statt in die Versorgungsleitung 35 der Stellvorrichtung 1 über eine drucklose Rückleitung in einen Tank 33 geführt wird.
  • Aus den gleichen Gründen kann die Ventilklappe in einer halb offenen Stellung stehenbleiben, falls der Steuerdruck während des Öffnens absinkt. Dies kann verhindert werden, indem die Ventilanordnung so geändert wird, daß die zweite Druckkammer 12 des Hauptzylinders 2 erst dann mit Druckmittel beaufschlagt wird, wenn der Federkolben 15 den Federstapel 17 vollständig gespannt hat.

Claims (26)

  1. Stellvorrichtung, die einen Hauptzylinder mit einem Hauptkolben und einen Federzylinder mit einem Federkolben aufweist, wobei der Hauptkolben in seine beiden Bewegungsrichtungen mit Druck beaufschlagbar ist und der Federkolben in eine Richtung durch den Druck einer Feder und in entgegengesetzter Richtung durch einen Betriebsdruck beaufschlagbar ist, wobei ein Druckraum des Federzylinders mit einer ersten Druckkammer des Hauptzylinders verbindbar ist und eine zweite Druckkammer des Hauptzylinders mit einer Versorgungsleitung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksame Federkolbenfläche veränderbar ist.
  2. Stellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksame Federkolbenfläche von der Position des Federkolbens (15) abhängig ist.
  3. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Federzylinder (3) mindestens zwei voneinander getrennte Druckräume (13, 14) aufweist, die an der gleichen Seite des Federkolbens (15) angeordnet sind, wobei die Anzahl der wirksamen Druckräume (13, 14) veränderbar ist.
  4. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der wirksamen Druckräume (13, 14) des Federzylinders (3) von der Position des Federkolbens (15) abhängig ist.
  5. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Steuerventil (34) aufweist, das die Druckräume (13, 14) mit der Versorgungsleitung (35) verbindet, wobei in einer ersten Stellung ein Druckausgleich von den Druckräumen (13, 14) zur Versorgungsleitung (35) verhindert und in einer zweiten Stellung freigegeben wird.
  6. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbindung zwischen einem Druckraum (13, 14) des Federzylinders (3) und der ersten Druckkammer (19) des Hauptzylinders (2) ein Ventil (30) angeordnet ist.
  7. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellung des Ventils (30) vom Druck in der Versorgungsleitung (35) abhängig ist, wobei bei Anliegen eines Mindestdrucks die erste Druckkammer (19) entlastet wird und bei zu geringem Druck zumindest einer der Druckräume (13, 14) des Federzylinders (3) mit der ersten Druckkammer (19) des Hauptzylinders (2) verbunden ist.
  8. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Druckkammer (12) des Hauptzylinders (2) direkt zum Tank (37) entlastbar ist.
  9. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckleitungen in Wänden der Zylinder angeordnet sind.
  10. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Federzylinder (3) mindestens ein Rückschlagventil (16) aufweist, das zwischen den Druckräumen (13, 14) angeordnet ist.
  11. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Federkolben (15) zweistufig ausgeführt ist.
  12. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Federkolben (15) mehrere Federkolbenflächen aufweist, die sich in Bewegungsrichtung zumindest teilweise überlappen.
  13. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptzylinder (2) ein Übertragungselement (7) aufweist, das aufgrund der Bewegung des Hauptkolbens (5) rotiert.
  14. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungselement (7) eine Aufnahme aufweist, die eine formschlüssige Verbindung zu einem Abtriebselement ermöglicht.
  15. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Welle (10) aufweist, die sich durch die gesamte Stellvorrichtung (1) erstreckt.
  16. Stellvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (10) mehrteilig ausgeführt ist.
  17. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (17) in jeder Position des Federkolbens (15) eine Vorspannung aufweist.
  18. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß Hauptzylinder (2) und Federzylinder (3) auf einer gemeinsamen Achse angeordnet sind.
  19. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Druckräume (13, 14) des Federzylinders (3) einen Drucksensor aufweist.
  20. Stellvorrichtung, insbesondere nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens ein mechanisches Element (24, 25) aufweist, das zwischen Hauptkolben (5) und Federkolben (15) angeordnet ist, wobei über das mindestens eine mechanische Element (24, 25) bei bis zum Anschlag entspannter Feder (17) axiale Kräfte und bei bis zum Anschlag gespannter Feder (17) keine axialen Kräfte zwischen Hauptkolben (5) und Federkolben (15) übertragbar sind.
  21. Stellvorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des mindestens einen mechanischen Elements (24, 25) geringer ist als der ordnungsgemäße Abstand zwischen Hauptkolben (5) und Federkolben (15).
  22. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß das mechanische Element (24, 25) druckdicht und axial verschiebbar in Öffnungen im Deckel (20) zwischen Hauptzylinder (2) und Federzylinder (3) gelagert ist.
  23. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das mechanische Element (24, 25) schwimmend gelagert ist.
  24. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das mechanische Element (24, 25) fest mit dem Federkolben (15) verbunden ist.
  25. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß das mechanische Element (24, 25) exzentrisch gegenüber dem Federkolben (15) angeordnet ist.
  26. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß das mechanische Element (24, 25) als zylindrische Stange ausgebildet ist.
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