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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Stellantrieb mit Notschließfunktion,
insbesondere für
ein Ventil, mit einem Antriebsmotor und einer Abtriebswelle, die
in einer Öffnungsdrehrichtung
und einer Schließdrehrichtung
drehbar ist, sowie einer Spindel-Mutter-Anordnung,
deren Spindelmutter drehend mit der Abtriebswelle zur translatorischen
Verlagerung einer Spindelstange in einer Öffnungsrichtung und einer Schließrichtung
zusammenwirkt. Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung sind die
Begriffe ”Öffnungsrichtung” und ”Öffnungsdrehrichtung” im Sinne
einer (in den Stellantrieb) einfahrenden Spindelstange zu verstehen,
die Begriffe ”Schließrichtung” und ”Schließdrehrichtung” hingegen
im Sinne einer ausfahrenden Spindelstange, weil in den meisten Anwendungsfällen eine
einfahrende Spindelstange ein mit dem Stellantrieb gekoppeltes Stellglied öffnet und
eine ausfahrende Spindelstange das Stellglied schließt. Dies
schließt
jedoch nicht aus, dass diese Verhältnisse umgekehrt sein können, etwa dann,
wenn es sich bei dem zu betätigenden
Stellglied um ein Gleitschieberventil handelt.
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Stellantriebe
der genannten Art sind bekannt. Mittels der Spindel-Mutter-Anordnung
kann die Drehbewegung des Antriebsmotors auf einfache Weise in eine
translatorische Stellbewegung umgewandelt werden. Um bei einem Ausfall
des Antriebsmotors eine Notschließfunktion sicherzustellen, muss
entweder die Spindel-Mutter-Anordnung
rücktreibbar,
d. h. nicht selbsthemmend ausgeführt
sein oder das die Stellbewegung ausführende Stellelement muss vom
Antriebsstrang (Antriebsmotor und Spindel-Mutter-Anordnung sowie
gegebenenfalls weitere Bauteile) entkoppelt werden, damit eine Notenergiequelle
(beispielsweise eine Druckfeder) das Stellelement in seine Schließstellung
bewegen kann. Die Verwendung einer durch Axialkräfte rücktreibbaren Spindel-Mutter-Anordnung
hat zur Folge, dass vom Stellglied auf das Stellelement rückwirkende Kräfte, beispielsweise
der auf einen Ventilteller wirkende Fluiddruck, dazu tendieren,
die eingestellte Position der Spindel und damit des Stellgliedes
zu verändern.
Eine Entkopplung des Antriebsstrangs vom Stellelement während eines
Notschließvorgangs
führt andererseits
zu einer sehr harten, das Material belastenden Schließbewegung.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stellantrieb bereitzustellen,
der gegenüber
vom Stellglied auf ihn ausgeübten
Kräften
unempfindlich ist, d. h. der eine einmal eingestellte Position unabhängig von
auf das Stellglied wirkenden Kräften zuverlässig beibehält, und
der eine Notschließfunktion aufweist,
die eine materialschonende Schließbewegung gewährleistet.
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Diese
Aufgabe ist erfindungsgemäß durch einen
Stellantrieb mit den Merkmalen des beigefügten Patentanspruchs 1 gelöst. Demnach
wirkt auf die Spindelstange eine Druckfeder, die die Spindelstange
in Schließrichtung
vorspannt. Ferner ist die Spindelstange der Spindel-Mutter-Anordnung
durch Axialkräfte
nicht rücktreibbar.
Um dennoch ohne eine Auskupplung des Antriebsmotors und der Spindel-Mutter-Anordnung eine Notschließfunktion
zu ermöglichen,
d. h. eine Rückstellung
der als Stellelement fungierenden Spindelstange in eine Schließstellung,
wirkt auf die Abtriebswelle eine Wickelfeder, die die Abtriebswelle
in Schließdrehrichtung
vorspannt und beim Drehen der Abtriebswelle in Öffnungsdrehrichtung gespannt
wird. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf einen bestimmten Typ
einer Spindel-Mutter-Anordnung
beschränkt,
vielmehr können
unterschiedliche Bauarten von Spindel-Mutter-Anordnungen zum Einsatz kommen,
z. B. Rollenspindeln, Gewindespindeln, Planetenwälzgewindespindeln etc.
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Ein
solcher Stellantrieb hat gegenüber
herkömmlichen
Stellantrieben mehrere Vorteile: Aufgrund der durch Axialkräfte nicht
rücktreibbaren,
d. h. selbsthemmenden bzw. selbstsperrenden Spindel kann beispielsweise
ein durch den Stellantrieb betätigtes
Ventil nicht durch den im Ventil wirkenden Fluiddruck geöffnet oder
geschlossen werden, sondern behält
seine durch den Stellantrieb vorgegebene Position zuverlässig bei.
Trotz der Verwendung einer nicht rücktreibbaren, d. h. selbsthemmenden
oder selbstsperrenden Spindel und obwohl weder der Antriebsmotor
noch die Spindel-Mutter-Anordnung beim Notschließen ausgekuppelt werden, hat
der erfindungsgemäße Stellantrieb
eine Notschließfunktion, denn
die auf die Abtriebswelle wirkende Wickelfeder spannt die Abtriebswelle
und damit die mit ihr in Drehverbindung stehende Spindel-Mutter-Anordnung
in Schließdrehrichtung
vor und bringt beim Notschließen
ein Drehmoment auf die Abtriebswelle auf, welches dazu ausreicht,
die Selbsthemmung oder Selbstsperrung der Spindel-Mutter-Anordnung
zu überwinden,
so dass die auf die Spindelstange wirkende Druckfeder unter gleichzeitiger
Drehung der Spindelmutter, der Kupplung und des Antriebsmotors die
Spindelstange in ihre Schließstellung
bewegen kann. Weil der Antriebsmotor beim Notschließen nicht
ausgekuppelt wird, wirkt das Motorträgheitsmoment dämpfend auf
die Schließbewegung.
Ein weiterer, sich aus dem erfindungsgemäßen Aufbau ergebender Vorteil
des neuartigen Stellantriebs besteht darin, dass aufgrund der von
der Druckfeder in Schließrichtung
aufgebrachten axialen Vorspannung und des von der Wickelfeder ständig aufgebrachten Drehmoments
in Schließdrehrichtung
der gesamte Antriebs strang spielfrei gehalten wird, wodurch ohne Nachteile
in der Stellgenauigkeit weniger präzise gefertigte und damit kostengünstigere
Bauteile im Antriebsstrang verwendet werden können. Durch die von der Druckfeder
und der Wickelfeder aufgebrachte Federvorspannung wird auch das
Umkehrspiel, also die Hysterese beim Wechsel einer Drehrichtung des
Antriebs, sehr klein gehalten. Zusätzliche aus der Spielfreiheit
resultierende Vorteile sind eine kurze Anregelzeit, d. h. es vergeht
nur wenig Zeit bis zum Erreichen des gewünschten Regelzustandes, sowie eine
hohe Reglerbandbreite.
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Als
Wickel- oder Triebfeder kann jede Feder Verwendung finden, deren
eines Ende sich gut mit der Abtriebswelle verbinden lässt und
die sich beim Drehen der Abtriebswelle in Öffnungsdrehrichtung zunehmend
spannt. Beispielsweise kann die Wickelfeder eine Spiralfeder sein,
jedoch sind andere Federarten ebenfalls möglich.
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Zur
Kopplung der Abtriebswelle mit der Spindelmutter der Spindel-Mutter-Anordnung
ist zwischen der Abtriebswelle und der Spindelmutter vorzugsweise
eine Kupplung vorgesehen, insbesondere eine Klauenkupplung, die
jedoch im Gegensatz zu herkömmlichen
Kupplungen in Stellantrieben nicht zur Abkopplung des Antriebsmotors
während
eines Notschließvorganges
dient, sondern lediglich die Drehkraftübertragung zwischen der Abtriebswelle und
der Spindelmutter sicherstellt und für einen Ausgleich eventueller
Fluchtungsfehler sorgt. Ebenso kann die Kupplung die Möglichkeit
einer axialen Verschiebung der Spindelmutter relativ zur Abtriebswelle bereitstellen.
Wenn diese Kupplung eine Klauenkupplung ist, dann ist zwischen den
einzelnen Klauen vorzugsweise ein Elastomermaterial angeordnet,
insbesondere in Gestalt eines Kranzes aus Elastomermaterial. Das
zwischen den Klauen befindliche Elastomermaterial verhindert durch
seine Dämpfungseigenschaften
Belastungsspitzen im Antriebsstrang.
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Bei
bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Stellantriebs ist die Spindelmutter durch
ein Axiallager gelagert, welches Axialkräfte nur in Öffnungsrichtung der Spindelstange überträgt. Ein solches
Axiallager wird auch als einseitig wirkendes Axiallager bezeichnet.
Die beschriebene Lagerung der Spindelmutter mittels eines einseitig
wirkenden Axiallagers hat den Vorteil, dass die sich bei einem Notschließvorgang
im Antriebsstrang aufbauenden Trägheitskräfte (aufgrund
der beim Notschließen
mitbewegten trägen
Masse des Antriebsmotors, der Abtriebswelle, der Kupplung und der
Spindelmutter) nach Erreichen der Schließstellung der Spindelstange
nicht schließkrafterhöhend auf
die Spindelstange wirken, sondern durch das einseitig wirkende Axiallager
quasi von der Spindelstange entkoppelt werden. Selbst bei einer
durch thermische Einflüsse
bedingten Längenänderung
der Spindelstange ergibt sich somit im Zusammenspiel mit der Druckfeder
immer eine annähernd
konstante Schließkraft.
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Bei
einer noch bevorzugteren Ausgestaltung des Stellantriebs mit einseitig
wirkendem Axiallager ist eine Friktionsbremse vorhanden, die nach
Erreichen der Schließstellung
der Spindelstange die durch einen Notschließvorgang hervorgerufene Drehbewegung
der Spindelmutter, der Kupplung und der Abtriebswelle stoppt und
dadurch die im Antriebsstrang aufgebaute Bewegungsenergie vernichtet. Gemäß einer
konstruktiv bevorzugten Ausgestaltung ist dabei die Wickelfeder
in einem Federgehäuse
aufgenommen, das an seiner äußeren Stirnseite
mit einem Reibbelag versehen ist, den eine ihm zugewandte Stirnseite
der Kupplung kontaktiert, nachdem die Spindelstange ihre Schließstellung
erreicht hat. Aufgrund des nur einseitig wirkenden Axiallagers kann,
nachdem die Spindelstange ihre Schließstellung erreicht hat, die
sich drehende Baugruppe aus Spindelmutter und Kupplung auf der nunmehr
in ihrer Schließstellung
festgelegten Spindelstange hochlaufen und sich so dem außen am Federgehäuse angebrachten
Reibbelag nähern
und ihn schließlich
unter gleichzeitiger Abbremsung der Drehbewegung berühren. Auf
diese Weise wird die während
eines Notschließvorgangs
aufgebaute Rotationsenergie des Antriebsmotors und der weiteren,
sich drehenden Teile des Antriebsstrangs durch die Friktionsbremse abgebaut
und es entsteht weder ein Schließruck, der möglicherweise
eine Überlastung
z. B. eines Ventilsitzes bewirken könnte, noch kommt es zu lauten
Geräuschen
beim Schließen
des Stellgliedes. Das langsame Abbremsen des Antriebsstrangs verhindert
ferner Drehmomentspitzen und damit eine mögliche Überlastung des Antriebsstrangs.
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Zur
Erzielung einer möglichst
hohen Stellgenauigkeit wird bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Stellantriebs
die Axialstellung der Spindelstange von einer Positionsmesseinrichtung
erfasst, die dazu in der Lage ist, die absolute Position der Spindelstange
zu bestimmen. Eine solche Positionsmesseinrichtung kann insbesondere ein
lineares Potentiometer sein, dessen wirksame Länge wenigstens dem maximalen
Stellweg des Stellantriebs entspricht.
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Zur
Verbesserung der Regelungsgüte
und der Stellpräzision
und auch aus Redundanzgründen ist
bei bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Stellantriebs
der Antriebsmotor mit einem Drehstellungs-Positionsgeber ausgerüstet. Dadurch sind
ständig
zum einen die Drehstellung des Antriebsmotors und zum anderen die
Anzahl der vom Antriebsmotor ausgeführten Umdrehungen abrufbar. Der Antriebsmotor
kann unter Benutzung dieser Informationen schnell und dennoch feinfühlig angesteuert
werden.
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Um
mit einem möglichst
kleinen Motor große Axialkräfte realisieren
zu können,
ist der Antriebsmotor bei bevorzugten Ausführungsformen des Stellantriebs
mit einem Untersetzungsgetriebe gekoppelt, das rücktreibbar sein muss. Zur Erzielung
einer kompakten Bauform ist der Antriebsmotor dabei mit Vorteil
als eine Motor-Getriebe-Einheit
ausgebildet. Das Untersetzungsgetriebe vergrößert die Untersetzung des Antriebsstrangs
zusätzlich
zu der bereits durch die Spindel-Mutter-Anordnung erreichten Untersetzung
und ermöglicht
mit einem kleinen Antriebsmotor die Erzielung einer hohen Öffnungskraft,
die zur Überwindung
der durch die Druckfeder ausgeübten Schließkraft ausreicht.
Anders ausgedrückt
ermöglicht
die hohe Untersetzung des Antriebsstrangs erst eine hohe Schließkraft der
auf die Spindelstange wirkenden Druckfeder, denn der Antriebsstrang
muss dazu in der Lage sein, den Stellantrieb gegen die Schließkraft der
Druckfeder aufzufahren.
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Als
Antriebsmotor kann im erfindungsgemäßen Stellantrieb prinzipiell
jeder Motor Verwendung finden, der dazu in der Lage ist, entweder
unmittelbar oder unter Zwischenschaltung eines Untersetzungsgetriebes
eine Abtriebswelle in Drehung zu versetzen. Beispiele für geeignete
Antriebsmotoren sind Gleichstrommotoren, insbesondere bürstenlose Gleichstrommotoren,
Schrittmotoren, Wechselstrommotoren, aber auch pneumatische oder
hydraulische Drehantriebe.
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Auch
ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung ohne weiteres möglich, dass
die Spindelstange sich dreht und dadurch die Spindelmutter translatorisch
verlagert. Ganz allgemein sind bei einer solchen Ausführungsform
die Funktionen von Spindelmutter und Spindelstange gegenüber den
zuvor beschriebenen Ausführungsformen
vertauscht. Entsprechend findet dann eine Drehkraftübertragung zwischen
der Abtriebswelle und der Spindelstange statt und eine Kupplung
befindet sich, falls vorhanden, zwischen der Abtriebswelle und der
Spindelstange. Vorzugsweise ist bei einer solchen Ausführungsform
die Spindelstange mittels eines nur einseitig wirkenden Axiallagers
gelagert, welches Axialkräfte
nur in Öffnungsrichtung
der Spindelmutter überträgt. Die
optional vorgesehene Friktionsbremse stoppt bei dieser Ausführungsform
die Drehbewegung der Spindelstange.
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Ein
derzeit bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Stellantriebs
wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen
Figuren zusammen mit weiteren Vorteilen näher erläutert. Es zeigt:
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1 einen
Längsschnitt
durch den Stellantrieb in räumlicher
Darstellung, und
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2 einen
Ausschnitt aus 1 in vergrößerter Darstellung.
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1 zeigt
in perspektivischer Darstellung und im Längsschnitt einen allgemein
mit der Bezugsziffer 10 bezeichneten Stellantrieb, der
beispielsweise zum geregelten Öffnen
und Schließen
eines hier nicht dargestellten Ventils eingesetzt werden kann. Die
in der folgenden Beschreibung verwendeten Begriffe ”oben” und ”unten” beziehen
sich auf die in 1 wiedergegebene Orientierung
des Stellantriebs 10 und sind nicht beschränkend zu
verstehen, denn der Stellantrieb 10 kann statt in der dargestellten
vertikalen Lage auch horizontal oder in jeder beliebigen anderen
Lage verwendet werden.
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Der
Stellantrieb 10 hat ein zylindrisches Gehäuse 11 mit
einem Boden 12, einer zylindrischen Umfangswand 14 und
einem Deckel 16. Wie dargestellt sind sowohl der Boden 12 als
auch der Deckel 16 durch je eine O-Ringdichtung 17, 18 zur
Innenseite der Umfangswand 14 abgedichtet, um ein Eindringen
von Feuchtigkeit und Schmutz in das Gehäuse 11 zu verhindern.
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Als
Antriebsquelle für
den Stellantrieb 10 dient ein hier als Elektromotor ausgebildeter
Antriebsmotor 20, der mit einem nachgeschalteten Untersetzungsgetriebe 22 zu
einer Motor-Getriebe-Einheit gekoppelt und auf einer Montageplatte 23 befestigt
ist. Zur Stromzuleitung ist die Umfangswand 14 nahe dem
Deckel 16 mit einer Durchführung 24 versehen,
die ein hier nur angedeutetes Stromkabel 26 sowie weitere
Zu- und Ableitungen
(nicht gezeigt) für eine
Regelelektronik abdichtend in das Gehäuse 11 führt. Oberhalb
des Antriebsmotors 20 und unterhalb des Deckels 16 ist
im Gehäuse
des Stellantriebs 10 ein Raum 28 vorgesehen, der
die hier nur als Platine 29 angedeutete Regelelektronik
für den
Stellantrieb 10 aufnimmt.
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Aus
der vom Antriebsmotor 20 abgewandten Unterseite des Untersetzungsgetriebes 22 ragt
eine Abtriebswelle 30 hervor, die bei einem Betrieb des Antriebsmotors 20 mit
der Drehzahl des Antriebsmotors 20 dividiert durch die
Untersetzung des Untersetzungsgetriebes 22 rotiert und
die in einer Öffnungsdrehrichtung
und in einer Schließdrehrichtung
drehbar ist. Mit dem Begriff ”Öffnungsdrehrichtung” ist hier
diejenige Drehrichtung der Abtriebswelle gemeint, die den Stellantrieb 10 zum Öffnen beispielsweise
eines Ventils veranlasst, wohingegen unter dem Begriff ”Schließ drehrichtung” diejenige
Drehrichtung der Abtriebswelle 30 verstanden wird, die zum
Schließen
des vom Stellantrieb 10 betätigten Stellgliedes führt.
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Auf
der stummelförmigen
Abtriebswelle 30 ist mittels zweier auch als Madenschrauben
bezeichneter Gewindestifte 32 ein hohlzylindrischer Mitnehmer 34 zur
Drehung mit der Abtriebswelle 30 befestigt. Am äußeren Umfang
des Mitnehmers 34 ist ein Ende einer Wickelfeder 36 festgelegt,
die in einem dosenförmigen
Federgehäuse 38 aufgenommen
ist und deren anderes Ende an der Innenseite der Außenwand
des Federgehäuses 38 festgelegt
ist.
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Konzentrisch
zu einer hier nicht dargestellten Mittellängsachse der Abtriebswelle 30 ist
an der Unterseite des Mitnehmers 34 mittels Schrauben 39, von
denen in den Figuren nur eine sichtbar ist, ein erster Kupplungsring 40 mit
Klauen 42 befestigt, der mit einem ebenfalls konzentrisch
zur genannten Mittellängsachse
angeordneten zweiten Kupplungsring 44 zusammenwirkt, der
Klauen 46 aufweist, die in die Zwischenräume eingreifen,
welche zwischen den Klauen 42 des ersten Kupplungsrings 40 vorhanden sind.
Der zweite Kupplungsring 44 ist mittels Schrauben 48,
von denen in den Figuren wiederum nur eine sichtbar ist, auf der
Oberseite einer Spindelmutter 50 befestigt. Der erste Kupplungsring 40 und
der zweite Kupplungsring 44 bilden zusammen eine Klauenkupplung
zur Übertragung
einer Drehbewegung der Abtriebswelle 30 auf die Spindelmutter 50.
Zur Geräuschdämpfung und
zur mechanischen Schonung der Klauenkupplung ist radial innerhalb
der beiden Kupplungsringe 40, 44 ein Kranz 52 aus
Elastomermaterial angeordnet, dessen radial nach außen verlaufende
Vorsprünge 54 jeweils
zwischen eine Klaue 42 und eine Klaue 46 ragen.
Jeder Vorsprung 54 verhindert somit einen unmittelbaren
Kontakt der Klauen 42 und 46, indem er als dämpfendes
Zwischenglied fungiert.
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Die
Spindelmutter 50 ist Teil einer allgemein mit 55 bezeichneten
Spindel-Mutter-Anordnung,
zu der des Weiteren eine die Spindelmutter 50 durchsetzende
Spindelstange 56 gehört,
um die sich die Spindelmutter 50 drehen kann. Spindelmutter 50 und Spindelstange 56 stehen
miteinander über
ein Gewinde 58 in gegenseitigem Schraubeingriff. Die Spindel-Mutter-Anordnung 55 ist
vom durch Axialkräfte nicht
rücktreibbaren
Typ, der auch als selbsthemmend oder selbstsperrend bezeichnet wird.
Die Spindel-Mutter-Anordnung 55 behält demnach eine einmal eingestellte
Position bei, auch wenn Axialkräfte, beispielsweise
resultierend aus einer Rückwirkung des
mit dem Stellantrieb 10 betätigten Stellgliedes, auf sie
wirken.
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Zur
Drehung um die Spindelstange 56 ist die Spindelmutter 50 mittels
eines einseitig wirkenden Axiallagers 60 auf einer Lagerplatte 62 abgestützt. Die
Lagerplatte 62 ist wie dargestellt auf Absätzen mehrerer
jeweils zweiteiliger Stehbolzen 64 (von denen in den Figuren
zwei zu sehen sind) gehalten, deren untere Enden in den Boden 12 geschraubt
sind und deren obere Enden die Montageplatte 23 tragen, die
mittels Muttern 66 auf den Stehbolzen 64 festgeschraubt
ist.
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Auf
einem unteren Abschnitt jedes Stehbolzens 64 ist mittels
Führungsbuchsen 68 ein
plattenförmiger
Federmitnehmer 70 geführt,
dessen Durchmesser größer als
der Durchmesser der Lagerplatte 62 ist und auf dessen äußerem Rand
sich ein Ende einer schraubenförmigen
Druckfeder 72 abstützt,
deren entgegengesetztes, anderes Ende sich am radial äußeren Rand
der Montageplatte 23 abstützt. In seinem Zentrum wird
der Federmitnehmer 70 von einem Endabschnitt verringerten
Durchmessers der Spindelstange 56 durchsetzt, der mit einem
Gewinde versehen ist, auf das eine Gewindehülse 74 geschraubt ist,
die den Federmitnehmer 70 gegen den durch den Abschnitt
mit verringertem Durchmesser ausgebildeten Absatz der Spindelstange 56 presst.
Die Spindelstange 56 ist damit axialkraft- und drehmomentübertragend
mit dem Federmitnehmer 70 verbunden.
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In
einen freien Endabschnitt der Gewindehülse 74 ist ein mit
einem passenden Gewinde versehenes Ende eines Spindelstangenfortsatzes 76 geschraubt,
dessen anderes Ende durch den Boden 12 aus dem Gehäuse 11 hervorragt,
um mit einem zu betätigenden
Stellglied verbunden werden zu können.
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Es
wird nun die Funktion des Stellantriebs 10 im Einzelnen
erläutert,
wobei von dem in 1 wiedergegebenen Zustand ausgegangen
wird, der einem Schließzustand
entspricht, in dem die als Stellelement dienende Spindelstange 56 ihre
Schließstellung
einnimmt, d. h. eine Stellung, in der ihr mit dem Spindelstangenfortsatz 76 verbundenes
Ende dem Boden 12 am nächsten
ist. Wie aus den Figuren ersichtlich ist, bedeutet der Begriff ”Schließstellung” oder ”Schließzustand” nicht
notwendigerweise, dass der Stellantrieb 10 seinen vollen
in Schließrichtung zur
Verfügung
stehenden Hub durchlaufen hat. Vielmehr wird man in der Regel anstreben,
dass beim Erreichen der Schließstellung
des zu betätigenden Stellglieds
noch eine gewisse Hubreserve besteht, damit die Schließstellung
des Stellglieds immer sicher erreicht werden kann.
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Zum Öffnen eines
mit dem Spindelstangenfortsatz 76 verbundenen Stellgliedes
(nicht gezeigt) wird der Antriebsmotor 20 dazu angesteuert,
die Abtriebswelle 30 in der Öffnungsdrehrichtung anzutreiben.
Diese Drehbewegung der Abtriebswelle 30 wird über die
Klauenkupplung auf die Spindelmutter 50 übertragen,
so dass Letztere sich zusammen mit der Abtriebswelle 30 dreht.
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Die
Drehbewegung der Spindelmutter 50 führt aufgrund des Gewindes 58 zwischen
der Spindelmutter 50 und der Spindelstange 56 zu
einer translatorischen Verlagerung der Spindelstange 56 nach
oben, d. h. in Richtung der Montageplatte 23. Entsprechend
bewegt sich der Federmitnehmer 70 mit der Spindelstange 56 unter
Komprimierung der Druckfeder 72 nach oben. Die sich nach
oben bewegende Spindelstange 56 nimmt den starr mit ihr
verbundenen Spindelstangenfortsatz 76 nach oben mit, wodurch
ein nicht gezeigtes, mit dem freien Ende des Spindelstangenfortsatzes 76 gekoppeltes
Stellglied geöffnet
wird. Der Öffnungshub
des Stellantriebs 10 ist durch den axialen Abstand von
Lagerplatte 62 und Federmitnehmer 70 einerseits
und durch den axialen Abstand zwischen dem oberen Ende der Spindelstange 56 und
dem unteren Ende der Abtriebswelle 30 andererseits begrenzt.
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Die
Wickelfeder 36 ist im Federgehäuse 38 so angeordnet
und am sich mit der Abtriebswelle 30 drehenden Mitnehmer 34 so
festgelegt, dass sie durch eine Drehung der Abtriebswelle 30 in Öffnungsdrehrichtung
zunehmend gespannt wird. Somit übt
die Wickelfeder 36 auf die Abtriebswelle 30 (und auch
auf die zur Drehung mit der Abtriebswelle 30 verbundenen
Bauteile wie erster Kupplungsring 40, zweiter Kupplungsring 44 und
Spindelmutter 50) stets ein Drehmoment in Schließdrehrichtung
aus. Die Wickelfeder 36 ist dabei so gestaltet bzw. eingebaut,
dass sie auch im weitgehend entspannten Zustand, d. h. in der Schließstellung
des Stellantriebs 10, ein Drehmoment in Schließdrehrichtung
auf die Abtriebswelle 30 ausübt.
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Soll
der Stellantrieb 10 aus seiner Öffnungsstellung wieder in die
Schließstellung überführt werden,
wird der Antriebsmotor 20 in umgekehrter Richtung angesteuert,
so dass die Abtriebswelle 30 in der Schließdrehrichtung
rotiert. Die zuvor dargestellten Vorgänge laufen dann umgekehrt ab,
d. h. die Wickelfeder 36 entspannt sich zunehmend und die Spindelstange 56 bewegt
sich wieder in die Spindelmutter 50 hinein, wodurch der
Federmitnehmer 70 sich wieder auf den Boden 12 zu
bewegt und die Druckfeder 72 sich ebenfalls entspannt,
bis die Schließstellung
erreicht ist.
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Zur
genauen Positionsüberwachung
und -regelung des Stellelements ist eine Positionsmesseinrichtung
in Gestalt eines linearen Potentiometers 78 vorhanden,
das aus einer an der Unterseite der Lagerplatte 62 befestigten
und sich axial erstreckenden Leiterbahn 80 und einem am
Federmitnehmer 70 befestigten und mit der Leiterbahn 80 zusammenwirkenden
Schleifer 82 besteht. Über
nicht dargestellte Signalleitungen ist dieses Potentiometer 78 mit
der ebenfalls nicht dargestellten Regelelektronik verbunden. Zur
Erhöhung
der Regelungsgüte
ist der Antriebsmotor 20 darüber hinaus mit einem Drehstellungsgeber
(nicht dargestellt) versehen, der beispielsweise einen oder mehrere
Halleffekt-Sensoren umfassen kann.
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Fällt die
Stromzufuhr aus, wenn der Stellantrieb 10 sich nicht in
seiner Schließstellung
befindet, kommt eine Notschließfunktion
zum Tragen, die im Folgenden beschrieben wird. Vorausgeschickt sei, dass
in jeder Offenstellung des Stellantriebs 10 sowohl die
Druckfeder 72 als auch die Wickelfeder 36 den
Stellmechanismus in Schließrichtung
vorspannen. Allerdings würde,
da die Spindel-Mutter-Anordnung 55 vom axial nicht rücktreibbaren
Typ ist, die über
den Federmitnehmer 70 auf die Spindelstange 56 wirkende,
axial zum Boden 12 gerichtete Kraft der Druckfeder 72 nicht
dazu ausreichen, eine Schließbewegung
auszulösen.
Dies gelingt erst durch das in Schließdrehrichtung auf die Abtriebswelle 30 wirkende
Drehmoment der Wickelfeder 36. Die Gesamtkraft der Druckfeder 72 und
der Wickelfeder 36 ist so gewählt, dass sie dazu ausreicht,
die Trägheit
der drehbaren Komponenten des Stellantriebs 10 (Antriebsmotor 20,
Untersetzungsgetriebe 22, Abtriebswelle 30, Mitnehmer 34,
Kupplungsringe 40, 44, Spindelmutter 50 etc.)
und die Selbsthemmung der Spindel-Mutter-Anordnung 55 zu überkommen.
Somit dreht sich bei einem Stromausfall die Abtriebswelle 30 in
Schließdrehrichtung
und es findet der zuvor im Zusammenhang mit einem ordnungsgemäßen Schließen erläuterte Bewegungsablauf
statt, der durch die den rotierenden Teilen innewohnende Trägheitskraft
gedämpft
wird.
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Erreicht
die Spindelstange 56 ihre Schließstellung, so wird das lediglich
einseitig wirkende Axiallager 60 entlastet, weil die Trägheit der
sich immer noch in Schließdrehrichtung
drehenden Bauteile dazu führt,
dass die Spindelmutter 50 sich nach oben von der Lagerplatte 62 abhebt
und etwas die Spindelstange 56 hinaufläuft. Damit die sich aufgrund
der Trägheitskräfte immer
noch in Schließdrehrichtung drehenden
Teile des Stellantriebs 10 keinen Schließruck hervorrufen
oder eine Materialüberlastung
durch abruptes Anschlagen bewirken, weist der Stellantrieb 10 eine
Friktionsbremse 84 auf, die im gezeigten Ausführungsbeispiel
aus einem kreisringförmigen Reibbelag 86,
der an der Unterseite des Federgehäuses 38 beispielsweise
durch Kleben befestigt ist, und zwei axial übereinander angeordneten Bremsringen 88, 90 besteht,
die die Kupplungsringe 40, 44 in Umfangsrichtung
umgebend mittels mehrerer Führungsbolzen 92 (von
denen in den Figuren nur einer sichtbar ist) auf der Oberseite der
Spindelmutter 50 befestigt sind. Die beiden Bremsringe 88, 90 sind
auf den Führungsbolzen 92 axial
geführt
und werden durch nicht gezeigte Federn, die zwischen den Bremsringen 88, 90 wirken,
auseinandergedrückt.
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Läuft im Rahmen
eines Notschließvorgangs des
Stellantriebs 10 die Spindelmutter 50 nach Erreichen
der Schließstellung
der Spindelstange 56 auf der Spindelstange 56 hinauf,
so kommt zunächst eine
kreisringförmige
Stirnfläche
des oberen Bremsrings 88 in Kontakt mit dem Reibbelag 86,
wodurch ein Abbremsvorgang auf sanfte Weise beginnt. Ist die Trägheitskraft
der sich drehenden Spindelmutter 50 groß genug, werden die zwischen
den Bremsringen 88, 90 befindlichen Federn durch
weiteres Hochlaufen der Spindelmutter 50 auf der Spindelstange 56 zunehmend
komprimiert, wodurch der Druck der Stirnfläche des ersten Bremsrings 88 auf
den Reibbelag 86 zunimmt, unter gleichzeitiger Verstärkung der
Abbremswirkung. Auf diese Weise ist auch bei einem Notschließvorgang,
der aus der vollständigen Offenstellung
des Stellantriebs 10 heraus erfolgt, ein das Stellglied
schonendes und die beteiligten Bauteile nicht überlastendes Schließen gewährleistet.
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Bei
einem anschließenden Öffnen des
Stellantriebs bewirkt eine Drehung der Abtriebswelle 30 in Öffnungsdrehrichtung
ein sofortiges Lösen
der Friktionsbremse 84, indem die Spindelmutter 50 und
damit die beiden Bremsringe 88, 90 auf der Spindelstange 56 wieder
nach unten gedreht werden, bis das Axiallager 60 wieder
axialkraftübertragend
wirkt. Danach erfolgt die Öffnungsbewegung
wie bereits beschrieben.