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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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Aus der
WO 01/86370 A1 ist ein gattungsgemäßer Stellantrieb für einen Ventilschieber bekannt, bei dem eine der Spindel-Mutter-Anordnung zugehörige Drehhülse mit einer Wickelfeder in Wirkverbindung steht, die im Normalbetrieb eine Drehung der Drehhülse in Schließrichtung des Stellantriebs verhindert. Um eine Notschließfunktion ausführen zu können, ist der Wickelfeder eine Notlöseeinrichtung zugeordnet, die im Notschließfall die Wickelfeder von der Drehhülse soweit entkoppelt, dass letztere sich in Schließrichtung drehen kann, wenn die Spindel der Spindel-Mutter-Anordnung von einer unmittelbar auf den Ventilschieber wirkenden Rückstellfeder in Schließrichtung zurückgetrieben wird.
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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 Antriebsstrang 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 ”Schließdrehrichtung” 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.
