DE102013005127B4

DE102013005127B4 - Verstellvorrichtung

Info

Publication number: DE102013005127B4
Application number: DE102013005127.4A
Authority: DE
Inventors: Michael Eusemann
Original assignee: BUKO Solutions GmbH
Current assignee: BUKO Solutions GmbH
Priority date: 2013-03-26
Filing date: 2013-03-26
Publication date: 2017-10-19
Anticipated expiration: 2033-03-27
Also published as: DE102013005127A1

Abstract

Verstellvorrichtung mit einer mit einem Motor (1) gekoppelten, reversiblen Pumpe (2), welche mittels eines, eine Flüssigkeit fördernden Leitungssystems (3) mit einem Aktor (4) gekoppelt ist, der Aktor (4) ein Gehäuse (10) mit einer die Flüssigkeit aufnehmenden ersten Kammer (8) und einer die Flüssigkeit aufnehmenden zweiten Kammer (9) umfasst, wobei die Pumpe (2) in das Leitungssystem (3) integriert ist und das Leitungssystem (3) in beide Kammern (8, 9) mündet, wobei der Motor (1) der Pumpe (2) schaltungs- und signaltechnisch mit einer Steuerungseinrichtung (12) gekoppelt ist, der Aktor (4) einen die Kammern (8, 9) trennenden und innerhalb des Gehäuses (10) bewegbaren Kolben (6) aufweist und der Aktor (4) mit wenigstens einem außerhalb des Gehäuses (10) angeordneten Stellelement (5) in Wirkverbindung ist, dadurch gekennzeichnet, dass die reversible Pumpe (2) eine selbstsperrende, hydrostatische Pumpe (2) ist und das Fördervolumen der Pumpe (2) und der Stellweg des Aktors (4) oder des zugehörigen Stellelementes (5) proportional zueinander sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verstellvorrichtung nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1.
Eine Verstellvorrichtung dieser Art ist aus EP 0081703 B1 als elektrohydraulischer Stellantrieb bekannt. Es soll ein Stellantrieb geschaffen werden, der unmittelbar zum Betätigen eines Ventils geeignet ist und mit dessen Hilfe mittels einer Drehzahländerung eines Elektromotors das Ventil feinfühlig einstellbar ist. Hierzu ist der Elektromotor mit einer reversiblen Pumpe gekoppelt, die ein Druckmittel über jeweils eine von zwei Druckleitungen zu einem doppeltwirkenden Verstellorgan fördert. An die Druckleitungen ist ein verstellbares Drosselmittel angeschlossen zwecks Herstellung einer Verbindung zu einem Raum niedrigen Drucks. Das Verstellorgan ist als Wegeventil ausgebildet, dessen Steuerschieber beidseitig von Zentrierfedern belastet ist. Der Steuerschieber umfasst eine mittig angeordnete Ringnut durch welche ein Verbraucheranschluss realisierbar ist. An jedem von der Pumpe beaufschlagten Raum des Wegeventils ist eine Drossel angeschlossen, die zu einem Raum niedrigeren Drucks eine Verbindung hat. Dabei sind die Drosseln gekoppelt und gegensinnig verstellbar. In einer weiteren Ausbildung können die Pumpe und das Wegeventil bzw. der Steuerschieber im geschlossenen Kreislauf arbeiten, wobei der Steuerschieber wiederum die mittig angeordnete Ringnut umfasst durch welche ein Verbraucheranschluss realisierbar ist. Bei Bedarf kann an jedem von der Pumpe beaufschlagten Raum des Wegeventils eine Drossel angeschlossen sein, die wiederum zu dem Raum niedrigeren Drucks eine Verbindung hat.
US 6 126 401 A offenbart eine Verstellvorrichtung mit einer mit einem Motor gekoppelten Pumpe, welche mittels eines, eine Flüssigkeit fördernden Leitungssystems mit einem Aktor gekoppelt ist und der Aktor ein Gehäuse mit einer die Flüssigkeit aufnehmenden ersten Kammer und einer die Flüssigkeit aufnehmenden zweiten Kammer umfasst.
Dabei ist die Pumpe in das Leitungssystem integriert und mündet in beide Kammern, wobei der Motor der Pumpe schaltungs- und signaltechnisch mit einer Steuerungseinrichtung gekoppelt ist, der Aktor einen die Kammern trennenden und innerhalb des Gehäuses bewegbaren Kolben aufweist und der Aktor mit wenigstens einem außerhalb des Gehäuses angeordneten Stellelement in Wirkverbindung ist.
DE 198 01 338 C1 beschreibt eine Vorrichtung zur gedämpften Positionierung eines in einem Zylinder verschiebbaren Kolbens an wenigstens einem Festanschlag. Unter Verwendung einer magnetischen Kopplung soll eine verbesserte Abbremsregelung geschaffen werden.
DE 43 28 906 A1 zeigt einen hydrostatischen Aktuator mit einem doppelt wirkenden hydraulischen Stellglied auf, dessen Kammern mit einer umsteuerbaren Verstellpumpe mit veränderbarem Fördervolumen beschickt werden, wobei die Pumpe von einem Motor mit konstanter Drehzahl angetrieben wird. Dabei ist eine weitere Konstantpumpe mit gleichbleibendem Fördervolumen der Verstellpumpe parallel geschaltet und mit den Kammern des hydraulischen Stellglieds verbunden, welche ständig einen bestimmten Volumenstrom von einer der Kammern in die andere Kammer fördert, so dass die Verstellpumpe für eine Ruhestellung des Stellglieds diesen Volumenstrom kompensieren muss
DE 93 20 601 U1 offenbart einen fluidisch betätigbaren Drehantrieb mit einem Gehäuse, in dem ein Schwenkkolben angeordnet ist, der mittels eines fluidischen Druckmediums zu einer hin- und hergehenden Schwenkbewegung um eine Schwenkachse antreibbar ist und der mit einer Antriebswelle in Antriebsverbindung steht, die den Abgriff einer von der Schwenkbewegung abgeleiteten Drehbewegung ermöglicht. Dabei erfolgt die Antriebsverbindung zwischen dem Schwenkkolben und der Antriebswelle mittels einer Freilaufkupplung.
Aus DE 42 20 333 A1 ist ein Verfahren zum Bestimmen des jeweiligen Kolbenweges eines Kolbens in einem hydraulischen Arbeitszylinder bekannt, wobei der Kolbenweg durch Messung des in den Arbeitszylinder strömenden Druckmittelvolumens ermittelt wird. Weiterhin ist eine Vorrichtung zur Bestimmung des jeweiligen Kolbenweges in einem hydraulischen Arbeitszylinder offenbart, wobei eine in einer Zuflußleitung für das Druckmittel angeordnete Drosselblende, je eine Druckmesseinrichtung beiderseits der Drosselblende und eine mit den Druckmesseinrichtungen verbundene Recheneinrichtung zur Berechnung des Druckmittel-Volumenstromes pro Zeiteinheit und zur Berechnung des Kolbenweges durch zeitliche Integration des Volumenstromes vorgesehen sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde eine Verstellvorrichtung eingangs genannter Art zu schaffen, welche einfachen Aufbau aufweist und einen sicheren Verstellbetrieb gestattet.
Die Aufgabe wird durch die Ausbildungsmerkmale des unabhängigen Anspruches 1 gelöst. Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Ein erster Vorteil der Verstellvorrichtung ist darin begründet, dass diese einen geschlossenes Strömungssystem (Druckmittelsystem) für eine Flüssigkeit als Druckmittel umfasst und einen einfachen Aufbau aufweist. Als Flüssigkeiten eignen sich je nach Anwendung beispielsweise eine Hydraulikflüssigkeit oder Wasser. Bedingt durch die konstruktive Ausbildung des geschlossenen Strömungssystems ist die Verstellvorrichtung ebenso in Bereichen mit besonderen Anforderungen, wie beispielsweise Bereichen hoher Ex-Schutzklasse und/oder Bereichen hoher hygienischer Anforderungen (z. B. in der Lebensmitteltechnik) und/oder in sogenannten Reinräumen (Clean-Rooms), z. B. in der Medizin bzw. der Halbleitertechnik, einsetzbar.
Als zweiter Vorteil kann genannt werden, dass die Verstellvorrichtung neben der Funktion des Verstellens ebenso eine prozessstabile Positionierung des jeweiligen Stellelements gestattet. Hierzu ist in das geschlossene Strömungssystem eine reversible, selbstsperrende, hydrostatische Pumpe integriert, welche mit einem Motor, insbesondere ein Servomotor, in Wirkverbindung ist. Der Motor ist mit einer Steuereinrichtung gekoppelt und kann mittels der Pumpe und einem Aktor auf wenigstens ein Stellelement wirken, derart, dass das Stellelement bei Bedarf verstellt und anschließend positioniert wird. Ist das Stellelement positioniert kann der Motor bzw. die Pumpe stillgesetzt werden und das jeweilige Stellelement verbleibt in seiner vorgegebenen Position.
Ein dritter Vorteil ergibt sich dadurch, dass das Fördervolumen der Pumpe und der Stellweg des Aktors bzw. des zugehörigen Stellelementes proportional zueinander sind. Das ermöglicht die Position des Aktors bzw. des Stellelements aus dem Fördervolumen der Pumpe zu bestimmen. Dies kann mittels der Steuereinrichtung erfolgen. In vorteilhafter Weise können somit Sensoren und/oder elektrische Leitungen und/oder sonstige Erfassungssysteme entfallen.
Ein vierter Vorteil besteht darin, dass die vorgeschlagene Lösung sehr kompakte, kräftige elektronisch gesteuerte Aktoren einfacher Bauart ermöglicht und dass die Vorteile hydraulischer Systeme mit den Möglichkeiten elektronischer Steuerungstechnik verbunden sind.
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Dabei zeigen schematisch:
1 eine Verstellvorrichtung mit einem axial wirkenden Aktor,
2 eine weitere Ausbildung gemäß 1,
3 eine Verstellvorrichtung mit einem radial wirkenden Aktor.
Eine Verstellvorrichtung umfasst eine mit einem Motor 1, vorzugsweise einem Elektromotor, gekoppelte, reversible und bevorzugt selbstsperrende, hydrostatische Pumpe 2, welche mittels eines, eine Flüssigkeit (Druckmittel) fördernden Leitungssystems 3 mit einem Aktor 4 gekoppelt ist. Der Aktor 4 umfasst ein Gehäuse 10 mit einer die Flüssigkeit aufnehmenden ersten Kammer 8 und einer die Flüssigkeit aufnehmenden zweiten Kammer 9. Die Pumpe 2 ist in das Leitungssystem 3 integriert und das Leitungssystem 3 mündet jeweils in beide Kammern 8, 9 ein. Die Pumpe 2 ist schaltungstechnisch und signaltechnisch mit einer Steuerungseinrichtung 12 gekoppelt. Der Aktor 4 weist einen die Kammern 8, 9 trennenden und innerhalb des Gehäuses 10 bewegbaren Kolben 6 auf. Dabei ist der Aktor 4 mit wenigstens einem außerhalb des Gehäuses 10 angeordneten Stellelement 5 in Wirkverbindung. Das jeweilige Stellelement 5 ist das zu verstellende Element eines Verbrauchers und kann beispielsweise ein mechanischer Anschlag, eine Führung, eine Lüftungsklappe oder Ventilsteuerung etc. sein. Eine derartige Verstellvorrichtung ist somit Druckmittel betrieben.
Der Kolben 6 des Aktors 4 ist innerhalb des Gehäuses 10 axial entlang einer Achse 14 bewegbar und stellt somit ein lineares Wirksystem dar. Jedes Stellelement 5 ist mit dem Kolben 6 mittels je einer Kolbenstange 7 formschlüssig verbunden. Dabei ist jede Kolbenstange 7 aus dem Gehäuse 10 geführt und das Gehäuse 10 weist entsprechend abdichtende Öffnungen auf. Bevorzugt weist der Kolben 6 einen nutförmigen Einstich auf zwecks Aufnahme eines ersten Dichtungselements 11. Das Dichtungselement 11, beispielsweise ein O-Ring oder ein Quadring, dichtet somit zusätzlich zum Kolben 6 die beiden, die Flüssigkeit aufnehmenden Kammern 8, 9 ab. Der Kolben 6 kann ausschließlich mit einer Kolbenstange 7 und einem Stellelement 5 verbunden sein.
In 1 ist gezeigt, dass der Kolben 6 beidseitig je eine Kolbenstange 7 aufweisen kann und somit zwei Stellelemente 5 gleichzeitig verstellbar sind.
In einer weiteren Ausbildung eines linearen Wirksystems ist der Kolben 6 axial entlang einer Achse 14 bewegbar und zumindest ein bzw. jedes Stellelement 5 ist mit dem Kolben 6 mittels eines Magnetfelds kraftschlüssig verbunden, wobei das Gehäuse 10 ein nichtmagnetisches Material aufweist. Bevorzugt weist der Kolben 6 wiederum einen nutförmigen Einstich auf zwecks Aufnahme eines ersten Dichtungselements 11. Das zu verstellende Stellelement 5 kann hierzu mit einer Lagerung oder Führung in Wirkverbindung sein.
In einer Weiterbildung ist der Kolben 6 als rotativ bewegbarer Flügel 16 ausgebildet und stellt somit ein radiales Wirksystem dar. Innerhalb des Gehäuses 10 ist der Flügel 16 radial an einer um eine Achse 14 drehbaren Welle 15 angeordnet. Am freien Ende des Flügels 16 kann ein zweites Dichtungselement 17 angeordnet sein, welches in Richtung der Innenwand des Gehäuses 10 wirkt. Das Gehäuse 10 umfasst weiterhin einen ortsfest daran angeordneten Steg 18, der sich radial in Richtung der Welle 15 erstreckt. Bei Bedarf kann am freien Ende des Stegs 18 ein drittes Dichtungselement 19 angeordnet sein, welches in Richtung der Welle 15 wirkt. Der rotativ bewegbare Flügel 16 und der ortsfeste Steg 18 trennen die die Flüssigkeit aufnehmenden Kammern 8, 9. Unter Berücksichtigung des ortsfesten Steges 18 sowie der Anordnung der Einspeisungen des Leitungssystems 3 in die jeweilige Kammer 8, 9 ist der rotativ bewegbare Flügel 16 in einem definierten Bereich (kleiner 360°) schwenkbar.
Jedes Stellelement 5 ist formschlüssig mit der Welle 15 verbunden und die Welle 15 ist aus dem Gehäuse 10 geführt, wobei das Gehäuse 10 abdichtende Öffnungen aufweist. Endseitig kann an der Welle 15 wenigstens ein Stellelement 5 angeordnet sein. Alternativ kann jedes Stellelement 5 mit der Welle 15 und/oder dem Flügel 16 mittels eines Magnetfelds kraftschlüssig verbunden sein. Dabei weist das Gehäuse 10 ein nichtmagnetisches Material auf.
Beiden Wirkungssystemen gemeinsam ist, dass das Fördervolumen der Pumpe 2 und der Stellweg des Aktors 4 bzw. des zugehörigen Stellelementes 5 proportional zueinander sind. Das ermöglicht, dass die Position des Aktors 4 bzw. des Stellelements 5 aus dem Fördervolumen der Pumpe 2 bestimmbar ist. Dies kann mittels der Steuereinrichtung erfolgen.
Die Wirkungsweise ist wie folgt beim linearen Wirksystem: Im Leitungssystem 3 und in den Kammern 8, 9 ist die Flüssigkeit als Druckmittel aufgenommen. Bei Ansteuerung der Pumpe 2 über den Motor 1 fördert die Pumpe 2 die Flüssigkeit über das Leitungssystem 3 in eine der Kammern 8, 9, im vorliegenden Fall beispielsweise in die zweite Kammer 9 (Druckseite). Dabei wird aus der ersten Kammer 8 Flüssigkeit reduziert (Saugseite) und in Folge der der Kammer 9 zugeführten Flüssigkeit wirkt diese als Kraft auf den Kolben 6, so dass der Kolben 6 in axialer Richtung (entlang der Achse 14) bewegbar ist und formschlüssig oder kraftschlüssig wird das Stellelement 5 verstellt. Ist der Kolben 6 an der vorgesehen Position angekommen, wird dieser positioniert und somit auch das Stellelement 5. Hierzu sperrt die Pumpe 2 bzw. wird die Pumpe 2 seitens der Steuerungseinrichtung 12 stillgesetzt. Beispielsweise indem der Motor 1 stromlos geschaltet wird. Durch die selbstsperrende Bauart der Pumpe 2 sind die Flüssigkeitsvolumina in den Kammern 8, 9 eingeschlossen und damit sind die Position des Kolbens 6, der Kolbenstange 7 und des damit verbundenen Stellelements 5 fixiert.
Soll der Kolben 6 in entgegen gesetzter Richtung axial bewegt werden, so wird die reversible Pumpe 2 hinsichtlich der Förderrichtung umgestellt und die Flüssigkeit wird im vorliegenden Fall beispielsweise in die erste Kammer 8 (Druckseite) gefördert. Dabei wird aus der zweiten Kammer 9 Flüssigkeit reduziert (Saugseite) und in Folge der der Kammer 8 zugeführten Flüssigkeit wirkt diese als Kraft auf den Kolben 6, so dass der Kolben 6 in axialer Richtung (entlang der Achse 14) entgegen gesetzt bewegbar ist. Ist der Kolben 6 an der vorgesehen Position angekommen, wird dieser wiederum positioniert.
Die Wirkungsweise ist wie folgt beim radialen Wirksystem: Im Leitungssystem 3 und in den Kammern 8, 9 ist die Flüssigkeit als Druckmittel aufgenommen. Bei Ansteuerung der Pumpe 2 über den Motor 1 fördert die Pumpe 2 die Flüssigkeit über das Leitungssystem 3 in eine der Kammern 8, 9, im vorliegenden Fall beispielsweise in die zweite Kammer 9 (Druckseite). Dabei wird aus der ersten Kammer 8 Flüssigkeit reduziert (Saugseite) und in Folge der der Kammer 9 zugeführten Flüssigkeit wirkt diese als Kraft auf den Flügel 16 des Kolben 6, so dass der mit der Welle 15 fest verbundene Flügel 16 um die Achse 14 schwenkt (im vorgegebenen Winkelbereich) und formschlüssig oder kraftschlüssig das jeweilige Stellelement 5 verstellt wird. Ist der Flügel 16 und somit auch das Stellelement 5 an der vorgesehen Position angekommen, wird die Pumpe seitens der Steuereinrichtung 12 stillgesetzt. Durch die selbstsperrende Bauart der Pumpe 2 sind die Flüssigkeitsvolumina in den Kammern 8, 9 eingeschlossen und damit die Position des Flügels 16, der Welle 15 und des jeweiligen, damit verbundenen Stellelements 5 fixiert.
Soll der Flügel 16 in entgegen gesetzter Richtung radial bewegt bzw. verschwenkt werden, so wird die reversible Pumpe 2 hinsichtlich der Förderrichtung umgestellt und die Flüssigkeit wird im vorliegenden Fall beispielsweise in die erste Kammer 8 (Druckseite) gefördert. Dabei wird aus der zweiten Kammer 9 Flüssigkeit reduziert (Saugseite) und in Folge der der Kammer 8 zugeführten Flüssigkeit wirkt diese als Kraft auf den Flügel 16, so dass der mit der Welle 15 fest verbundene Flügel 16 um die Achse 14 in einem definierten Winkelbereich schwenkt und formschlüssig oder kraftschlüssig das Stellelement 5 verstellt wird.
Bezugszeichenliste

1: Motor
2: Pumpe
3: Leitungssystem
4: Aktor
5: Stellelement
6: Kolben
7: Kolbenstange
8: erste Kammer
9: zweite Kammer
10: Gehäuse
11: erstes Dichtungselement
12: Steuerungseinrichtung
13: Magnetfeld
14: Achse
15: Welle
16: Flügel
17: zweites Dichtungselement
18: ortsfester Steg
19: drittes Dichtungselement

Claims

Verstellvorrichtung mit einer mit einem Motor (1) gekoppelten, reversiblen Pumpe (2), welche mittels eines, eine Flüssigkeit fördernden Leitungssystems (3) mit einem Aktor (4) gekoppelt ist, der Aktor (4) ein Gehäuse (10) mit einer die Flüssigkeit aufnehmenden ersten Kammer (8) und einer die Flüssigkeit aufnehmenden zweiten Kammer (9) umfasst, wobei die Pumpe (2) in das Leitungssystem (3) integriert ist und das Leitungssystem (3) in beide Kammern (8, 9) mündet, wobei der Motor (1) der Pumpe (2) schaltungs- und signaltechnisch mit einer Steuerungseinrichtung (12) gekoppelt ist, der Aktor (4) einen die Kammern (8, 9) trennenden und innerhalb des Gehäuses (10) bewegbaren Kolben (6) aufweist und der Aktor (4) mit wenigstens einem außerhalb des Gehäuses (10) angeordneten Stellelement (5) in Wirkverbindung ist, dadurch gekennzeichnet, dass die reversible Pumpe (2) eine selbstsperrende, hydrostatische Pumpe (2) ist und das Fördervolumen der Pumpe (2) und der Stellweg des Aktors (4) oder des zugehörigen Stellelementes (5) proportional zueinander sind.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (6) axial entlang einer Achse (14) bewegbar ist, jedes Stellelement (5) mit dem Kolben (6) mittels je einer Kolbenstange (7) formschlüssig verbunden und die Kolbenstange (7) aus dem Gehäuse (10) geführt ist.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (6) axial entlang einer Achse (14) bewegbar ist und jedes Stellelement (5) mit dem Kolben (6) mittels eines Magnetfelds kraftschlüssig verbunden ist, wobei das Gehäuse (10) ein nichtmagnetisches Material aufweist.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (6) einen rotativ bewegbaren Flügel (16) umfasst, der Flügel (16) radial an einer um eine Achse (14) drehbaren Welle (15) angeordnet ist, dass das Gehäuse (10) einen ortsfest angeordneten Steg (18) umfasst, der sich radial in Richtung der Welle 15 erstreckt, und dass innerhalb des Gehäuses (10) der Flügel (16) und Steg (18) die Kammern (8, 9) trennen.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Stellelement (5) formschlüssig mit der Welle (15) verbunden aus dem Gehäuse (10) geführt ist.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Stellelement (5) mit der Welle (15) oder dem Flügel (16) mittels eines Magnetfelds kraftschlüssig verbunden ist, wobei das Gehäuse (10) ein nichtmagnetisches Material aufweist.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Aktors (4) oder des Stellelements (5) aus dem Fördervolumen der Pumpe (2) bestimmbar ist.