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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen Stellantrieb für Armaturen, insbesondere Industriearmaturen, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Zum Betätigen von Industriearmaturen werden pneumatische Stellantriebe eingesetzt. Diese umfassen mindestens einen Kolben, der durch die Druckluft ein Stellmittel bewegt, der die lineare Kolbenbewegung in eine Drehbewegung für eine Klappe oder dergleichen wandelt.
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Stand der Technik
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Ein Stellantrieb für eine Armatur ist beispielsweise aus der
WO 2006/037706 bekannt.
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Bekannt sind Antriebe nach dem Schwingen-Prinzip (Scotch Yoke). Hierbei sind lineare Stellelemente mit einem zweiarmigen Hebelelement verbunden. Ein Stellelement ist jeweils mit einem der beiden Enden des Hebelelementes verbunden, so dass sich das Hebelelement in Abhängigkeit einer Kolbenbewegung dreht. Das Drehmoment ist bei einem 45° Winkel niedriger als bei 0° bzw. 90°. bzw. im Zu- oder Auf-Zustand. Der Drehmomentverlauf ist somit nicht linear, was oft nicht gewünscht ist.
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Außerdem sind Stellantriebe nach dem Zahnstangen-Ritzel-Prinzip bekannt (Rack & Pinion). Zwei mit jeweils einem Kolben verbundene Ritzelelemente bewegen ein Zahnrad, so dass die lineare Kolbenbewegung in eine Drehbewegung für eine Absperrklappe oder dergleichen umgewandelt wird. Der Drehmomentverlauf ist idealer weise linear.
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Ein Stellantrieb mit einem Zahnriemen ist im Zusammenhang mit einer Messvorrichtung zur Erfassung des Absolutdrehwinkels eines rotierenden Messobjekts bzw. der
DE 102011106339 A1 bekannt.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stellantrieb nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 so zu verbessern, dass dieser eine kompakte Bauform sowie einen idealen Drehmomentverlauf aufweist. Außerdem soll dieser leicht auf verschiedene Armaturen einstellbar sein.
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Lösung und Vorteile der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch einen Stellantrieb mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Durch den erfindungsgemäßen Stellantrieb ist es möglich, bis zu vier Kolben anzuordnen, wodurch eine hohe Antriebskraft möglich ist.
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So kann der Stellantrieb für Industriearmaturen für eine pneumatische Betätigung mit jeweils zwei Kolben versehen sein, die an einer linear beweglichen Stelleinrichtung bzw. einer Antriebsstange befestigt sind und zwar an gegenüberliegenden Seiten. Durch das Bandelement, das vorzugsweise als Zahnriemen ausgeführt ist, greifen viele Zähne eines als Zahnrad ausgeführten Drehelementes. So sind im Vergleich zu Zahnstangen-Ritzellösungen sehr hohe Drehmomente möglich.
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Erfindungsgemäß umfasst die Stelleinrichtung mindestens ein Bandelement bzw. einen Zahnriemen, der durch ein mit dem Kolben verbundenes Stellmittel, z.B. einer Antriebsstange verbunden ist. Der Zahnriemen steht mit dem Zahnrad im Eingriff. Dadurch dreht bei einer Bewegung des Zahnriemens das Zahnrad mit. Damit eine lineare Bewegung überhaupt möglich ist, ist es wichtig, dass der Zahnriemen einen linearen Abschnitt aufweist. Dieser kann dann dem linear beweglichen Stellmittel bzw. der Antriebsstange verbunden werden.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass eine kompakte Bauform und ein leichtes Gewicht möglich sind.
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Durch die erfindungsgemäße Konstruktion können außerdem Stellschrauben angeordnet werden, die eine Hubbewegung begrenzen können. Dadurch ist ein sehr flexibler Einsatz des Stellantriebes möglich.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere Vorteile
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass jeder Zahnriemen über mindestens zwei Rollen, insbesondere vier Rollen, beweglich geführt ist. Dadurch ist eine geringe Reibung möglich, wodurch der Antrieb sehr leichtgängig ist. Bei vier Rollen kann eine sehr lange lineare Strecke erreicht werden, was eine sehr genaue Einstellung einer Klappe oder dergleichen erlaubt.
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Von besonderem Vorteil ist es, wenn ein erstes Rollenpaar nahe des Zahnrades angeordnet ist, so dass sich zwischen diesen ersten Rollen ein Bogenabschnitt bildet. Dieser Bogenabschnitt liegt an dem Zahnrad an und kann etwa ein Drittel des Zahnradumfanges ausmachen, was sehr vorteilhaft ist. Weiterhin ist ein zweites Rollenpaar vorhanden, das nahe dem linearen Stellmittel angeordnet ist, wobei zwischen den zweiten Rollen der Zahnriemen linear verläuft. Diese Vierpunktführung erlaubt eine weitere Reduzierung der Abmessungen und des Gewichts, weil zum Beispiel nur ein kleines Antriebsgehäuse notwendig ist.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind die ersten Rollen größer als die zweiten Rollen. Dadurch können einerseits der Zahnriemen gut greifen und andererseits die Gehäuseabmessungen weiter verringert werden. In vorteilhafter Weise können die zweiten Rollen einen größeren Abstand zueinander aufweisen als der Abstand zwischen den ersten Rollen.
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Sehr vorteilhaft ist es, wenn das Stellmittel als Stange ausgeführt ist, an der ein Verbindungselement angeordnet ist, das mit dem Zahnriemen verbunden ist. Die Stange kann leicht mit einem oder zwei gegenüberliegenden Kolben verbunden werden und kann zudem größer sein als die Gehäusebreite, wodurch diese von außen leicht zugänglich ist. Dadurch ist auch eine Justierbarkeit bzw. eine Hubbegrenzung mittels Stellschrauben möglich.
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Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Stange innerhalb eines Stellantriebgehäuses geführt ist, in dem der Zahnriemen und das Zahnrad angeordnet sind, wobei der Kolben in einem Kolbengehäuse außerhalb des Stellantriebgehäuses angeordnet ist. So können wahlweise ein bis vier Kolben je nach Bedarf eingesetzt werden.
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Stellantrieb nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stange an dem den Kolben gegenüberliegenden Ende über das Stellantriebgehäuse mit einem herausragenden Abschnitt hinausragt und der herausragende Abschnitt in einem Zylindergehäuse angeordnet ist, an dessen Stirnseite nahe dem Ende des herausragenden Abschnittes eine Stellschraube als Anschlag angeordnet ist, die die Stangenbewegung begrenzt.
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In einer anderen vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Stellantriebes ist jeder Kolben in einem Kolbengehäuse angeordnet, der an einer äußeren Stirnseite eine Stellschraube trägt, die für den Kolben als Anschlag wirkt und die Kolbenbewegung an einer Seite begrenzt. Dadurch kann der Hub von einer zweiten Seite her begrenzt werden.
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Hohe Drehmomente ergeben sind, wenn mindestens zwei, insbesondere vier Kolben vorhanden sind, um die Zahnriemen anzutreiben.
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Ausführungsbeispiel
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Ein Ausführungsbeispiel wird anhand der Zeichnungen näher erläutert, wobei weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung und Vorteile derselben beschrieben sind.
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Es zeigen:
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1 eine Darstellung eines Stellantriebes mit einer Armatur,
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2 eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Stellantriebes,
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3 eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Stellantriebes,
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4a ein Drehmomentverlauf eines Kugelhahns,
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4b ein Drehmomentverlauf einer Absperrklappe,
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4c ein Drehmomentverlauf eines Kükenhahns, UND
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5 ein Drehmomentverlauf des erfindungsgemäßen Stellantriebes.
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1 zeigt das Prinzip eines Stellantriebes 1 für eine Armatur, insbesondere für eine Industriearmatur 2. Der Stellantrieb 1 ist für eine pneumatische Betätigung mit mindestens einem Kolben vorgesehen. Beispielsweise können, wie 2 zeigt, zwei Kolben 3, 4 vorgesehen sein, die vorzugsweise außerhalb eines Stellantriebgehäuses 5 angeordnet sind. In der Ausführung gemäß 1 wären der oder die Kolben innerhalb des Stellantriebgehäuses 5 angeordnet. Der Kolben ist mit einer linear beweglichen Stelleinrichtung 6 befestigt. Der Stellantrieb 1 weist außerdem ein als Zahnrad 8 ausgeführtes Drehelement 7 auf, das in 2 innerhalb des Gehäuses 5 und in 3 von außen zu sehen ist. Das Drehelement 2 ist mit der Armatur verbindbar bzw. ist mit dieser verbunden, wie 1 zeigt. Der Stellantrieb 1 ist so ausgeführt, dass das Zahnrad 8 und somit eine Absperrklappe 9 durch die Kolbenbewegung bzw. durch die Kolbenbewegungen in eine Drehbewegung versetzt wird. Durch die Drehbewegung sind eine Auf-Stellung und eine Zu-Stellung möglich. Eine Luftzufuhr oder die Zufuhr eines Gases oder Fluids kann somit gesteuert werden. Das heißt, die Stelleinrichtung 6 wirkt auf das Drehelement bzw. das Zahnrad 7, 8 so ein, dass durch die lineare Kolbenbewegung das Drehelement 7 von einer Öffnungsstellung in eine Schließstellung der Armatur 1 und umgekehrt verdreht wird.
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Erfindungsgemäß umfasst die Stelleinrichtung mindestens ein Bandelement 14 bzw. einen Zahnriemen. Vorzugsweise sind zwei Zahnriemen 10, 11 vorhanden. Jeder Zahnriemen 10, 11 ist durch ein mit den Kolben 3a verbundenes Stellmittel verbunden und zwar jeweils mit einer Stange 6a, 6b verbunden. Jeder Zahnriemen 10, 11 steht mit dem Zahnrad in Eingriff. Bei einer Bewegung des Zahnriemens 10 oder 11 dreht sich das Zahnrad 8. Der Zahnriemen 10 bzw. weist einen linearen Abschnitt auf, der mit dem linear beweglichen Stellmittel 13 verbunden ist.
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Die 1 bis 3 zeigen also einen Stellantrieb 1 für Armaturen, insbesondere für Industriearmaturen 2, für eine pneumatische Betätigung mit mindestens einem Kolben 3a, 3b, an dem eine linear bewegliche Stelleinrichtung 6 befestigt ist, und mit einem als Zahnrad 8 ausgeführtes Drehelement, das mit der Armatur 2 verbindbar ist und durch die Kolbenbewegung in eine Drehbewegung versetzt wird, wobei die Stelleinrichtung 6 auf das Drehelement 7 so einwirkt, dass die lineare Kolbenbewegung das Drehelement 7 von einer Öffnungsstellung in eine Schließstellung der Armatur 2 und umgekehrt verdreht.
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Die Stelleinrichtung 6 umfasst, wie die 1 bis 3 zeigen, mindestens einen Zahnriemen 10, 11, der durch ein mit dem Kolben 3a, 3b verbundenes Stellmittel 13 verbunden ist, wobei die Zahnriemen 10, 11 mit dem Zahnrad in Eingriff stehen, so dass bei einer Bewegung der Zahnriemen 10, 11 sich das Zahnrad 8 dreht, und wobei die Zahnriemen 10, 11 einen linearen Abschnitt 12 aufweisen, die mit dem entsprechenden linear beweglichen Stellmittel 13 verbunden ist.
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1 zeigt, dass eine Anzeigevorrichtung 27 mit einem Anzeigeelement 28 verwendet werden kann. Das Anzeigeelement 28 umfasst einen Zeiger zum Anzeigen der Stellung „Auf“ oder „Zu“ der Armatur 2.
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Wie 2 veranschaulicht, wird jeder Zahnriemen 10, 11 über Rollen 15 bis 18 gelenkt, so dass jeder Zahnriemen über mindestens zwei Rollen, insbesondere den vier Rollen 15 bis 18, beweglich geführt ist.
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Weiterhin ist in 2 gezeigt, dass ein erstes Rollenpaar mit den Rollen 15, nahe des Zahnrades 8, angeordnet ist. Dadurch bildet sich zwischen diesen ersten Rollen 15, 16 ein Bogenabschnitt 29 am Zahnriemen 10 bzw. 11. Der Bogenabschnitt 19 liegt an dem Zahnrad 8 an, wie 2 weiterhin zeigt. Ein zweites Rollenpaar mit den Rollen 17, 18 sorgt für einen idealen Zahnriemenverlauf. Dieses Rollenpaar mit den Rollen 17, 18 ist nahe dem linearen Stellmittel 13 angeordnet. Zwischen den zweiten Rollen 17, 18 verläuft der Zahnriemen linear.
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Die ersten Rollen 15, 16 sind größer als die zweiten Rollen 17, 18. Außerdem weisen die zweiten Rollen 17, 18 einen größeren Abstand zueinander auf als der Abstand zwischen den ersten Rollen 15, 16.
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In 2 ist zu sehen, dass das Stellmittel 13 als Stange 19 ausgeführt ist, an der ein Verbindungselement 20 angeordnet ist. Dieses Element 20 ist mit dem Zahnriemen 8 verbunden.
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Die Stange 19 wird innerhalb des Stellantriebgehäuses 5 geführt. In dem Gehäuse 5 sind die Zahnriemen 10, 11 und die Zahnräder 8 angeordnet, wie 2 zeigt. Insgesamt zwei Kolben 3a, 3b sind in einem Kolbengehäuse 21 außerhalb des Stellantriebgehäuses 5 angeordnet, wie auch in 3 zu sehen ist. Die Kolbengehäuse 21 sind gegenüberliegend am Stellantriebsgehäuse 5 angeordnet und zwar diagonal. Insgesamt können bis zu vier Kolben 3 montiert werden, und zwar mit jeweils einem Kolben 3 an jedem Ende 22, 23 der entsprechenden Stange 19.
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Wie in 2 veranschaulicht ist, ragt die Stange 19 an dem den Kolben 3 gegenüberliegenden Ende über das Stellantriebsgehäuse 5 mit einem herausragenden Abschnitt 24 hinaus. Dieser herausragende Abschnitt 24 ist in dem Zylinder- bzw. Kolbengehäuse 3 angeordnet. An der Stirnseite des Zylindergehäuses und zwar nahe dem Ende des herausragenden Abschnittes 24 ist eine erste Stellschraube 25 als Anschlag angeordnet. Diese Stellschraube 25 begrenzt die Stangenbewegung und somit den Kolbenhub. Außerdem ist jeder Kolben 3 in dem Kolbengehäuse 21 angeordnet, wobei das Gehäuse 21 an einer äußeren Stirnseite 26 eine weitere Stellschraube 30 trägt, die für den Kolben 3 als Anschlag wirkt und die Kolbenbewegung an der anderen Seite begrenzt. Der Kolbenhub ist beidseitig einstellbar, so dass quasi sowohl eine Bewegung nach oben und nach unten bzw. nach rechts und nach links begrenzt wird.
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Bei der in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsform sind zwei Kolben 3 vorhanden. Wie bereits erwähnt, können auch vier Kolben 3 beide Zahnriemen 10, 11 antreiben.
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Die 4a bis 4c Kennlinien bzw. Drehmomentverläufe typischer Armaturen, die an die Stelleinrichtung 1 angeschlossen werden können, wie beispielsweise eines Kugelhahns, wie 4a zeigt, einer Absperrklappe, wie 4b, und eines Kükenhahns, wie 4c zeigt.
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In 5 ist der idealisierte Drehmomentverlauf des Stellantriebes gezeigt. Dieser ist linear.
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Der Zahnriemen besteht vorzugsweise aus einem flexiblen Kunststoffmaterial oder aus einem Gummimaterial.
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Ein Zahnriemen im Sinne dieser Erfindung ist jedes biegbare Teil, ohne Anfang und Ende, an dem Zähne angeordnet sind. Daher können auch kettenartige Lösungen nach dem Vorbild einer Fahrradkette als Bandelement 14 eingesetzt werden.
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Die Erfindung ist nicht auf diese Beispiele beschränkt. So kann also anstelle des Zahnriemens eine Kette oder ein vergleichbares Element eingesetzt werden. Als Zahnrad kann jedes Element mit einem nicht glatten Umfang gesehen werden. Als Zahn kann eine Noppe oder ein beliebiger Steg oder Erhebung betrachtet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stellantrieb
- 2
- Industriearmatur
- 3
- Kolben
- 4
- Kolben
- 5
- Stellantriebgehäuse
- 6
- Stelleinrichtung
- 7
- Drehelement
- 8
- Zahnrad
- 9
- Absperrklappe
- 10
- Zahnriemen
- 11
- Zahnriemen
- 12
- Abschnitt
- 13
- Stellmittel
- 14
- Bandelement
- 15
- Rolle
- 16
- Rolle
- 17
- Rolle
- 18
- Rolle
- 19
- Stange
- 20
- Element
- 21
- Kolbengehäuse
- 22
- Ende
- 23
- Ende
- 24
- Abschnitt
- 25
- Stellschraube
- 26
- Stirnseite
- 27
- Anzeigevorrichtung
- 28
- Anzeigeelement
- 29
- Bogenabschnitt
- 30
- Stellschraube
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2006/037706 [0003]
- DE 3019341 A [0005]
- DE 102011106339 A1 [0007]
