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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Drehstellglied mit zwei
Zahnstangen und Ritzel, das mit Hilfe von Luftdruck eine Rotationskraft
erzeugt.
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Bei
herkömmlichen
Drehstellgliedern dieser Art mit zwei Zahnstangen und Ritzel sind
Zahnstangen, die an ihren beiden Enden jeweils Kolben aufweisen,
gleitend in zwei Zylinderöffnungen
eines Körpers
aufgenommen und kämmen
jeweils mit einem Ritzel. Die Zahnstangen werden durch abwechselndes
Aufbringen von Luftdruck auf Druckkammern, die an beiden Seiten
jeder Zahnstange angeordnet sind, in hin und her gehender Weise
synchron zueinander in einander entgegengesetzten Richtungen angetrieben,
sodass das Ritzel und eine daran befestigte Hauptwelle hin und her
gedreht werden.
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Da
die für
den Antrieb verwendete Luft kompressibel ist, neigt ein solches
Drehstellglied zu Schwankungen der Antriebsgeschwindigkeiten der Zahnstangen
und der Hauptwelle. Insbesondere, wenn die Zahnstangen durch Niederdruckluft
mit geringer Geschwindigkeit angetrieben werden, besteht die Gefahr,
dass die Gleitgeschwindigkeit der Zahnstangen und damit die Rotationsgeschwindigkeit
der Hauptwelle durch Lastschwankungen, Änderungen des Gleitwiderstandes
oder dgl. beeinflusst werden. Daher besteht das Problem, dass die
Hauptwelle nicht stabil mit konstanter Geschwindigkeit hin und her
gedreht (geschwenkt) werden kann.
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Aus
der
DE 195 32 457
C2 ist eine Schwenkeinrichtung mit pneumatisch betätigten Zahnstangen
bekannt, bei welcher in zwei miteinander über eine Drossel verbundenen
Zylinderkammern ein Hydraulikfluid aufgenommen ist. Dieses Fluid
kann jedoch bei einer Betätigung
der bekannten Schwenkeinrichtung in einen Ausgleichszylinder strömen, so dass
eine stabile Einstellung der Geschwindigkeit der Zahnstangen nur
schwer möglich
ist.
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Beschreibung
der Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist daher die Vermeidung der oben genannten Nachteile
und die Schaffung eines Drehstellgliedes mit zwei Zahnstangen und
Ritzel, das durch die Kompressibilität von Luft nicht beeinflusst
wird und bei dem die Zahnstangen auch bei geringer Geschwindigkeit
stabil betätigt werden
können.
Ferner soll die Geschwindigkeit der Hauptwelle beliebig einstellbar
sein.
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Diese
Aufgabe wird mit der Erfindung im Wesentlichen durch die Merkmale
des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß ist ein
Drehstellglied so aufgebaut, dass erste und zweite Druckkammern
jeweils an beiden Seiten erster und zweiter Zahnstangen ausgebildet
sind, dass eine inkompressible Flüssigkeit in die zweiten Druckkammern,
die während des
Antriebs der Zahnstangen an der Seite des Gegendruckes angeordnet
sind, eingefüllt
ist, und dass die zweiten Druckkammem beider Zahnstangen miteinander über eine
Drossel in Verbindung stehen.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Drehstellglied werden
die beiden Zahnstangen synchron in einander entgegengesetzten Richtungen
hin und her bewegt, indem Druckluft abwechselnd den ersten Druckkammern
der Zahnstangen zugeführt
wird, sodass ein Ritzel, das mit den beiden Zahnstangen kämmt, und
eine Hauptwelle hin und her gedreht werden. Hierbei fließen die
Flüssigkeiten
in den zweiten Druckkammern beider Zahnstangen abwechselnd zu der
Seite der ersten Zahnstange und der zweiten Zahnstange, wobei die
Durchflussraten über
die Drossel begrenzt werden. Durch Einstellen der Öffnung der
Drossel, um die Durchflussrate zu erreichen, die zur Bewegung der
Zahnstangen mit niedriger Geschwindigkeit notwendig ist, können daher
die Antriebsgeschwindigkeiten der Zahnstangen und dadurch die schwingende
Drehgeschwindigkeit des Ritzels und der Hauptwelle bei einer konstanten
niedrigen Geschwindigkeit gehalten und ein stabiler Betrieb erreicht
werden. Da das Stellglied unter Verwendung von hochkomprimierter
Druckluft, die kaum durch Druckfluktuationen oder Lastfluktuationen
beeinflusst wird, angetrieben werden kann, wird das Betriebsverhalten
noch stabiler. Erfindungsgemäß sind außerdem Einstellschrauben
zur Einstellung des Hubes der Zahnstangen an Positionen in dem ersten Endblock
vorgesehen, die den jeweiligen Zahnstangen zugeordnet sind, sodass
sie in einem Zustand justierbar sind, in dem ihre freien (distalen)
Enden in die ersten Druckkammern vorstehen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind der erste
Anschluss und der zweite Anschluss in einem ersten Endblock vorgesehen
und ein Verbindungsdurchgang und die Drossel sind in einem zweiten
Endblock vorgesehen.
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In
Weiterbildung der Erfindung kann die Drossel eine variable Drossel
sein, deren Öffnungsgröße einstellbar
ist, oder eine feste Drossel mit konstanter Öffnung. Außerdem kann ein Kontrollventil
in dem Verbindungsdurchgang parallel zu der Drossel vorgesehen sein
und eine niedrige Antriebsgeschwindigkeit lediglich in einer Richtung
vorgegeben werden.
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Erfindungsgemäß kann Flüssigkeit
direkt in die zweiten Druckkammern gefüllt werden. Es ist jedoch auch
möglich,
flüssigkeitsundurchlässige Taschen
einzusetzen, die entsprechend der hin und her gehenden Bewegung
der Zahnstangen gedehnt bzw. zusammengedrückt werden und in den zweiten Druckkammern
aufgenommen sind. Die Flüssigkeit wird
in das Innere der Taschen einge füllt.
In diesem Fall ist es nicht notwendig, zusätzliche Dichtelemente zum Abdichten
der zweiten Druckkammern vorzusehen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung
näher erläutert. Dabei
bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale
für sich
oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von
ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist ein Schnitt durch
eine erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Drehstellgliedes
mit zwei Zahnstangen und Ritzel.
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2 ist ein Schnitt durch
eine zweite Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Drehstellgliedes
mit zwei Zahnstangen und Ritzel.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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1 zeigt eine erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Drehstellgliedes
mit zwei Zahnstangen und Ritzel. Ein Grundkörper 1 des Stellgliedes
A hat einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt. Erste und
zweite Zylinderbohrungen 7, 8 sind in dem Grundkörper 1 getrennt
durch eine Zwischenwand 4 parallel zueinander ausgebildet.
Beide Enden der Zylinderbohrungen 7, 8 werden
durch einen ersten Endblock 2 bzw. einen zweiten Endblock 3,
die an den Enden des Grundkörpers 1 befestigt sind,
verschlossen.
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Eine
erste Zahnstange 5 und eine zweite Zahnstange 6 sind
in den Zylinderbohrungen 7 und 8 so aufgenommen,
dass sie hin und her bewegbar sind. Die Zahnstangen 5, 6 haben
Zähne 5c, 6c an einander
gegenüberliegenden
Innenseitenflächen, wobei
die Zähne 5c, 6c mit
einem Ritzel 9 kämmen, das
drehbar an der Zwischenwand 4 vorgesehen ist. Eine Hauptwelle 9a zur
Ausgabe einer Dreh-Schwing-Bewegung ist mit dem Ritzel 9 gekoppelt.
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Die
erste Zahnstange 5 und die zweite Zahnstange 6 haben
erste Kolben 5a, 6a und zweite Kolben 5b, 6b an
ihren beiden axialen Endbereichen. Kolbendichtungen 10a, 10b,
die luftdicht abdichtend in Gleitkontakt mit dem Innenumfang der
Zylinderbohrungen 7, 8 stehen, sind an den Kolben 5a, 6a, 5b, 6b angebracht.
Erste Druckkammern 7a, 8a sind zwischen dem ersten
Kolben 5a, 6a der beiden Zahnstangen 7, 8 und
dem ersten Endblock 2 ausgebildet. Zweite Druckkammern 7b, 8b sind
zwischen den zweiten Kolben 5b, 6b und dem zweiten
Endblock 3 ausgebildet.
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Die
erste Druckkammer 7a der ersten Zahnstange 5 steht
mit einem ersten Anschluss 11a in Verbindung, der sich
zu einer Seitenfläche
des ersten Endblockes 2 öffnet. Die erste Druckkammer 8a der zweiten
Zahnstange 6 steht mit einer zweiten Anschlussöffnung 11b in
Verbindung, die sich zu einer gegenüberliegenden Seitenfläche des
ersten Endblockes 2 öffnet.
Unter Druck stehende Luft wird den Druckkammern abwechselnd von
den jeweiligen Anschlüssen 11a, 11b zugeführt.
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Außerdem ist
eine inkompressible Flüssigkeit
L, bspw. Wasser, Öl
oder dgl., in die zweiten Druckkammern 7b, 8b der
beiden Zahnstangen 5, 6 eingefüllt. Ein Verbindungsdurchgang 12,
der die zweiten Druckkammern 7b und 8b miteinander
verbindet, ist in dem zweiten Endblock 3 ausgebildet. Eine
Drossel 13 zur Begrenzung der Durchflussrate der in dem
Verbindungsdurchgang 12 fließenden Flüssigkeit L ist in diesem vorgesehen.
Die Drossel 13 ist eine variable Drossel mit einem Nadelventil, das
die Größe der Öffnungsfläche einstellen
kann. Es kann aber auch eine feste Drossel vorgesehen sein, indem
lediglich der Durchmesser eines Abschnittes des Verbindungsdurchganges 12 reduziert
wird.
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Einstellschrauben 15a, 15b zum
Einstellen des Hubes der jeweiligen Zahnstangen 5, 6 sind
an dem ersten Endblock 2 an Positionen angeordnet, die
den Zahnstangen 5 bzw. 6 zugeordnet sind. Die Einstellschrauben 15a, 15b sind
in Gewindelöcher 14a, 14b in
dem ersten Endblock 2 so eingeschraubt, dass ihre freien
(distalen) Enden in die ersten Druckkammern 7a, 8a vorstehen.
Sie können
an den gewünschten
Positionen über
Verriegelungsmuttern 16a, 16b befestigt werden.
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Nachfolgend
wird die Betriebsweise des Drehstellgliedes A der ersten Ausführungsform
erläutert.
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In
einem Zustand, in dem die erste Zahnstange 5 und die zweite
Zahnstange 6 an einander gegenüberliegenden Hubenden angeordnet
sind und fast die gesamte Flüssigkeit
L in die zweite Druckkammer 7b der ersten Zahnstange 5 geflossen
ist (vgl. 1), beginnt
die erste Zahnstange 5 durch den Druck der unter Druck
stehenden Luft eine in der Zeichnung nach rechts gerichtete Bewegung,
wenn Druckluft von dem ersten Anschluss 11a in die erste Druckkammer 7a der
ersten Zahnstange 5 eingeführt wird. Entsprechend der
Bewegung der ersten Zahnstange 5 fließt die Flüssigkeit L aus der zweiten Druckkammer 7b in
die zweite Druckkammer 8b der zweiten Zahnstange 6,
wobei die Durchflussrate in dem Durchflussdurchgang 12 durch
die Drossel 13 begrenzt wird, sodass sich die zweite Zahnstange 6 in
der Zeichnung nach links bewegt und Luft in der ersten Druckkammer 8a durch
den zweiten Anschluss 11b nach außen abgeführt wird. Dabei dreht sich
das mit den Zähnen 5c, 6c kämmende Ritzel 9 im
Uhrzeigersinn entsprechend der Bewegung der beiden Zahnstangen 5, 6 und
seine Drehkraft wird von einer Abtriebswelle 9a abgenommen.
Die Bewegungsgeschwindigkeit der beiden Zahnstangen 5, 6 und
damit die Drehgeschwindigkeit des Ritzels 9 hängen von
der Durchflussrate der Flüssigkeit
L, die durch die Drossel 13 eingestellt wird, ab.
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In
einem Zustand, in dem die beiden Zahnstangen 5, 6 an
den den in 1 gezeigten
Positionen gegenüberliegenden
Enden angeordnet sind, bewegt sich die zweite Zahnstange 6 in
der Zeichnung nach rechts, wenn unter Druck stehende Luft von dem
zweiten Anschluss 11b in die erste Druckkammer 8a der
zweiten Zahnstange 6 eingeführt wird, sodass die Flüssigkeit
L in der zweiten Druckkammer 8b sich durch die Drossel 13 in
die zweite Druckkammer 7b der ersten Zahnstange 5 bewegt, wie
es in 1 gezeigt ist.
Die erste Zahnstange 5 bewegt sich nach links und die Luft
in der ersten Druckkammer 7a wird von dem ersten Anschluss 11a nach
außen
abgelassen, sodass sich das Ritzel 9 und die Hauptwelle 9b entgegen
dem Uhrzeigersinn drehen. Die Rotationsgeschwindigkeit zu dieser
Zeit hängt
ebenfalls von der Durchflussrate der Flüssigkeit L ab, die durch die
Drossel 13 eingestellt wird.
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Die
Bewegungsgeschwindigkeit der beiden Zahnstangen 5, 6 können auf
gewünschte
Werte gesteuert werden, indem bei Verwendung einer variablen Drossel
der Öffnungsgrad
eingestellt wird oder indem bei Verwendung einer festen Drossel
der Öffnungsgrad
entsprechend vorgewählt
wird.
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Durch
Einstellen der Drossel 13 zum Erreichen der Durchflussrate,
die erforderlich ist, um die Zahnstangen 5, 6 mit
niedrigen Geschwindigkeiten zu bewegen, können bei dem Stellglied A daher
die Antriebsgeschwindigkeiten der Zahnstangen 5, 6 und damit
die Schwenkgeschwindigkeiten des Ritzels 9 und der Hauptwelle 9a auf
konstanten niedrigen Geschwindigkeiten gehalten werden, sodass auch
bei niedrigen Geschwindigkeiten ein stabiler Betrieb gewährleistet
werden kann. Da die Zahnstangen 5, 6 durch Verwendung
von hoch komprimierter Druckluft, die kaum durch Druck- und Lastschwankungen
beeinflusst wird, mit niedrigen Geschwindigkeiten angetrieben werden
können,
kann der Betrieb des Stellgliedes weiter stabilisiert werden.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wobei sich ein Stellglied B der zweiten
Ausführungsform
von dem Stellglied A der ersten Ausführungsform dahingehend unterscheidet,
dass bei der ersten Ausführungsform
die Flüssigkeit
L direkt in die zweiten Druckkammern 7b, 8b der
beiden Zahnstangen 5, 6 eingefüllt wird, während bei der zweiten Ausführungsform
die Flüssigkeit L über Taschen 17 in
die zweiten Druckkammern 7b, 8b eingefüllt wird.
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Die
Taschen 17 bestehen aus einem dehnbaren Material, das flüssigkeitsundurchlässig ist, bspw.
Gummi, und haben offene erste Enden 17a und geschlossene
zweite Enden 17b. Die offenen ersten Enden 17a sind
an Positionen nahe dem zweiten Endblock 3 in den zweiten
Druckkammern 7b, 8b so befestigt, dass sie flüssigkeitsdicht
mit dem Verbindungsdurchgang 12 kommunizieren. Die geschlossenen
zweiten Enden 17b der Taschen 17 sind so angeordnet,
dass sie in Kontakt mit den zweiten Kolben 5b, 6b der
jeweiligen Zahnstangen 5, 6 treten. In diesem
Fall ist es nicht notwendig, zusätzlich die
Kolbendichtungen 10b zum Abdichten der zweiten Druckkammern 7b, 8b vorzusehen.
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Bei
der dargestellten Ausführungsform
hat das erste Ende 17a der Tasche 17 einen Öffnungskantenbereich 17c,
der dicker ausgebildet ist, wobei der Öffnungskantenbereich 17c in
einen inneren Umfangsbereich eines ausgesparten Bereiches 3a in dem
zweiten Endblock 3 eingesetzt und an dem ausgesparten Bereich 3a über große und kleine
Halteringe 18a, 18b befestigt ist. Es ist jedoch
auch möglich, andere
Verfahren für
die Befestigung der Tasche 17 einzusetzen.
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Bei
dem Stellglied B der zweiten Ausführungsform werden die Taschen 17, 17 in
den beiden zweiten Druckkammern 7b, 8b entsprechend
der Bewegung der Flüssigkeit
L und der hin und her gehenden Bewegungen der beiden Zahnstangen 5, 6 gedehnt
bzw. zusammengedrückt,
sodass die Aufnahme bzw. Abfuhr von Flüssigkeit L in bzw. aus den
Taschen 17, 17 wiederholt wird. Da die Flüssigkeit
L innerhalb der Tasche 17 eingeschlossen ist und nicht nach
außen
austritt, kann eine Betriebsbeeinträchtigung oder Verschmutzung
der Umgebung durch Flüssigkeitsleckage
zuverlässig
ausgeschlossen werden. Außerdem
wird die Dichtungsleistung nicht beeinträchtigt, auch wenn die Kolbendichtungen 10b weggelassen
werden.
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Die übrigen Elemente
und Betriebsweisen der zweiten Ausführungsform entsprechen im Wesentlichen
denjenigen der ersten Ausführungsform, sodass
für gleiche
Bestandteile gleiche Bezugszeichen verwendet werden und auf ihre
erneute Erläuterung
verzichtet wird.
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Die
bei den jeweiligen Ausführungsformen verwendete
Flüssigkeit
L kann ein Material mit einer niedrigen Viskosität, bspw. Wasser, oder ein Material mit
einer hohen Viskosität,
bspw. Öl,
sein. Durch Verwendung einer Flüssigkeit
mit hoher Viskosität,
bspw. Silikonöl,
kann die Gefahr einer Leckage der Flüssigkeit auf ein Minimum reduziert
werden.
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Bei
beiden Ausführungsformen
wird außerdem
die Geschwindigkeit der hin und her gehenden Hübe der beiden Zahnstangen 5, 6 durch
die in dem Verbindungsdurchgang 12 vorgesehene Drossel 13 reduziert.
Es kann aber auch ein Aufbau gewählt
werden, bei dem ein Kontrollventil 20 in dem Verbindungsdurchgang 12 parallel
zu der Drossel 13 vorgesehen ist und die Geschwindigkeit
des Vorwärtshubes
oder des Rückwärtshubes
der beiden Zahnstangen 5, 6 reduziert wird, wie
es bspw. durch die strichpunktierte Linie in 1 dargestellt ist.
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Erfindungsgemäß ist die
zweite Druckkammer der ersten und zweiten Druckkammern, die jeweils
an beiden Seiten der ersten Zahnstange und der zweiten Zahnstange
ausgebildet sind, während des
Antriebs der Zahnstangen an der Seite des Gegendruckes angeordnet
und mit einer inkompressiblen Flüssigkeit
gefüllt.
Die zweiten Druckkammern der beiden Zahnstangen stehen miteinander über die Drossel
in Verbindung, sodass der Einfluss der Luftkompressibilität eliminiert
werden kann. Dadurch können
die Zahnstangen auch bei geringen Geschwindigkeiten stabil arbeiten.