-
Die
Erfindung bezieht sich auf eine Antriebsvorrichtung der im Oberbegriff
des Anspruchs 1 genannten Art.
-
Solche
Antriebsvorrichtungen werden vorteilhaft in Heizungs-, Lüftungs und
Klimanlagen zur Betätigung
von Stellgliedern wie Ventilen oder Klappen und dergleichen verwendet.
Durch eine Rückstellfunktion
nimmt ein Stellglied bei Stromausfall einen vorbestimmten Zustand
ein. Die Rückstellfunktion
dient dazu, Frostschäden
zu vermeiden oder den Gefahrenherd beispielsweise bei Branden oder
Störungen
auch bei Stromausfall lokal zu begrenzen.
-
-
Auch
aus dem Datenblatt 64, 43D von Landis & Gyr vom November 1990 ist eine elektromotorisch betriebene
Antriebsvorrichtung für
ein Stellglied bekannt, welche einen Asynchronmotor, eine Rückstellfeder,
eine Kupplung und ein Getriebe aufweisen. Bei der Inbetriebnahme
spannt der Asynchronmotor die Rückstellfeder,
welche das Stellglied bei Stromausfall in eine vorbestimmte Lage
zurücksetzt.
Die Rückstellfeder
hat bei Stromausfall ein zum Betätigen
des Stellglieds erforderliches Drehmoment aufzubringen; dabei ist
ein Rastmoment des Motors und ein Haftmoment des Getriebes mit Sicherheit
zu überwinden. Entsprechend
ist die Rückstellfeder
der bekannten Anordnung für
ein relativ hohes Drehmoment auszulegen.
-
Federn
zur Pufferung plötzlicher
Laständerungen
bei Antriebsvorrichtungen sind aus der
DE 43 20 073 A1 und Federn
zum Verstellen des Abganggliedes eines Stellantriebs bei Ausfall
der elektrischen Spannungsquelle desselben in eine Sicherheitsstellung
sind aus der
DE 88 09
088 U bekannt.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer eine Rückstellfunktion
aufweisenden Antriebsvorrichtung für ein Stellglied die Rückstellfeder aus
Kostengründen
für ein
relativ kleines Drehmoment auszulegen und dennoch dafür zu sorgen,
dass die Rückstellfunktion
eine hohe Zuverlässigkeit
aufweist. Die Rückstellfeder
soll nämlich
das Stellglied bei Stromausfall am Motor in eine vorbestimmte Stellung
stellen. Die Lösung
dieser Aufgabe soll zusätzlich
berücksichtigen,
dass sowohl das Rastmoment des still stehenden Elektromotors als
auch das Haftmoment des Getriebes mit Sicherheit überwunden werden
müssen.
-
Die
Erfindung wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Weiterbildungen
der Erfindung ergeben sich aus dem abhängigen Anspruch 2.
-
Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnung näher
erläutert.
-
Es
zeigen:
-
1 eine
Antriebsvorrichtung mit einer Rückstellfeder
und einer Hilfsfeder,
-
2 den
prinzipiellen Aufbau der Antriebsvorrichtung und
-
3 eine
Ausführungsvariante
einer Hilfsfeder der Antriebsvorrichtung.
-
In
der 1 bedeutet 1 einen Motor zum Betätigen eines
mit einem Stellrad 2 gekoppelten Stellgliedes, welches
in der 1 nicht dargestellt ist. Eine Antriebsachse 3 des
Motors 1 weist einen Mitnehmer 4 auf. Ein konzentrisch
auf der Antriebsachse 3 drehbar angeordnetes Zahnrad 5 ist über eine Freilaufkupplung 6 mit
dem Mitnehmer 4 und damit mit der Antriebsachse 3 gekoppelt.
Das vom Motor 1 antreibbare Zahnrad 5 ist über ein
Getriebe 7 mit einer Rückstellfeder 8 und
auch mit dem Stellrad 2 gekoppelt. Die Rückstellfeder 8 ist über das
Getriebe 7 vom Motor 1 spannbar. Zu diesem Zweck
ist ein erstes Ende 8a der Rückstellfeder 8 mit
einem Gehäuseteil 9 verbunden,
während
ein zweites Ende 8b der Rückstellfeder 8 mit
einem Getrieberad 10 des Getriebes 7 verbunden
ist.
-
Das
Getriebe 7 umfasst im dargestellten Ausführungsbeispiel
das als ein erstes Doppelrad ausgeführte Getrieberad 10,
ein zweites Doppelrad 11 und ein drittes Doppelrad 12.
-
Das
Getrieberad 10 weist ein erstes Ritzel 13 und
ein erstes Rad 14 auf, wobei das erste Ritzel 13 und
das erste Rad 14 auf einer gemeinsamen Drehachse 15 angeordnet
und starr miteinander gekoppelt sind. Das zweite Doppelrad 11 verfügt über ein zweites
nicht dargestelltes Ritzel und ein zweites Rad 16, wobei
das zweite Ritzel und das zweite Rad 16 auf einer gemeinsamen
Drehachse 17 angeordnet und starr miteinander gekoppelt
sind.
-
Das
dritte Doppelrad 12 weist ein drittes Ritzel 18 und
ein drittes Rad 19 auf, wobei das dritte Ritzel 18 und
das dritte Rad 19 auf einer gemeinsamen Drehachse 20 zueinander
verdrehbar angeordnet sind. Das dritte Ritzel 18 und das
dritte Rad 19 sind über
eine Hilfsfeder 21 miteinander gekoppelt. Zu diesem Zweck
ist ein erstes Ende 21a der Hilfsfeder 21 mit
dem dritten Rad 19 verbunden, während ein zweites Ende 21b der
Hilfsfeder 21 mit dem dritten Kitzel 18 verbunden
ist.
-
Das
Stellrad 2 ist mit dem ersten Ritzel 13 verzahnt,
während
das erste Rad 14 mit dem zweiten Ritzel des zweiten Doppelrades 11,
das zweite Rad 16 mit dem dritten Ritzel 18 und
das dritte Rad 19 mit dem Zahnrad 5 verzahnt sind.
-
Das
Getriebe 7 ist in bekannter Art auf die zu übertragenden
Drehmomente und Drehzahlen auslegbar.
-
Durch
die Freilaufkupplung 6 sind Schäden insbesondere am Getriebe 7 und
am Zahnrad 5 bei einer Ausführung der vor allem von der
Rückstellfeder 8 angetriebenen
Rückstellfunktion
verhinderbar. Wenn das Stellglied bei Stromausfall die vorbestimmte
Lage erreicht, ist die rotierende Schwungmasse des Motors 1 über die
Freilaufkupplung 6 bis zum Stillstand auslauffähig, ohne
dass schädigende
Auswirkungen auf das Getriebe 7 bzw. das Zahnrad 5 erfolgen.
-
Grundsätzlich weist
die Hilfsfeder 21 ein kleineres Federdrehmoment als die
Rückstellfeder 8 auf. Das
Federdrehmoment 14 der Hilfsfeder 21 ist so gross,
dass mindestens das bei abgeschalteter Motorspeisung wirkende Rastmoment
MMr des Motors 1 durch die aufgezogene
Hilfsfeder 21 sicher überwindbar
ist.
-
Ist
der Motor 1 beispielsweise ein gewisser Gleichstrommotor,
verläuft
der Wert des durch Dauermagnete des Motors 1 hervorgerufenen
Rastmomentes MMr etwa sinusförmig, wobei
der Verlauf bekannterweise von der Polpaar-Zahl p des Motors 1 und
dem Drehwinkel ω der
Antriebsachse 3 abhängt.
-
Durch
ein Drehen des vom Motor 1 angetriebenen Zahnrades 5 ist
die entspannte Hilfsfeder 21 aufziehbar bis ein Drehmoment
vom Zahnrad 5 auf das zweite Doppelrad 11 und
weiter über
das Getrieberad 10 auf das Stellrad 2 übertragbar
ist. In dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die entspannte Hilfsfeder 21 aufziehbar, indem das Zahnrad 5 im
Gegenuhrzeigersinn gedreht wird. Bei aufgezogener Hilfsfeder 21 ist
auch die Rückstellfeder 8 durch
den Motor 1 aufziehbar, wobei auch das Stellrad 2 durch.
den Motor 1 betätigbar
ist.
-
In
der 2 ist die Antriebsvorrichtung mit dem Motor 1,
der Hilfsfeder 21 und der Rückstellfeder 8 für ein Stellglied 22 noch
schematisch anhand von Funktionsblöcken dargestellt. Eine zwischen
der Hilfsfeder 21 und der Rückstellfeder 8 wirksame
erste Getriebestufe 23 und eine zwischen der Rückstellfeder 8 und
dem Stellglied 22 wirksame zweite Getriebestufe 24 sind
im Ausführungsbeispiel
nach 1 durch das Getriebe 7 bzw. durch das
Getriebe 7 und das Stellrad 2 verwirklicht.
-
Im
Normalbetrieb der Antriebsvorrichtung – d. h. wenn das Stellglied
gemäss
einer Regel- oder einer Steueraufgabe durch den Motor 1 betätigt wird, sind
die Hilfsfeder 21 und die Rückstellfeder 8 gespannt.
Ein bei einem Stromausfall am Motor 1 auftretendes Wegfallen
des Antriebsmomentes des Motors 1 löst eine selbsttätige Rückstellfunktion
der Antriebsvorrichtung aus, wonach das Federdrehmoment bzw. die
Federenergie der gespannten Rückstellfeder 8 einerseits über die
zweite Getriebestufe 24 auf das Stellglied 22 und
anderseits über
die erste Getriebestufe 23 und die gespannte Hilfsfeder 21 gegen
den Motor 1 wirkt, was in der 2 durch
die Richtung von Pfeilen zwischen den Funktionsblöcken dargestellt
ist. Bei der Ausführung
der selbsttätigen Rückstellfunktion
ist eine Stellbewegung am Stellglied 22 erst nach einer Überwindung
aller der Rückstellfunktion
entgegenwirkenden Momente durchführbar.
Das der Rückstellfunktion
entgegenwirkende Rastmoment MMr des abgeschalteten
Motors 1 wird durch die gespannte Hilfsfeder 21 sicher überwunden,
so dass das Stellglied 22 durch die Rückstellfeder 8 über die
zweite Getriebestufe 24 in die bei Stromausfall vorgesehene
Lage zurücksetzbar
ist.
-
Die
Hilfsfeder 21 ist so dimensionierbar, dass das Rastmoment
MMr des abgeschalteten Motors 1 und
auch ein allfällig
wirkendes Haft- bzw. Reibungsmoment von zwischen der Hilfsfeder 21 und
der Antriebsachse 3 des Motors 1 liegenden Getrieberädern 19 und 5 (1)
durch die gespannte Hilfsfeder 21 überwindbar sind.
-
In
einer vorteilhaften Ausführungsvariante sind
die beschriebenen Funktionen der Hilfsfeder 21 und der
Freilaufkupplung 6 mittels einer in der 3 mit 25 bezeichneten
Schlingfeder kombinierbar. Die 3 zeigt
weiter die in der 1 schon dargestellte Antriebsachse 3,
den Mitnehmer 4 und das Zahnrad 5, welches in
der Ausführungsvariante
nach der 3 starr mit dem zweiten Doppelrad 11 (1) gekoppelt
ist. Der Mitnehmer 4 ist mit der Antriebsachse 3 fest
verbunden, während
das Zahnrad 5 auf der Antriebsachse 3 verdrehbar
angeordnet ist. Das Zahnrad 5 ist mit dem Mitnehmer 4 über die
Schlingfeder 25 gekoppelt, wobei eine Verbindung der Schlingfeder 25 mit
dem Zahnrad 5 bzw. mit dem Mitnehmer 4 so ausgebildet
ist, dass die bei der Ausführung
der Rückstellfunktion
rotierende Schwungmasse des Motors 1 – wie bei der Freilaufkupplung 6 nach 1 – bis zum
Stillstand auslauffähig
ist, ohne dass schädigende
Auswirkungen auf das Getriebe 7 (1) bzw.
das Zahnrad 5 erfolgen. Mit Vorteil ist mindestens eine
der beiden Verbindungen der Schlingfeder 25 mit dem Zahnrad 5 bzw.
mit dem Mitnehmer 4 durch wendelförmig gewickelte Umschlingungen 25a und/oder 25b der
Schlingfeder 25 um eine Nabe des Zahnrades 5 bzw.
um den Mitnehmer 4 verwirklicht.
-
Vorteilhafterweise
umfasst die Schlingfeder 25 einen Freiraum 26,
der koaxial zur Antriebsachse 3 ausgebildet ist. Die Schlingfeder 25 ist
mit Vorteil im Bereich des Freiraumes 26 so gewickelt,
dass bei entspannter Schlingfeder 25 zwischen den einzelnen Federwindungen
Windungsabstände 27 ausgebildet sind.
Durch die Windungsabstände 27 und
den Freiraum 26 ist die Schlingfeder 25 durch
den Motor 1 spannbar, wobei Windungen der gespannten Schlingfeder 25 den
Freiraum 26 mindestens teilweise ausfüllen.
-
Von
der Antriebsachse 3 aus betrachtet weist die Schlingfeder 25 grundsätzlich ein
kleineres Federdrehmoment als die Rückstellfeder 8 auf.
Mit Vorteil ist das Federdrehmoment MH der
Schlingfeder 25 so gross, dass mindestens das bei abgeschalteter Motorspeisung
wirkende Rastmoment MMr des Motors 1 durch
die aufgezogene Schlingfeder 25 sicher überwindbar ist.
-
Durch
ein Drehen des vorn Motor 1 angetriebenen Mitnehmers 4 ist
die entspannte Schlingfeder 25 aufziehbar bis ein Drehmoment
vom Zahnrad 5 auf das zweite Doppelrad 11 und
weiter über
das Getrieberad 10 auf das Stellrad 2 übertragbar
ist. Bei aufgezogener Schlingfeder 25 ist auch die Rückstellfeder 8 durch
den Motor 1 aufziehbar. wobei auch das Stellrad 2 durch
den Motor 1 betätigbar
ist.
-
Ein
Vorteil der erfindungsgemässen
Antriebsvorrichtung liegt darin, dass die durch die Hilfsfeder 21 bzw.
die Schlingfeder 25 in eine Rotationsbewegung gebrachte
Schwungmasse des Motors 1 das Haftreibungsmoment des Getriebes 7 und
einen nach längerem
Stillstand der Antriebsvorrichtung im Getriebe 7 auftretenden
Klebeeffekt überwindet,
wodurch die Zuverlässigkeit
der Rückstellfunktion
wesentlich erhöht
wird.
-
Die
mit der Hilfsfeder 21 (1) oder
mit der Schlingfeder 25 (3) erzielbare
Wirkungsweise der Antriebsvorrichtung soll abschliessend noch einmal
anhand des folgenden stark vereinfachten Zahlenbeispieles verdeutlicht
werden:
Auf die Antriebsachse 3 bezogen sei am Stellrad 2 ein
Moment MLast = 6 mNm aufzubringen um das Stellrad 2 zu
betätigen,
die gespannte Rückstellfeder 8 weise
ein Federdrehmoment MR = 10 mNm auf. Das
in Abhängigkeit
des Drehwinkels ω beispielsweise
sinusförmig
verlaufende Rastmoment MMr des Motors 1 habe
einen Maximalwert MMr* = 5 mNm.
-
Bei
einer bekannten Antriebsvorrichtung, das heisst ohne die Hilfsfeder 21 bzw.
ohne die Schlingfeder 25, hätte die Rückstellfeder 8 zur
Ausführung
der Rückstellfunktion
einerseits das Moment MLast = 6 mNm aufzubringen
und andrerseits mindestens das Rastmoment MMr des
abgeschalteten Motors 1 zu überwinden. Zur Überwindung
des Rastmomentes MMr bleibt ein Differenz-Moment
MΔ =
MR – MLast = 10 mNm – 6 mNm = 4 mNm. Damit ist
das Differenz-Moment MΔ kleiner als der Maximalwert
MMr*, womit die Ausführung der Rückstellfunktion nicht mit Sicherheit
gewährleistet
ist.
-
In
der erfindungsgemässen
Antriebsvorrichtung weist die gespannte Hilfsfeder 21 bzw.
Schlingfeder 25 beispielsweise daß Federdrehmoment MH = 6 mNm auf. Ausgehend von einem Zustand
der Antriebsvorrichtung, in welchem die Hilfsfeder 21 bzw. Schlingfeder 25 entspannt
ist und der Motor 1 angesteuert wird, wird in einem ersten
Schritt die Hilfsfeder 21 bzw. Schlingfeder 25 auf
das Federdrehmoment MH = 6 mNm gespannt
und in einem zweiten Schritt, wenn der Motor 1 das Antriebsmoment
MM ≥ MR + MLast = 10 mNm
+ 6 mNm = 16 mNm aufbringt, das Stellrad 2 und die Rückstellfeder 8 bewegt.
Bei der Auslösung
der Rückstellfunktion
wird der MaximalwertMMr* = 5 mNm des Rastmomentes
MMr durch die mit dem Federdrehmoment MH = 6 mNm gespannte Hilfsfeder 21 bzw.
Schlingfeder 25 sicher überwunden,
wodurch die Rückstellfunktion
sicher ausgeführt
wird.