DE19643649C1 - Stellantrieb zur Umwandlung der Energie eines Fluids in eine mechanische Kraft - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stellantrieb zu Umwand­ lung der Energie eines Fluids in eine mechanische Kraft.

Aus der EP 0 261 721 A2 ist ein hydraulisch oder alternativ auch pneumatisch versorgter Stellantrieb der vorgenannten Art bekannt, bei welchem eine innere, im wesentlichen rohrförmige Expansionskammer aus einem elastisch-nachgiebi­ gen Material besteht, das bei einer Beaufschlagung der Expansionskammer mit einem durch das Fluid vermittelten Innendruck eine im wesentlichen radial ausgerichtete Ver­ formung erfährt. Diese Verformung der Expansionskammer wird durch eine äußere Kraftübertragungshülle begrenzt, welche die Expansionskammer umgibt und aus einem flexiblen, jedoch nicht streckbaren Fadenmaterial besteht, das an den axialen Enden der Expansionskammer verankert ist. Bei der radialen Aufweitung der Expansionskammer wirken daher als Folge der nicht streckbaren Materialeigenschaften der Kraftübertra­ gungshülle axial gegeneinander ausgerichtete Kräfte auf die Enden der Expansionskammer ein, die somit in axiale Zug­ kräfte übersetzt werden. Bei dem bekannten Stellantrieb besteht das Fadenmaterial aus Einzelfäden oder auch aus Mehrfachfäden, die zu Strängen oder Litzen gebündelt sind. Diese Einfach- oder Mehrfachfäden sind mit gegenläufigen Spiralen unter einem Neigungswinkel von etwa 50° bis 80° gegen die Achse der Expansionskammer zu einem Netzwerk zu­ sammengefaßt, das an den Fadenüberkreuzungen eine relative Winkelverschiebung der Fäden bei der Aufweitung der Expansionskammer erlaubt. Die Fäden sind im übrigen mit ihren Enden an Zugankern befestigt, die mit den Enden der Expansionskammer kraftschlüssig verbunden sind.

Aus der CH-A-462 374 ist ein zur Betätigung von Prothesen und gelähmten Gliedmaßen als künstlicher pneumatischer Muskel definierter Stellantrieb bekannt, bei dem eine ent­ sprechende Expansionskammer mit einem Gummirohr ausgebildet ist. In der Wandung des Gummirohres sind parallel zu der Rohrachse verlaufende Fäden aus einem nicht streckbaren Material eingebettet. Durch eine Befestigung der Fäden an endseitigen Kraftübertragungsteilen des Gummirohres können axiale Zugkräfte vermittelt werden, sobald das Gummirohr mit Druckluft aufgeweitet wird. Zur Begrenzung der Aufwei­ tung sind auf das Gummirohr noch eine oder mehrere Ringe aufgesetzt, wodurch das wirksame Arbeitsvolumen des Gummi­ rohres in miteinander kommunizierende Einzelkammern unter­ teilt wird.

Aus der JP-A-58-081 205 ist für einen ähnlichen, dabei hydraulisch betriebenen Stellantrieb bekannt, anstelle einer Einbettung der axial nicht streckbaren Einzelfäden in das elastisch-nachgiebige Material der Expansionskammer diese Einzelfäden an der Außenseite der Expansionskammer anzuordnen. Die Fäden sind mittels Klemmbändern zusammen mit den Enden der Expansionskammer an endseitigen Zugankern verklemmt, die dabei noch durch eine im Innern der Expan­ sionskammer angeordnete Spiralfeder gegeneinander und gegen den Fluiddruck vorgespannt werden. Die Spiralfeder erfüllt dabei den Zweck, die Zuganker und damit die Expansionskammer in ihre Ausgangsposition zurückzubringen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stellantrieb der vorstehend abgehandelten Ausbildung bereitzustellen, bei welchem die bei der Erzeugung des Innendruckes erhaltene radiale Aufweitung der Expansionskammer auf die Achse des Stellantriebes präzise und damit unter Vermeidung einer Streuwirkung konzentriert wird, so daß die Druckenergie des Fluids entsprechend optimal in die antriebsmäßig genutzten Axialkräfte übersetzt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Stellantrieb in der Ausbildung gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.

Bei einem Stellantrieb dieser Ausbildung stellt die Verwen­ dung eines Endlosfadens als Fadenmaterial für die äußere Kraftübertragungshülle sicher, daß die radiale Aufweitung der Expansionskammer eine völlig vergleichmäßigte Verteilung über die gesamte Kraftübertragungshülle erfährt, auch wenn der Innendruck über die Länge der Expansionskammer unregel­ mäßig verteilt werden sollte oder sich ein örtlich unter­ schiedliches Materialverhalten ergibt, das insbesondere an den axialen Einspannenden der Expansionskammer im Verhältnis zu ihrem mittigen Bereich im Dauerbetrieb des Stellantriebes auftreten kann. Jede örtliche Belastungsspitze wird als Folge der endlosen Hin- und Herführung des Fadenmaterials unmittelbar ausgeglichen, und dieser Ausgleich erfährt über die bevorzugt formschlüssig ausgebildete Verbindung der endseitigen Zuganker mit der Expansionskammer eine Konzen­ tration auf die Antriebsachse des Stellantriebes. Die mit der Zuleitung eines Fluids in die Expansionskammer erzeugte Druckenergie wird daher entsprechend optimal in die mit dem Stellantrieb genutzten axialen Zugkräfte übersetzt, wobei diese optimale Übersetzung vom Beginn der radialen Aufwei­ tung der Expansionskammer an vorherrscht, weil dabei die anfängliche, axial verlaufende Linienberührung des Faden­ materials eine entsprechend günstige Kraftübersetzung ergibt.

Die Verwendung eines Endlosfadens als Fadenmaterial für die äußere Kraftübertragungshülle ergibt daneben den Vorteil einer einfachen Fertigungsmöglichkeit, da die Hin- und Herführung des Endlosfadens mit der abwechselnden Umlenkung an den beiden endseitigen Zugankern maschinell mit einfach­ sten Mitteln zu realisieren ist. Gleichzeitig kann bei dieser Hin- und Herführung des Endlosfadens die Dicke der für die Expansionskammer bereitgestellten mehrlagigen Umhüllung eine entsprechend einfache Einstellung und Regu­ lierung erfahren. Damit ist auch die Höhe der mit dem Stellantrieb zu übertragenden mechanischen Kraft im Verhält­ nis zu dem durch das Fluid vermittelten Innendruck ent­ sprechend optimal beeinflußbar, so daß bei Vorgabe eines übereinstimmenden Sicherheitsfaktors Stellantriebe mit verschieden großen Leistungen ohne weiteres garantiert werden können. Dabei wird gleichzeitig ein größerer Frei­ heitsgrad hinsichtlich der Materialauswahl für den Endlos­ faden erhalten, wobei sich diese Materialauswahl an den herkömmlichen Vorstellungen orientiert und somit hauptsäch­ lich Kunststoffasern, wie bspw. Aramid- oder PE-Fasern, Kohlenstoffasern, Mischfasern usw. in Betracht kommen, auch in der Ausbildung von Mehrfachfäden oder Litzen.

Der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Stellantriebes kann weiter optimiert werden, wenn gemäß einer entsprechend vorteilhaften Ausbildung die Expansionskammer durch un­ elastische Ringkörper, die über die äußere Kraftübertragungs­ hülle mit einem gleichen gegenseitigen Abstand übergeschoben sind, in miteinander kommunizierende Einzelkammern unter­ teilt ist, deren radiale Aufweitung zwischen den endseitigen Zugankern auf den axialen Zwischenraum zwischen den entlang der Antriebsachse mit einem gleichen gegenseitigen Abstand aneinandergereihten Ringkörpern begrenzt ist. Mit dieser Unterteilung wird für die Expansionskammer eine Erhöhung des Sicherheitsfaktors erhalten sowie gleichzeitig eine Vergrößerung des Freiheitsgrades bei der Auswahl des Faden­ materials. Die Anordnung solcher Ringkörper, die zweckmäßig aus dem gleichen Material bestehen wie der Endlosfaden, kann problemlos insbesondere dann erfolgen, wenn die Zug­ anker die beanspruchte Ausbildung mit den sternförmig angeordneten Umlenkarmen aufweisen, weil es dann möglich ist, nach dem Abschluß des Wickelvorganges des Endlosfadens die Ringkörper mit einer zu der Antriebsachse gekippten Ausrichtung über solche Umlenkarme überzuschieben und sie dann längs der Antriebsachse in ihre endgültige Lage zu bringen.

Bezüglich des für die radiale Aufweitung der Expansionskam­ mer benutzten Fluids ergeben sich grundsätzlich keine Beschränkungen, vielmehr kann dafür jedes Fluid verwendet werden, das am Anwendungsort des Stellantriebes zur Ver­ fügung steht. Demzufolge wird als Arbeitsfluid hauptsächlich Druckluft oder ein anderes Druckgas und Hydrauliköl oder ein anderes flüssiges Medium in Betracht kommen. Die damit erreichbare Ansprech- und Taktzeit des Stellantriebes steht dabei in einem Verhältnis zu der zu übertragenden Kraft, die ihrerseits abhängig ist von der mit der äußeren Kraft­ übertragungshülle erzielbaren Verkürzung der Arbeitslänge des Stellantriebes entlang der Antriebsachse. Unter prakti­ schen Erwägungen sollte die Verkürzung der Arbeitslänge bevorzugt bei etwa 10 bis 20% liegen. Für diesen Wert wird berücksichtigt, daß die maximale Verkürzung der Arbeitslänge bei einem theoretischen Wert von etwa 36% liegt. Wenn die Verkürzung der Arbeitslänge bspw. mit diesem Wert von etwa 10 bis 20% vorgegeben wird, dann kann gleichzeitig die Ansprechzeit des Stellantriebes mit der Maßnahme optimal verkürzt werden, daß der in der Expansionskammer dabei vorhandene, für die Aufweitung der Expansionskammer unge­ nutzte Totraum von etwa 90 bis 80% mit einem schwimmend angeordneten Kernmaterial ausgefüllt wird, das somit an der Aufweitung der Expansionskammer nicht teilnehmen soll. Das Einbringen eines solchen Kernmaterials in die Expansions­ kammer kann unproblematisch vor ihrer Verbindung mit den Zugankern und damit noch vor dem Wickelvorgang des Endlos­ fadens erfolgen. Dabei sollte gleichzeitig in der Expansions­ kammer noch eine zwischen den beiden Zugankern verspannte Spiralfeder untergebracht werden, welche vorrangig dazu dient, das Kernmaterial innerhalb der Expansionskammer zu zentrieren und seine Berührung mit der Innenwand der Expan­ sionskammer zu verhindern.

Weitere Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Stell­ antriebes ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, die in der Zeichnung schema­ tisch dargestellt ist. Es zeigt

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Ansicht des Stellan­ triebes in seiner Ausgangsposition,

Fig. 2 eine entsprechende Ansicht des Stellantriebes in seiner Arbeitsposition,

Fig. 3 eine Schnittansicht des Stellantriebes nach der Linie III-III in Fig. 1,

Fig. 4 eine Schnittansicht des Stellantriebes nach der Linie IV-IV in Fig. 2 und

Fig. 5 eine Schnittansicht des Stellantriebes nach der Linie V-V in Fig. 2.

Für die in der Zeichnung schematisch dargestellte Ausfüh­ rungsform eines Stellantriebes, mit dem eine Umwandlung der Energie eines Fluids in eine mechanische Kraft realisierbar ist, ist die dafür bereitzustellende Versorgungsquelle für das Arbeitsfluid nicht gezeigt. Als Arbeitsfluid wird bspw. Druckluft verwendet, die dann am Arbeitsort des Stellan­ triebes über eine angeschlossene Versorgungsleitung heran­ geführt wird.

Der Stellantrieb ist mit einer rohrförmigen Expansionskam­ mer 1 ausgebildet, die an ihren beiden Enden durch den axialen Mittelteil von zwei Zugankern 2 und 3 verschlossen ist. Die beiden Zuganker 2, 3 sind mit den Enden der Expan­ sionskammer 1 formschlüssig verbunden. Jede der beiden Formschlußverbindungen 4 und 5 ist damit erhalten, daß das über dem axialen Mittelteil des zugeordneten Zugankers 2, 3 übergeschobene Rohrende mit einem Faden mehrfach so stark umwickelt ist, daß bei dem maßgeblichen Arbeitsdruck der Expansionskammer 1 der Formschluß mit den Zugankern 2, 3 nicht zerstört wird und eine Dichtheit der Expansionskammer 1 ge­ währleistet ist. Der Formschluß kann bei niedrigen Arbeits­ drücken auch durch einen Kraftschluß ersetzt sein, wobei seine spezielle Ausbildung auch durch andere Maßnahmen verwirklicht werden kann.

Die Expansionskammer 1 ergibt das eigentliche Stellglied des Stellantriebes und besteht dafür aus einem elastisch-nach­ giebigen Material, welches nach der Zuleitung der Druckluft oder sinngemäß eines anderen Arbeitsfluids über einen der beiden Zuganker 2, 3 durch den damit an die Innenwand der Expansionskammer 1 vermittelten Innendruck eine im wesent­ lichen radial ausgerichtete Verformung erfährt. Diese Ver­ formung ist in Fig. 2 für eine Ausführungsform des Stell­ antriebes veranschaulicht, bei welcher die Expansionskammer 1 durch übergeschobene Ringkörper 6, die über die wirksame Länge der Expansionskammer 1 mit einem gleichen gegenseiti­ gen Abstand aneinandergereiht sind, in miteinander kommuni­ zierende Einzelkammern 1′ unterteilt ist, deren radiale Aufweitung somit auf den axialen Zwischenraum zwischen den Ringkörpern 6 begrenzt ist. In der Expansionskammer 1 ist eine Spiralfeder 7 angeordnet, welche zwischen den beiden Zugankern 2, 3 verspannt ist und ein Kernmaterial 8 umgibt, das in der Expansionskammer 1 schwimmend angeordnet ist und in deren Ausgangsposition durch die Spiralfeder 7 berüh­ rungsfrei mit der Innenwand der Expansionskammer 1 gehalten wird. Die Spiralfeder 7 erfüllt somit die Aufgabe, das Kernmaterial 8 im Innern der Expansionskammer 1 zu zentrie­ ren und seine schwimmende Anordnung bei der Zuleitung der Druckluft sicherzustellen. Durch die fortlaufende Linien­ berührung der Spiralfeder 7 mit der Innenwand der Expansionskammer wird gleichzeitig garantiert, daß sich das Arbeitsfluid gleichmäßig in die Einzelkammern 1′ ver­ teilt und somit diese Einzelkammern 1′ eine gemeinsame Auf­ weitung erfahren können. Bei dieser Aufweitung übernimmt das Kernmaterial 8 lediglich die passive Rolle der Ausfül­ lung eines Totraumes, der bei der Füllung der Expansions­ kammer 1 mit dem Arbeitsfluid für die Verformung des ela­ stisch-nachgiebigen Materials nicht benotigt wird. Der anfängliche Nutzraum sollte zweckmäßig auf etwa 10 bis 20% des gesamten Füllvolumens der Expansionskammer beschränkt sein, um ein sicheres und gleichzeitig wirtschaftliches Arbeiten des Stellantriebes zu garantieren.

Der Stellantrieb wird weiter vervollständigt durch eine äußere Kraftübertragungshülle 9, welche die Expansions­ kammer 1 umgibt und aus einem flexiblen, jedoch nicht streckbaren Fadenmaterial besteht. Dieses Fadenmaterial ist mit einem Endlosfaden gebildet, der für eine mehrlagige Umhüllung der Expansionskammer 1 im Hin- und Hergang um die beiden Zuganker 2 und 3 umgelenkt ist. Die Umlenkung des Endlosfadens ist über Umlenkarme 10 vorgenommen, welche zu dem axialen Mittelteil des jeweiligen Zugankers 2, 3 radial ausgerichtet sind. Um eine einfache Umwicklung dieser bei den beiden Zugankern 2 und 3 also sternförmig angeordneten Umlenkarme 10 zu erhalten, ist die formschlüssige Verbindung der Zuganker 2, 3 mit ihrem axialen Mittelteil mit den Enden der Expansionskammer 1 zweckmäßig so getroffen, daß die Umlenkarme 10 des einen Zugankers 2 zu den Umlenkarmen 10 des anderen Zugankers 3 auf Lücke angeordnet sind. Diese Anordnung stellt dann gleichzeitig sicher, daß die mit dem Endlosfaden erhaltene Kraftübertragungshülle 9 zu einem dichten Paket aus längs verlaufenden Fäden geschlossen wird, das auch bei der Aufweitung der miteinander kommuni­ zierenden Einzelkammern 1′ beibehalten wird, wie es die Querschnitte der Fig. 3 und 4 verdeutlichen. Damit wird sichergestellt, daß bei dieser Aufweitung der Einzelkammern 1′ durch die Kraftübertragungshülle 9 eine auf die Achse der Zuganker 2 und 3 konzentrierte Kraft übertragen wird, welche eine Verkürzung der Ausgangslänge l₀ zu einer Ar­ beitslänge l₁ ergibt. Damit wird eine korrespondierende Annäherung der beiden Zuganker 2 und 3 entlang der gemein­ samen Längsachse 11 erhalten, und diese Annäherung erzeugt wegen des flexiblen, jedoch nicht streckbaren Fadenmaterials der Kraftübertragungshülle 9 eine axiale Zugkraft. Die Druckenergie des Fluids, das in die Expansionskammer 1 zu­ geleitet wird, wird also in solche axiale Zugkräfte über­ setzt, so daß die Längsachse 11 die maßgebliche Antriebs­ achse des Stellantriebes ergibt. In dieser Längsachse 11 kann daher der Stellantrieb mit einem beliebigen Stellorgan verbunden werden, wobei es dann bspw. möglich ist, bei einer pneumatischen Ausbildung des Stellantriebes mit einem Arbeitsdruck von etwa 8 bar eine Zugkraft von etwa 6 kN bei der gleichzeitigen Vorgabe von nur etwa 10 bis 20% anfäng­ liches Nutzvolumen der Expansionskammer 1 zu erzeugen.

Claims (12)

1. Stellantrieb zur Umwandlung der Energie eines Fluids in eine mechanische Kraft, bestehend aus

• - einer inneren, im wesentlichen rohrförmigen Expansions­ kammer (1) aus einem elastisch-nachgiebigen Material, das bei einer Beaufschlagung der Expansionskammer mit einem durch das Fluid vermittelten Innendruck eine im wesentlichen radial ausgerichtete Verformung erfährt; und
• - einer äußeren Kraftübertragungshülle (9), welche die Expansionskammer (1) umgibt und aus einem flexiblen, jedoch nicht streckbaren Fadenmaterial besteht und an den axialen Enden der Expansionskammer (1) für die Ausübung von axialen Zugkräften bei der radialen Auf­ weitung der Expansionskammer (1) verankert ist; wobei
• - das Fadenmaterial der äußeren Kraftübertragungshülle (9) mit einem Endlosfaden gebildet ist, der für eine mehr­ lagige Umhüllung der inneren Expansionskammer (1) im Hin- und Hergang über zwei Zuganker (2, 3) umgelenkt ist, die mit den beiden axialen Enden der inneren Expansionskammer (1) verbunden sind.

2. Stellantrieb nach Anspruch 1, bei welchem jeder Zuganker (2, 3) mit mehreren Umlenkarmen (10) versehen ist, die zu einem für die Übertragung der axialen Zugkräfte vorgesehenen axialen Mittelteil mit einer radialen Ausrichtung sternförmig angeordnet sind und über welche der Endlosfaden der Kraftübertragungshülle (9) bei der Umlenkung im Hin- und Hergang in der Umfangsrichtung einzeln aufeinanderfolgend sowie abwechselnd bei den Umlenkarmen (10) der beiden Zuganker (2, 3) geführt ist.

3. Stellantrieb nach Anspruch 2, bei welchem die Vielzahl der Umlenkarme (10) des Zugankers (2) an dem einen Ende der Expansionskammer (1) zu der Vielzahl der Umlenk­ arme (10) des Zugankers (3) an deren anderem Ende auf Lücke angeordnet ist.

4. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem die axialen Enden der Expansionskammer (1) über die axialen Mittelteile der beiden Zuganker (2, 3) übergeschoben und mit ihnen kraft- oder formschlüssig, sowie fluiddicht verbunden sind.

5. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem der Endlosfaden der Kraftübertragungshülle (9) für eine anfängliche, achsparallele Linienberührung mit der Expansionskammer (1) zwischen den Umlenkarmen (10) der beiden Zuganker (2, 3) hin- und hergeführt ist.

6. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem der Endlosfaden der Kraftübertragungshülle (9) für seine Fixierung an den Zugankern (2, 3) an seinen Umlenkstellen mit einem Kunstharz od. dgl. umgossen ist.

7. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem die Expansionskammer (1) durch unelastische Ringkörper (6), die mit einem gleichen gegenseitigen Abstand über die äußere Kraftübertragungshülle (9) übergeschoben sind, in miteinander kommunizierende Einzelkammern (1′) unterteilt ist, deren radiale Auf­ weitung zwischen den beiden endseitigen Zugankern (2, 3) auf den axialen Zwischenraum zwischen den Ringkörpern (6) begrenzt ist.

8. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem in der Expansionskammer (1) eine zwischen den beiden Zugankern (2, 3) verspannte, den axialen Zugkräf­ ten entgegenwirkende Spiralfeder (7) angeordnet ist.

9. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welchem in der Expansionskammer (1) ein deren Füll­ volumen für das Fluid verringerndes, an der radialen Aufweitung der Expansionskammer nicht teilnehmendes Kernmaterial (8) schwimmend angeordnet ist.

10. Stellantrieb nach den Ansprüchen 8 oder 9, bei welchem das Kernmaterial (8) durch die Spiralfeder (7) zentriert ist.

11. Stellantrieb nach Anspruch 9 oder 10, bei welchem das an der Aufweitung der Expansionskammer (1) nicht teil­ nehmende Kernmaterial (8) deren anfängliches Füllvolumen für das Fluid mit wenigstens etwa 65% ausfüllt.

12. Stellantrieb nach Anspruch 11, bei welchem das Kernmaterial (8) mit etwa 80 bis 90% das anfängliche Füllvolumen der Expansionskammer (1) ausfüllt.