DE19815008A1 - Betätigungsvorrichtung für ein drehbares Bauelement, insbesondere einen Verschlußkörper eines Drosselklappenventils - Google Patents

Abstract

Es wird eine Betätigungsvorrichtung für ein drehbares Bauelement, insbesondere einen Verschlußkörper eines Drosselklappenventils, beschrieben, bei dem ein einseitig pneumatisch beaufschlagbarer, federbelasteter Kolben (10) in einem Zylinder (3) axial beweglich ist. Der Kolben hat einen sich axial erstreckenden, zapfenförmigen Ansatz (20), der mittels einer Kurvenführung (33, 34) und Mitnehmern (26, 27) derart mit einem mit dem zu betätigenden Bauelement koppelbaren Drehelement (31) gekoppelt ist, daß eine Axialbewegung des Kolbens in eine Drehbewegung des Drehelementes umgesetzt wird. Die Mittelachse (21) des Ansatzes (20) ist gegenüber der Mittelachse (11) des Zylinders um einen Exzenterabstand (22) von etwa 12% des Zylinderradius versetzt. Dadurch ist ohne weitere Linearführungsmittel für den Kolben (10) eine Verdrehsicherung des Kolbens (10) im Zylinder geschaffen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Betätigungsvorrichtung für ein drehbares Bauelement, insbesondere einen Verschlußkörper eines Drosselklappenventils, nach dem Oberbegriff von An­ spruch 1.

Derartige Betätigungsvorrichtungen können beispielsweise im Bereich der Nahrungsmittelindustrie und chemischen Industrie überall dort eingesetzt werden, wo es gilt, drehbare Ver­ schlußkörper von Ventilen, beispielsweise von Flügelhähnen, Kugelhähnen oder dgl. in Fluidleitungen zu betätigen. Aus den Druckschriften DE-C-33 03 872 und DE-A-33 15 244 sind Betätigungsvorrichtungen für drehbare Ventilstücke eines Drosselklappenventils bekannt geworden. Sie enthalten einen normalerweise einseitig pneumatisch beaufschlagbaren Pneu­ matikkolben, der in Gegenrichtung von einer Feder belastet ist und axial beweglich in einem Pneumatikzylinder läuft. Mittels einer Kurvenführung und Mitnehmern wird diese Axial­ bewegung in eine Drehbewegung einer Abtriebswelle umgesetzt, die mit der Welle des zu betätigten Bauelementes gekoppelt ist. Bei den genannten Vorrichtungen sind die Kurvenführungen in einem axial sich erstreckenden, eine Außenführung des Kol­ bens bildenden zylindrischen Ansatz angeordnet, so daß sich der Kolben innerhalb des Zylinders auch dreht. Eine zusätzli­ che Kurvenführung ist im Kolbeninneren angeordnet und dazu vorgesehen, eine sich der Drehbewegung des Kolbens über­ lagernde weitere Drehbewegung eines Drehelementes zu er­ zeugen.

Bei der aus der Europäischen Patentschrift EP 622 574 be­ kannten, gattungsgemäßen Betätigungsvorrichtung wird eine Drehung des Kolbens vermieden, der sich selbst nur axial verschiebt, was für seine Abdichtung vorteilhaft ist. Zur Sicherung des Kolbens gegen Verdrehen weist dieser an einem sich axial erstreckenden, mittleren zapfenförmigen Ansatz einen Querbolzen auf, an dessen beiden Enden jeweils Mit­ nehmerrollen drehbar angebracht sind. Die Mitnehmerrollen laufen in einer zur Zylinderachse parallelen Führungsbahn eines hülsenförmigen, am Zylinderboden befestigten, zur Kolbenseite vorstehenden, zylindrischen Führungsteils. Auf dem gleichen Querbolzen sind weitere Mitnehmerrollen drehbar angebracht, die in einer Kurvenführung eines zylindrischen Drehelementes laufen, in dem der Zapfen axial geführt ist und das mit dem zu drehenden Bauelement gekoppelt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Betätigungsvorrichtung mit gegen Verdrehung gesichertem Kolben vorzuschlagen, die einen einfachen Aufbau hat und zuverlässig arbeitet.

Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung eine Betäti­ gungsverrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 vor.

Erfindungsgemäß hat der Ansatz des Kolbens eine zur Achse des Pneumatikzylinders parallele Mittelachse, die von der Innen­ wand des Zylinders einen in Umfangsrichtung des Zylinders veränderlichen radialen Abstand hat. Durch diese von allen gängigen Konstruktionsregeln für Kolben abweichende konstruk­ tive Maßnahme kann erreicht werden, daß sich der Kolben nicht um die Mittelachse des vorzugsweise starr mit ihm verbun­ denen, axial geführten Ansatzes drehen kann, weil jede Drehung dadurch verhindert wird, daß der Kolben durch die an seinem Umfang anliegende, im wesentlichen starre Zylinder­ innenwand an einer Drehung gehindert wird. Die drehmoment­ übertragende Kopplung zwischen Ansatz bzw. Kolben und Dreh­ element hat die erwünschte Wirkung, daß sich bei Axialbe­ wegung des Kolbens das Drehelement um seine Drehelementachse dreht. Nach dem Newtonschen Reaktionsprinzip greift ein entgegengesetzt gerichtetes, gleich großes Drehmoment an dem mit dem Drehelement gekoppelten Ansatz an und versucht, den Ansatz bzw. Kolben um seine Achse zu verdrehen. Der Versuch einer Drehung des Kolbens um die Mittelachse des Ansatzes erzeugt zwischen Umfang des Kolbens und der Zylinderinnenwand senkrecht auf der Zylinderinnenwand stehende Kraftkomponen­ ten, die durch entsprechend gleich große, durch die Zylinder­ wandung aufgebrachte Gegenkräfte kompensiert werden. Mit anderen Worten: Der Kolben drückt sich an die Zylinderwand, ohne daß das auf ihn wirkende Drehmoment zu einer Drehung des Kolbens führen könnte.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ist der Kolben dreh­ gesichert, ohne daß gesonderte Elemente zur Drehsicherung, beispielsweise in entsprechenden Axialführungen geführte Mitnehmer oder dgl., vorgesehen werden müssen. Dadurch wird die Anzahl beweglicher und/oder miteinander zusammenwirkender Teile der Betätigungsvorrichtung deutlich reduziert und die Betriebssicherheit der Betätigungsvorrichtung entsprechend erhöht. Zudem wird die Herstellung derartiger Betätigungs­ vorrichtungen kostengünstiger. Anstatt eines extra vorgesehe­ nen Linearführungssystems des Standes der Technik wird der sowieso vorhandene, den Kolben umgebende Zylinder zur Dreh­ sicherung benutzt.

Diese verblüffende Lösung des Drehsicherungsproblemes kann dadurch realisiert werden, daß der Kolben und der zugehörige Zylinder einen unrunden Querschnitt, beispielsweise in Form eines regelmäßigen Vielecks, insbesondere eines Quadrates, oder einen elliptischen Querschnitt hat. Bevorzugt sind jedoch kreisrunde Querschnitte von Zylinder und Kolben, wie sie auch bei der Mehrzahl herkömmlicher Zylinder-Kolben- Paarungen vorgesehen sind. Die gewünschte Wirkung kann dadurch erreicht werden, daß der Ansatz exzentrisch an einem im Querschnitt runden Kolben angebracht ist. Der Ansatz kann sowohl ein gesondertes, beispielsweise an den Kolben an­ geschweißtes oder angeschraubtes Teil sein, vorzugsweise ist er aber einstückig mit dem Kolben ausgebildet. Dabei hat es sich bewährt, wenn ein radialer Exzenterabstand zwischen der Zylindermittelachse und der Mittelachse des Ansatzes zwischen 5% und 30%, insbesondere zwischen 10% und 15% des Zylinder­ radius beträgt. Diese relativ geringe Exzentrizität reicht einerseits aus, um die gewünschte Drehsicherungswirkung zuverlässig zu erreichen. Andererseits kann allseitig um den Ansatz herum oder im Inneren eines beispielsweise hülsen­ förmigen Ansatzes genügend Bauraum verbleiben, in dem die anderen Bauelemente der Betätigungsvorrichtung, insbesondere das Drehelement und/oder eine gegebenenfalls vorhandene Rückstellfeder für den Kolben innerhalb des Zylinders ohne konstruktiven Aufwand untergebracht werden können. Vorteil­ haft ist insbesondere, daß der Ansatz keine weiteren geson­ derten Linearführungsmittel zu seiner geradlinigen, dreh­ gesicherten axialen Führung benötigt.

Da die erfindungsgemäße Wirkung mit einem Andrücken des Kolbens an die Innenwand des Zylinders verbunden ist, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform, insbesondere auch zur Druckentlastung einer vorzugsweise vorgesehenen, beispiels­ weise als O-Ring ausgebildeten Kolbendichtung, am Umfang des Kolbens mindestens ein sich an der Innenwand des Zylinders abstützender Führungsring aus druckstabilem, im wesentlichen inkompressiblen Material vorgesehen, das vorzugsweise in Verbindung mit dem Material der Zylinderwandung eine ver­ schleißarme, gut gleitende Materialpaarung bildet. Beispiels­ weise können zur besseren Druckverteilung mehrere, z. B. zwei axial versetzte, ggf. in getrennten Umfangsnuten sitzende Gleit- und Führungsringe aus reibungsarmem Kunststoff, beispielsweise PTFE, insbesondere aber aus POM, vorgesehen sein.

Für die eine Axialbewegung des Kolbens in eine Drehbewegung des Drehelementes umwandelnde Kupplung oder Kopplung wird bei bevorzugten Ausführungsformen vorgesehen, daß der Ansatz ein zylindrischer Zapfen ist, der in einer zylindrischen Bohrung des Drehelementes axial geführt ist. Alternativ oder zusätz­ lich können auch andere, gesonderte Axialführungselemente für den Ansatz vorgesehen sein. Es ist auch möglich, den Ansatz in Form einer zylindrischen Hülse auszubilden, in deren Inneren das Drehelement, vorzugsweise den Innenraum im wesentlichen ausfüllend, angeordnet ist. Die Kurvenführung ist bei bevorzugten Ausführungsformen in der Wandung des vorzugsweise in einem Axialabschnitt zylinderhülsenförmig ausgebildeten Drehelementes vorgesehen und umfaßt vorzugs­ weise mindestens ein Paar, insbesondere genau ein Paar einander diametral gegenüberliegender Führungsschlitze für die Mitnehmer. Es ist selbstverständlich auch möglich, die Kurvenführung an dem Ansatz und die zugeordneten Mitnehmer an dem Drehelement vorzusehen.

Bei den vorzugsweise dem Ansatz zugeordneten, zum Eingreifen in die Kurvenführung ausgebildeten Mitnehmern kann es sich um einfache Stifte oder dergleichen handeln. Vorzugsweise sind jedoch beispielsweise aus Kugellagern gebildete Mitnehmer­ rollen vorgesehen, durch die eine besonders reibungsver­ lustarme Kopplung erzielbar ist. Zur gleichmäßigen Kraftver­ teilung um die Drehachse des Drehelementes herum ist es vorteilhaft, Mitnehmer paarweise diametral einander gegen­ überliegend anzuordnen, so daß sie koaxial mit einer quer zur Axialrichtung verlaufenden Mitnehmerachse liegen. Die Mitneh­ merachse kann in einem Winkel zum Exzenterabstand liegen, ist aber vorzugsweise im wesentlichen in Richtung des Exzenter­ abstandes ausgerichtet.

Mit Vorteil ist das Drehelement auswechselbar in der Betäti­ gungsvorrichtung angeordnet, wobei es vorzugsweise in einer Stirnseite der Betätigungsvorrichtung drehbar gelagert und vorzugsweise nach Lösen eines Befestigungsringes entnehmbar ist. Durch die leichte Auswechselbarkeit des Drehelementes ist es möglich, die gleiche Betätigungsvorrichtung je nach Bedarf an unterschiedliche Bedingungen anzupassen, beispiels­ weise unterschiedliche Ventilarten wie Drosselklappen- oder Kugelventile, oder auch unterschiedliche Schwenkwinkel des Ventils zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließ­ stellung zu berücksichtigen. Bei Ausführungsformen, bei denen die Kurvenführungen am Drehelement angeordnet sind, ist es durch Auswechslung des Drehelementes auch möglich, die Schließcharakteristik bzw. Öffnungscharakteristik der Betäti­ gungsvorrichtung durch entsprechende Ausbildung der Kur­ venführungen an die Erfordernisse der gewünschten Anwendung anzupassen. So können beispielsweise Kurvenführungen im wesentlichen geradlinig oder geknickt oder von Anfang bis Ende etwa kreisbogenförmig gekrümmt sein oder einen Verlauf haben, der eine Kombination dieser Elemente oder beispiels­ weise einen abschnittsweise geradlinigen und einen daran anschließenden progressiv sich krümmenden Abschnitt auf­ weisen. Weiterhin ist es vorteilhaft möglich, der Kurven­ führung auf beiden Seiten einen unterschiedlichen Kurvenver­ lauf zu geben, so daß beim Öffnen und schließen unterschied­ liche Zuordnungen zwischen Linear- und Drehbewegung gegeben sein können. So kann beispielsweise zum "Aufbrechen" des Ventils anfänglich eine noch stärkere Untersetzung zum Öffnen des Ventils erzielt werden und/oder beim Schließen des Ventils ein zunehmendes Untersetzungsverhältnis zwischen Linear- und Drehbewegung erreicht werden, das zu einer Vergrößerung des für das Ende des Vorgangs zur Verfügung stehenden Momentes führt.

Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausfüh­ rungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein können.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht in teilweisem Schnitt einer Ausführungsform der Betätigungsvorrichtung,

Fig. 2 einen Schnitt senkrecht zur Zylinderachse der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung,

Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1, der den zylinderwandnahen Bereich des Kolbens zeigt und

Fig. 4 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1, der den zylinderwandnahen Bereich des unteren Abschlußdeckels mit einem Befestigungsring zeigt.

In Fig. 1 ist in teilweisem Längsschnitt eine Betätigungsvor­ richtung 1 für ein drehbares Verschlußstück eines Ventils gezeigt. Es kann sich dabei um ein Drosselklappenventil handeln, das beispielsweise in einer Fluidleitung einer Anlage zur Verarbeitung von Nahrungsmitteln eingesetzt ist. Die auch als Stellorgan oder Stellantrieb bezeichenbare Betätigungsvorrichtung 1 hat ein kreiszylindrisch geformtes Gehäuse 2 mit einem kreiszylinderförmigen oder rundrohrförmi­ gen Zylinder bzw. Mantel 3 und einem einstückig mit diesem ausgebildeten, plattenförmig ebenen Zylinderdeckel 4, in dessen Mitte ein mit einem Innengewinde ausgestatteter Pneumatikanschluß 5 vorgesehen ist. Ein unterer Abschluß­ deckel 6 ist mittels eines Befestigungsringes 7 am anderen Ende des Mantels 3, in den der Abschlußdeckel 6 axial ein­ schiebbar ist, von innen festgelegt.

Der Edelstahl-Mantel 3 bildet einen Pneumatikzylinder, in dem ein Pneumatikkolben 10 parallel zur zentralen Zylinderachse 11 verschiebbar ist. Der Kolben 11 hat einen im wesentlichen scheibenförmigen Körper 12, an dessen dem Zylinderdeckel 4 zugewandten Oberseite eine flachzylindrische Ausnehmung 13 durch einen nach oben vorstehenden Rand 14 des Kolbens nach außen begrenzt ist. Zwischen Kolbenkörper 12 bzw. Kolbenrand 14 und Zylinder 3 existiert ein in Fig. 3 gut zu erkennender radialer Abstand, so daß der Kolbenkörper 12 den Zylinder nicht unmittelbar berührt. Um den Umfang des Kolbens herum verlaufen zwei axial mit Abstand zueinander angeordnete, zur Innenwand 15 des Mantels 3 geöffnete, im Querschnitt etwa rechtwinklige Umfangsnuten 16, 17. In die obere, dem Ar­ beitsraum 13 nächstliegende Dichtungsnut 16 ist ein aus elastisch kompressiblem Kunststoffmaterial bestehender, der Abdichtung des Kolbens dienender O-Ring 18 eingelegt, der innerhalb der Nut 16 in Axialrichtung etwas Spiel hat. In die untere Führungsnut 17 ist ein Führungsring 19 aus Polyoxy­ methylen (POM) spielfrei aufgenommen, der sich an der Zylin­ derinnenwand 15 derart abstützt, daß der Kolben im wesentli­ chen spielfrei im Zylinder 3 sitzt.

Der im Querschnitt rechtwinklige, eine zylindrische Außen­ fläche aufweisende Gleit- und Führungsring 19 ist im wesent­ lichen inkompressibel bzw. druckfest und bildet dank des rei­ bungsarmen, abriebsfesten Kunststoffmaterials eine gut gleitende, verschleißarme Materialpaarung mit der glatten Innenseite 15 des Edelstahlmantels 3. Bei anderen Aus­ führungsformen sind zur besseren Druckverteilung mehrere axial versetzte Gleit- und Führungsringe vorgesehen. Bei entsprechender Dimensioniereung und/oder Anzahl von Gleit- und Führungsringen können auch andere, ggf. weichere, rei­ bungsarme Materialien, beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE) alternativ oder ergänzend verwendet werden.

An der der Ausnehmung 13 bzw. dem Zylinderdeckel 4 abge­ wandten Unterseite des Kolbenkörpers 12 ist ein im Quer­ schnitt runder, zapfenförmiger Ansatz 20 vorgesehen, der einstückig mit dem Kolbenkörper 12 aus schweißbarem Edelstahl ausgebildet ist, dessen Länge etwa der Hälfte der Länge des Zylinders 3 und dessen Durchmesser etwa einem Viertel des Zylinder-Innendurchmessers entspricht. Die zur zentralen Zylinderachse 11 parallel versetzt verlaufende Mittelachse 21 des zylindrischen Ansatzes ist gegenüber der Mittelachse 11 um einen Exzenterabstand 22 seitlich versetzt, wobei der Exzenterabstand 22 bei der gezeigten Ausführungsform etwa 12% des Innenradius des zylindrischen Mantels 3 und ca. die Hälfte des Radius des Zapfens 20 beträgt.

Durch das untere Ende des Zapfens läuft senkrecht zur Zapfen­ achse 21 ein runder Querbolzen 25 hindurch, an dessen beiden Enden jeweils eine Mitnehmerrolle 26, 27, z. B. in Form eines Kugellagers, drehbar angebracht ist. Die Mitnehmerrollen 26, 27 drehen sich um eine gemeinsame Mitnehmerachse 28, die in Richtung des Exzenterabstandes 22 ausgerichtet ist.

Der Zapfen 12 greift axial beweglich in eine koaxial mit der Achse 21 verlaufende, zylindrische Bohrung 30 eines im kolbenzugewandten Bereich zylinderhülsenförmig ausgebildeten Drehelementes 31 ein. Das Drehelement 31 ist aus rostfreiem Stahl gefertigt und hat einen die Bohrung 30 aufweisenden, hülsenförmigen oberen Teil 32, in dem die Kurvenführung als ein Paar die Hülsenwandung ganz durchbrechender, diametraler Schlitze 33, 34 vorgesehen ist. Die Schlitze gehen, wie in Fig. 2 zu erkennen, bis zur oberen Stirnseite 35 des Dreh­ elementes durch. Dadurch ist es möglich, das Drehelement 31 nach unten von dem Zapfen 20 zu entkoppeln, ohne Veränderun­ gen an der Mitnehmeranordnung 26, 27 vornehmen zu müssen. Der hülsenförmige Mantel 32 des Drehelementes 31 geht an seinem der freien Stirnfläche 35 gegenüberliegenden Ende in eine wellenstumpfartige Abtriebswelle 36 über, die über die Unterseite des Abschlußdeckels 6 hinausragt und die durch beliebige Kupplungsmittel, beispielsweise durch in eine Querbohrung 37 eingesteckte Stifte, mit einem Verschlußkörper eines nicht gezeigten Ventils gekuppelt werden kann.

Das die Kurvenführungshülse 32 aufweisende Drehelement 31 ist in dem Abschlußdeckel 6 exzentrisch um die Achse 21 drehbar gelagert. Hierzu weist das Drehelement unterhalb des Hülsen­ abschnitts 32 einen im Durchmesser dünneren, zylindrischen Führungsabschnitt 38 auf, der sich in einer formangepaßten, zylindrischen Bohrung 39 des Abschlußdeckels drehen kann. Für die axiale Festlegung des Drehelementes sorgt eine drehfest mit der Abtriebswelle 36 verbundene, an die Unterseite des Zylinderabschnitts 38 angrenzende Scheibe 40, die sich in einer flachzylindrischen Ausnehmung 41 an der Unterseite des Abschlußdeckels 6 dreht. Im Bereich des Gleitlagers 38, 39 sind zwischen der Unterseite der Hülse 32 und dem Abschluß­ deckel bzw. der Oberseite der Scheibe 40 und dem Abschluß­ deckel Gleitringe 42, 43 aus reibungsarmem Kunststoff, wie PTFE, eingelegt.

Der Einbau oder Ausbau des Drehelementes 31 erfolgt zusammen mit dem Abschlußdeckel 6 mit Hilfe eines fast vollständig umlaufenden Befestigungsringes 7 (siehe Fig. 4). Ist der Ab­ schlußdeckel 6 mit dem Drehelement 31 entnommen, so kann dieses durch Entfernen der Scheibe 40 nach oben aus der zylindrischen Bohrung 39 herausgenommen und gegebenenfalls durch ein anderes Drehelement ersetzt werden. Da ein Dreh­ element die meisten drehbaren Elemente der Vorrichtung einschließlich der Kurvenführung und der Abtriebswelle beinhaltet, ist durch Austausch von Drehelementen schnell und einfach die Stellcharakteristik der Betätigungsverrich­ tung an andere zu drehende Bauelemente anpaßbar, indem beispielsweise ein anderes Drehelement mit anderem Drehwinkel zwischen seinen beiden Extremlagen und/oder anderer Line­ ar-/Dreh-Umsetzcharakteristik, also mit anders geformter Kur­ venführung eingesetzt wird. Durch die nach oben offenen Schlitze 33, 34 ist ein Abnehmen des Drehelementes vom Ansatz 20 ohne weiteres möglich.

Die Betätigungsvorrichtung arbeitet nach folgendem Verfahren. Die in Fig. 1 dargestellte Ruheposition entspricht im Bei­ spiel der Schließstellung des angekuppelten Ventils. Der Kolben 10 liegt am Zylinderdeckel 4 unter der Kraft einer vorgespannten, sowohl das Drehelement 31, als auch den Zapfen 20 umgebenden Schraubenfeder 23 an, die sich auf der Ober­ seite des Abschlußdeckels 6 und an der Unterseite des Kol­ benkörpers 12 abstützt. Wenn über den Pneumatikanschluß 5 Druckluft in den Zylinder eingelassen wird, bewegen sich der Kolben 10 und damit auch der Ansatz 20 und die Mitnehmer 26, 27 entgegen der Federkraft nach unten. Die Mitnehmerrollen rollen dabei auf den jeweils unten liegenden Begrenzungs­ flächen der Führungsschlitze 33, 34 der Kurvenführung ab, wobei beispielsweise der Mitnehmer 27 auf der in Fig. 1 sichtbaren Kurvenfläche 45 abrollt. Sofern sich ein Mitnehmer nicht auf einer vertikal verlaufenden Führungsfläche, sondern auf einer schräg zur Drehachse 21 des Drehelementes ver­ laufenden Führungsfläche abrollt, üben der Mitnehmer und die von diesem berührte Führungsfläche entgegengesetzt gerichtete Kräfte aufeinander aus.

Ein aus dem Abrollvorgang resultierendes Drehmoment will bei dem gezeigten Verlauf der Kurvenführung von oben gesehen (Fig. 2) eine Drehung des Drehelementes gegen den Uhrzeiger­ sinn bewirken, während die entgegengesetzt gerichtete Re­ aktionskraft eine Drehung des mit dem Mitnehmer gekoppelten Zapfens 20 um seine Zentralachse 21 in Gegenrichtung bewirken will. Die am Drehelement 31 angreifende Kraft führt zu einer Drehung des drehbar gelagerten Drehelementes um einen durch die Kurvenführung vorgegebenen Winkel, so daß in dem dar­ gestellten Beispiel bei Erreichen des unteren Endes 46 der Kurvenführung das Drehelement eine Drehung von etwa 90 Grad durchgeführt haben wird. Dabei wird der angekoppelte Ventil­ verschlußkörper aus einer Schließposition in eine Öffnungs­ position überführt. Das nach dem Reaktionsprinzip auf den Zapfen 20 wirkende, entgegengesetzt gerichtete Drehmoment möchte den Zapfen um seine koaxial mit der Drehachse des Drehelementes verlaufende Längsachse 21 drehen. Wie aus Fig. 2 deutlich wird, würde eine derartige Drehung wegen der Exzentrizität der Achse 21 in Bezug auf die Zylinderachse 11, die mit der Mittelachse des den Zylinder ausfüllenden Kol­ benkörpers 12 zusammenfällt, eine Kreisbewegung des Kolbens um die Achse 21 bewirken. Eine derartige Drehung des Kolbens wird jedoch durch die Zylinderwandung 3 verhindert, an deren Innenseite 15 sich der Kolben über den Führungsring 19 abstützt. Damit werden die eine axiale Drehung des Zapfens 20 versuchenden Kräfte durch den Zapfen und den Kolbenkörper 12 weitergeleitet und durch die Zylinderwandung aufgenommen, ohne daß sich der Kolben 10 drehen kann. Man kann auch sagen, daß eine Bewegung des Ansatzes 20 quer zu seiner Achse 21 durch das Drehelement, in dessen Bohrung 30 der Ansatz sitzt, blockiert wird. Allein durch die exzentrische Anordnung von Drehachse 21 des Drehelementes bzw. Längsachse 21 des Zapfens zur Zylindermittelachse 11 ist somit eine Drehsicherung für den Kolben 10 geschaffen, ohne daß hierfür gesonderte Ein­ richtungen wie spezielle Führungsnuten oder dgl., vorgesehen werden müssen.

Die Druckfestigkeit des Führungsring-Materiales sorgt dafür, daß der Kolben selbst die Zylinderinnenwand nicht berührt und daß der Dichtungsring nicht in einer seine Funktion beein­ trächtigenden Weise zusammengequetscht wird. Da der Führungs­ ring aus reibungsarmem Material, hier POM, besteht, ist trotz des Andruckes des Kolbens an die Innenwand 15 die Reibung zwischen Führungsring und Zylinderwand 3 so gering, daß der Kolben reibungsverlustarm durch das Druckgas nach unten gedrückt werden kann.

Wenn zum Schließen des angekuppelten Ventils (oder durch eine Betriebsstörung) der Pneumatikdruck soweit nachläßt, daß der durch die Feder 23 auf den Kolben ausgeübte Aufwärtsdruck den Druck im Arbeitsraum 13 des Kolbens überwiegt, so drückt die Feder den Kolben 10 nach oben. Dabei laufen wiederum die Mitnehmer 26, 27 in ihren zugeordneten Schlitzen 33, 34 der Kurvenführung, jedoch diesmal an den in Fig. 1 oben liegenden Führungsflächen 47 entlang. Die auf das Drehelement bzw. den Zapfen 20 wirkenden Drehmomente kehren ihre jeweiligen Richtungen um, wodurch das Drehelement 31 in Richtung auf die in Fig. 1 gezeigte Ruhestellung zurückgedreht wird, während die auf den Zapfen 20 wirkende gegengleiche Kraft durch die Zylinderwandung 3 aufgenommen wird, ohne daß es zu einer Drehung des Kolbens 10 kommen kann.

Es ist zu erkennen, daß die nicht nur zum Öffnen und Schlie­ ßen von Ventilen, sondern auch in anderen Bereichen ein­ setzbare Betätigungsvorrichtung 1 mit einem Minimum an für die Funktion erforderlichen Komponenten auskommt, wodurch ein kostengünstiger Aufbau und eine geringe Baugröße sowie ein geringer Energieaufwand realisiert werden können. Statt der Verwendung geradliniger Führungssysteme zur Sicherung des Kolbens gegen Verdrehen wird der zylindrische Körper des Stellorgans selbst, der als notwendiges Bauteil ohnehin vorhanden ist, als Gegenlagerung für eine Drehsicherung eingesetzt. Dieser große technologische Fortschritt für den Bereich des Stellgliedbaus wird durch einen durch seine schiere Einfachheit verblüffenden kleinen Schritt ermöglicht, nämlich den durch den Exzenterabstand 22 angebbaren Schritt der Drehachse 21 und der Zapfenachse 21 heraus aus der durch die Achse 11 definierten Mitte des Zylinders. Ein kleiner Schritt für eine Achse, aber ein großer Schritt in Richtung auf ein einfach aufgebautes, kostengünstig herstellbares und zuverlässig arbeitendes, universell einsetzbares Stellorgan, durch das eine Linearbewegung eines Kolbens in eine Dreh­ bewegung eines achsparallel zu dessen Bewegungsrichtung angeordneten Abtriebs umwandelbar ist.

Claims (11)

1. Betätigungsvorrichtung für ein drehbares Bauelement, insbesondere einen Verschlußkörper eines Drosselklappen­ ventils, mit einem zumindest einseitig pneumatisch beaufschlagbaren Kolben, der in einem Zylinder axial beweglich ist und der einen sich axial erstreckenden Ansatz hat, der mittels einer Kurvenführung und Mitneh­ mern derart mit einem mit dem Bauelement koppelbaren Drehelement gekoppelt ist, daß eine Axialbewegung des Kolbens in eine Drehbewegung des Drehelementes umgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansatz (20) eine Mittelachse (21) hat, die von einer Innenwand (15) des Zylinders (3) einen in Umfangsrichtung des Zylinders veränderlichen radialen Abstand hat.

2. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Ansatz (20) exzentrisch an einem runden Kolben (10) angebracht und/oder einstückig mit diesem ausgebildet ist.

3. Betätigungsvorrichtungen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelachse (21) des Ansatzes (20) um einen radialen Exzenterabstand (22) gegen eine Mittelachse (11) des Zylinders (3) versetzt ist, wobei der Exzenterabstand vorzugsweise zwischen 5% und 30%, insbesondere zwischen 10% und 15% des Radius des Zylinders (3) beträgt.

4. Betätigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ansatz (20) keine gesonderten Linearführungselemente zur gerad­ linigen, drehgesicherten Führung des Ansatzes zugeordnet sind.

5. Betätigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (10) an seinem Umfang mindestens einen sich an der Innenwand (15) des Zylinders (3) abstützenden Führungsring (19) aus druckfestem Material aufweist, wobei vorzugsweise mehrere, insbesondere zwei, axial versetzte Führungs­ ringe vorgesehen sind.

6. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Führungsring (19) aus einem Material besteht, das mit dem Material der Innenwand (15) des Zylinders eine gut gleitende Materialpaarung bildet, wobei vorzugsweise der Führungsring aus einem reibungsarmen Kunststoff besteht, insbesondere aus Polyoxymethylen (POM).

7. Betätigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (10) mindestens eine, vorzugsweise zusätzlich zu mindestens einem Führungsring (19) vorgesehene, umlaufende Dichtung (18), insbesondere einen O-Ring, aufweist, wobei die Dichtung vorzugsweise mit axialem Spiel in einer Um­ fangsnut (16) des Kolbens (10) angeordnet ist.

8. Betätigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansatz (20) ein zylindrischer Zapfen ist, der vorzugsweise in einer zylindrischen Bohrung (30) des Drehelementes (31) axial geführt ist.

9. Betätigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurvenführung (33, 34) in der Wandung eines hülsenförmigen Abschnitts (32) des Drehelementes (31) vorgesehen ist.

10. Betätigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Ansatz (20) zum Eingreifen in die Kurvenführung (33, 34) ausgebildete Mitnehmer, insbesondere mit Mitnehmerrollen (26, 27), vorgesehen sind, die vorzugsweise diametral einander gegenüberliegend koaxial mit einer Mit­ nehmerachse (28) angeordnet sind, die vorzugsweise in Richtung des Exzenterabstandes (22) ausgerichtet ist.

11. Betätigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehelement (31) auswechselbar in der Betätigungsvorrichtung (1) angeordnet ist, wobei es vorzugsweise in einer Stirn­ seite (6) der Betätigungsvorrichtung drehbar gelagert und, vorzugsweise nach Lösen eines Befestigungsringes (7), entnehmbar ist.