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"Hydraulischer Drehstellmotor" Die Erfindung bezieht sich auf einen
hydraulischen Drehstellmotor mit einem zu einer Stellwelle konzentrischen, nach
außen abgedichteten zylindrischen Ringraum, in dem mindestens ein von einer Druckdifferenz
eines hydraulischen Arbeitsmittels beaufschlagtes, die Stellwelle antreibendes Kolbenelement
und mindestens eine feste Trennwand angeordnet sind.
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Solche Drehstellmotoren sind bereits seit langem bekannt und sowohl
in der Anwendung als Antriebe zur Erzeugung großer Drehmomente als auch für Regelaufgaben
bewährt. Bei solchen bekannten Drehstellmotoren ist das Kolbenelement als Ereisringsegment-Kolben
ausgebildet, der in einem ringförmigen Gehäuse drehbar angeordnet über eine feste
Verbindung mit
der Stellwelle verbunden ist. Solche Drehstellmotoren
haben den Nachteil, daß mit ihnen Drehwinkel wesentlich über 3000 nicht erreicht
werden können. Es ist zwar möglich, eine Vergrößerung der Drehwinkel dadurch zu
erreichen, daß zwischen der abtreibenden Welle des Motors und der eigentlichen Stellwelle
ein Getriebe geschaltet wird. Durch dieses Getriebe erhöhen sich jedoch neben dem
Aufwand auch die Verluste und die Wartung derartig, daß ein solcher Drehstellmotor
als Stellantrieb für beispielsweise feinfühlige Stellglieder von Regelkreisen ungünstig
wird.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist daher darin zu sehen,
einen hydraulischen Drehstellmotor zu schaffen, mit dem Drehwinkel von 3600 und
mehr erreichbar sind.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung dadurch, daß
das Kolbenelement als freilaufender (ungelagerter) Zahnradkolben ausgebildet ist,
der sich am Innenumfang eines mit einer Innenverzahnung versehenen feststehenden
ringförmigen Gehäusesabwälzt und mit einem auf der Stellwelle starr befestigten
Abtriebszahnrad in Eingriff steht.
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Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Lehre ergeben sich für die Stellwelle
Drehwinkel von einer und mehr Umdrehungen, und zwar dadurch, daß das Kolbenelement
nicht starr mit der Stellwelle verbunden ist, sondern als freilaufender Zahnradkolben
ausgebildet ist und unter Einfluß der Druckdifferenz des hydraulischen Arbeitsmittels
sich in dem Ringraum um die Stellwellenachse dreht und zusätzlich infolge des Abwälzens
auf dem innenverzahnten Außenumfang des Ringraumes eine Drehung um seine eigene
Achse ausführt. Bei diesen Drehungen steht der Zahnradkolben mit dem auf der Stellwelle
starr
befestigten Abtriebszahnrad in Eingriff und überträgt somit
seine Drehbewegungen auf die Stellwelle, wobei noch das Verhältnis der Zahnraddurchmesser
zu berücksichtigen ist.
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Im Hinblick auf eine besonders günstige Kräfteverteilung an der Stellwelle
ist es vorteilhaft, wenn zwei einander diametral gegenüberliegende Zahnradkolben
und zwei Trennwände vorgesehen sind. Selbstverständlich kann auch eine noch größere
Anzahl von Zahnradkolben und eine entsprechende Anzahl von Trennwänden vorgesehen
sein.
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Wenn besonders große Drehwinkel erreicht werden sollen, empfiehlt
es sich, ein Übersetzungsverhältnis von größer als 1 für Zahnradkolben und Äbtriebszahnrad
vorzusehen.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Trennwand
elastisch dichtend gegenüber dem Abtriebszahnrad angeordnet ist. So ist es besonders
vorteilhaft, wenn die Trennwand eine Führung für einen federbelasteten, radial beweglichen
Dichtkolben aufweist, der sich dichtend an den Außenumfang des Abtriebszahnrades
legt. Anstelle der Federbelastungvkann der Dichtkolben auch durch das hydraulische
Arbeitsmittel belastet sein, indem dem Dichtkolben eine Druckkammer zugeordnet ist,
die über Rückschlagventilemit den Druckräumen des Ringraumes beiderseits der Trennwand
verbunden ist. Auf diese Weise wird die Druckkammer immer mit Druckmittel aus dem
druckführenden Teil des Ringraumes beaufschlagt.
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Weitere Vorteile werden anhand der Zeichnung näher erläutert, die
ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer perspektivischen, teilweise geschnittenen
Explosionsdarstellung zeigt.
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Mit 1 ist ein im wesentlichen ringförmiges Motorgehäuse bezeichnet,
das auf einer Stirnseite einen Flansch 2 aufweist. Der Flansch 2 geht an seinem
unteren Ende in einen Fuß 4 über, der Bohrungen zur Befestigung des Drehstellmotors
und zur Aufnahme des Rückdrehmomentes auf weist.
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Ein scheibenförmiger Deckel 3 wird an der offenen Stirnseite des Gehäuses
befestigt, so daß der von dem Ringgehäuse 1 eingeschlossene Raum nach außen hin
abgedichtet ist. Zur Befestigung des Deckels 3 sind an dem Flansch 2 Bolzen 6 starr
befestigt, wozu am oberen Teil des Flansches beispielsweise ein den Bolzen 6 aufnehmendes
Auge 5 vorgesehen ist. Der Deckel 3 weist ebenfalls Augen 9 mit Durchgangsbohrungen
8 zur Durchführung der Befestigungsbolzen 6 auf. Unter Zuhilfenahme von Muttern
7, die auf das Gewinde der Befestigungsbolzen aufgezogen werden, und gegebenenfalls
von hiar nicht dargestellten Sicherungsscheiben wird der Deckel 3 an dem Gehäuse
1 befestigt.
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Koaxial zu dem Gehäuse 1 ist eine Stellwelle 10 angeordnet, auf der
ein Abtriebszahnrad 12 starr befestigt ist. Das Abtriebsrad 12 steht mit einem zylindrischen
Zahnradkolben 11 in Eingriff, der in einem zwischen dem Abtriebszahnrad 12 und dem
ringförmigen Gehäuse 1 gebildeten Ringraum 13 umläuft. Das Gehäuse 1 weist an seinem
inneren Umfang eine Innenverzahnung 15 auf, an der sich der Zahnradkolben 11 bei
seinem Umlauf im Ringraum 13 abwälzt. Mit 14 ist eine als Anschlag sowie als Druckraumbegrenzung
dienende Trennwand bezeichnet. Der Ringraum 13 wird durch die Trennwand 14 und den
Zahnradkolben 11 in zwei Teilringräume aufgeteilt, die des besseren Verständnisses
der Wirkungsweise des Drehstellmotors wegen mit einem II "+" und einem "-" - gekennzeichnet
sind. Beiderseits der Trennwand 14 sind in dem Deckel 3 oder in dem Flansch 2 Anschlüsse
16 und 17 für
die Zuführung des hydraulischen Arbeitsmittels bzw.
für dessen Abführung vorgesehen.
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Um eine wirkungsvolle Dichtung zwischen den beiden Druckräumen zu
erzielen, weist die Trennwand 14 in einer Führung 19 einen radial nach innen beweglichen
Dichtkolben 18 auf, der durch eine Feder 20 belastet auf den Außenumfang des Abtriebszahnrades
12 gedrückt wird.
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Mit strichpunktierten Linien sind ein zweiter Zahnradkolben lla und
eine zweite Trennwand 14a eingezeichnet, um eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Drehstellmotors anzudeuten. Für diesen Fall sind auch ein zusätzlicher Zuleitungs-
bzw. Abführungsanschluß 16a und 17a für das hydraulische Druckmittel vorzusehen.
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Im Deckel 3 ist ebenso wie im Flansch 2 ein Bauteil 22 vorzusehen,
das eine Dichtung und ein Lager aufnimmt, die hier jedoch nicht näher dargestellt
sind. Ebenso muß der Deckel eine Zentrierung gegenüber dem-Gehäuse 1 aufweisen,
die in der Zeichnung ebenfalls nicht im einzelnen gezeigt ist.
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Im folgenden soll nun die Funktion und Wirkungsweise des erfindungsgemäßen
Drehstellmotors erläutert werden. Es soll dabei von einem Motor ausgegangen werden,
in dessen Ringraum vorerst nur ein Zahnradkolben 11 und eine Trennwand 14 angeordnet
sind. Weiterhin soll angenommen werden, daß der Zahnradkolben 11 in einer Position
nahe der Trennwand 14 steht, die ausgehend von einer durch die Trennwand gelegten
Vertikalen und im Uhrzeigersinne gezählt einem Winkel von etwa 450 entspricht.
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Wird nun über den Anschluß 16 hydraulisches Arbeitsmittel, beispielsweise
unter Druck stehendes Öl, in den zwischen
dem Zahnradkolben 11 und
der Trennwand 14 verbliebenen Teil des Ringraumes 13 gepresst, so wird auf den Zahnradkolben
11 eine Kraft ausgeübt, die sich aus dem Öldruck und der beaufschlagten Fläche,
nämlich dem Produkt aus Länge und Durchmesser des Zahnradkolbens 11, ergibt. Die
Resultierende dieser Flächenkraft greift ungefahr im Mittelpunkt des Zahnradkolbens
an und ist bestrebt, diesen in dem Ringraum 13 im Uhrzeigersinne um die Stellwellenachse
herum zu drehen.
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Eine solche freie Drehung des Kolbenelementes wird jedoch dadurch
verhindert, daß dieses als Zahnradkolben 11 ausgebildet ist und sowohl gegenüber
dem mit einer Innenverzahnung 15 versehenen ringförmigen Gehäuse 1 als auch gegenüber
dem auf der Stellwelle angeordneten Abtriebszahnrad 12 in Zahneingriff steht. Während
die Stellwelle 10 nun drehbar ist, ist das Gehäuse 1 eine starre und feststehende
Einheit, so daß sich der Zahnradkolben 11 auf der Innenverzahnung 15 des Gehäuses
1 unter Mitnahme des Abtriebszahnrades 12 abwälzt.
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Dabei ergibt sich an den Zahnberührungspunkten des Zahnradkolbens
11 und des Abtriebszahnrades 12 eine Kraft, die halb so groß ist wie die auf den
Zahnradkolben 11 wirkende, aus dem Öldruck herrührende Kraft. Unter der Voraussetzung,
daß der Zahnradkolben und das Abtriebszahnrad gleiche Durchmesser haben, berechnet
sich ein theoretisches Drehmoment an der Abtriebswelle als Produkt aus dem Öldruck,
der Zahnradkolbenlänge und dem Quadrat des Zahnradkolbenhalbmessers.
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Der mit diesem Drehstellmotor erreichbare Drehwinkel setzt sich zusammen
aus der Drehung des Zahnradkolbens 11 um die Stellwelle - sie beträgt bei nur einem
Zahnradkolben ca.
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2700 - und aus der infolge der Abwälzung auf der Innenverzahnung 15
des Gehäuses 1 herrührenden Drehung des Zahnradkolbens
11 um seine
eigene Achse. Diese Drehung wird unter Berücksichtigung des Ubersetzungsverhältnisses
zwischen Zahnradkolben und Abtriebszahnrad auf das Abtriebszahnrad und somit auf
die Stellwelle übertragen. Dieser aus der Abwälzung herrührende Drehwinkel beträgt
unter der Annahme, daß die Teilkreisdurchmesser des Zahnradkolbens ii und des Abtriebszahnrades
12 gleich sind und mit D bezeichnet werden, der Geilkreisdurchmesser der Innenverzahnung
15 des Gehäuses 1 somit 3D beträgt, 3 . 270Q z 8100. Der insgesamt erreichbare Drehwinkel
der Stellwelle beträgt somit 2700 + 8100 - 1 0800, also drei ganze Umdrehungen.
Eine Umkehrung der Drehrichtung der Stellwelle wird erreicht, indem statt des Anschlusses
16 der Anschluß 17 mit Drucköl beaufschlagt wird0 Wird dagegen ein Drehstellmotor
verwendet, bei dem anstelle eines Zahnradkolbens zwei solcher Kolben und anstelle
einer Trennwand deren zwei vorgesehen sindt so können zwar nicht so große Drehwinkel
wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform erreicht werden, jedoch weist dieser
Drehstellmotor den Vorteil des Kräfteausgleichs an der Stellwelle 10 auf. Hierbei
sind nämlich die beiden Zahnradkolben 11 und lla einander diametral gegenüber angeordnet,
so daß sich die aus den in tangentialer Richtung wirkenden Zahnkräften herrührenden
und auf die Stellwelle wirkenden Biegekräfte aufheben. Unter der Voraussetzung,
daß wieder die Teilkreisdurchmesser von Zahnradkolben und Abtriebszshnrad gleich
sind und daß eine Verschiebung der Zahnradkolben 11 bzw. lla im Ringraum 13 um einen
Winkel von ca. 900 zugelassen werden kann, ergibt sich für den mit zwei Zahnradkolben
ausgeführten Drehstellmotor immerhin ein Drehwinkel von insgesamt 3600.
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Wird darüber hinaus zwischen dem Zehnradkolben 11 und dem Abtriebszahnrad
12 ein obersetzungsverhältnis von größer als 1 angenommen, so lassen sich noch größere
Drehwinkel bei den beiden zuvor genannten Ausführungen erreichen.
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Um die beiden Druckräume "+" und n-" gegeneinander gut abzudichten,
weist die die in einer Nut des ringförmigen Gehäuses 1 starr befestigte Trennwand
14 einen radial nach innen federnd beweglichen Dichtkolben 18 auf, der auf den Außendurchmesser
des Abtriebszahnrades 12 gedrückt wird.
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Anstelle der Feder 20 könnte auch eine in der Zeichnung nicht dargestellte
Druckbelastung des Dichtkolbens 18 derart vorgesehen sein, daß der die Federn aufnehmende
Raum, in dem der Dichtkolben 18 gleitet, mit den beiden Druckräumen des Ringraumes
13 beiderseits der Trennwand 14 über Rückschlagventile verbunden sind. Auf diese
Weise wäre diese Druckkammer immer mit dem Druckraum verbunden, der mit dem hydraulischen
Druckmittel beaufschlagt ist, also der +-Druckraum ist.
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Die federnd nachgiebige Dichtung dürfte eine ausreichende Abdichtung
der beiden Druckräume im Bereich der Trennwand 14 gewährleisten. Am Zahnradkolben
11 erfolgt die Dichtung der beiden Druckräume gegeneinander dadurch, daß infolge
des Öl druckes die Zahnflanken der gerade im Eingriff befindlichen Zähne des Zahnradkolbens
11 fest und dichtend auf die entsprechenden Zahnflanken der Zähne der Innenverzahnung
15 bzw. des Abtriebszahnrades 12 gedrückt werden. Ein Leckverlust kann somit höchstens
über die an den Innenflächen des Gehäuseflansches 2 bzw. Gehäusedeckels 3 gleitenden
Stirnflächen des Zahnradkolbens 11 auftreten. Dieser Leckverlust, der gleichzeitig
zur Schmierung dieser Gleitflächen
beiträgt, kann durch Einarbeitung
von Schmier- und Dichtnuten in die Stirnflächen der Zahnradkolben auf ein vernachlässigbares
Mindestmaß herabgesetzt werden.
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Bei der Gesamtbetrachtung des erfindungsgemäßen Drehstellmotors ergibt
sich somit, daß ein Stellmotor geschaffen wurde, der gegenüber allen bisher bekannten
Stellmotoren wesentlich erhöhte Stellwinkel verwirklicht, die je nach Konstruktionsausführung
in einem sehr weiten Bereich variiert werden können. Als besonders vorteilhaft ist
auch hervorzuheben, daß die Einzelteile des erfindungsgemaßen Drehstellmotors ohne
Schwierigkeiten gefertigt werden können, so daß auch der Aufwand für die Herstellung
der Einzelteile vergleichsweise gering ist.
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9 Seiten Beschreibung 7 Patentansprüche 1 Bl. Zeichnung mit 1 Figur