DE2332125A1

DE2332125A1 - Pneumatischer stellmotor

Info

Publication number: DE2332125A1
Application number: DE19732332125
Authority: DE
Inventors: John Tugwell
Original assignee: KELOR Ltd
Current assignee: KELOR Ltd
Priority date: 1973-06-25
Filing date: 1973-06-25
Publication date: 1975-01-23

Description

PATENTANWÄLTE
DR. I. MAAS

8 MÜNCHEN 40

SCHLEISSHEIMER STR.299-TEL 3592201/205

KSLOR LIMITED, Sussex RII 16, ITL, England

Pneumatischer Stellmotor

Die Erfindung betrifft pneumatische Stellmotoren der Art, bei der Federn für die Rückkehr in die Ausgangslage verwendet werden, sowie Vorrichtungen und Verfahren zur pneumatischen Vergrößerung der Druckkraft der Federn, die auf die Gtellmotorkolben wirken.

Obgleich hier Stellmotoren mit Zylindern und Kolben als Beispiel angeführt werden, sollen die Ausdrücke "Kolben" und "Zylinder" auch alle solchen Komponenten bei anderen Arten pneumatischer Stellmotoren umfassen, die die gleiche Funktion erfüllen; beispielsweise würde bei einem durch eine Membran betätigten Stellmotor der Zylinder dem Membrangehäuse entsprechen, das die komprimierte Luft aufnimmt (wobei das Wort "Luft" auch anderweitiges Gas einschließen soll), sowie die Membrane dem Kolben.

Ein Stellmotor der oben erwähnten Art, der pneumatisch betrieben wird und eine Rückstellfeder aufweist, umfaßt einen Kolben und einen Zylinder, in dem der Kolben in dem einen Richtungssinn von der Feder und in dem anderen Rich-

409884/0071

tungssinn pneumatisch gedrückt wird, d.h. er ist im pneumatischen Sinne einfachwirkend. Demnach wird der Kolben dann, wenn seiner einen Seite Druckluft zugeführt wird, derart beaufschlagt, daß er die Federeinrichtung spannt und eine nutzbare Ausgangsdruckkraft schafft; läßt man die Druckluft entweichen, so wird der Kolben radientförmig zurückgeführt, während die Federeinrichtung sich entspannt, und zwar mit einer nutzbaren, jedoch umgekehrten Ausgangsdruckkraft. Diese umgekehrte Ausgangsdruckkraft verringert sich linear beim Entspannen der Federeinrichtung, so daß die am Ende verfügbare Druckkraft, wenn der Kolben zur Ruhe kommt, erheblich geringer ist als die anfängliche Rückkehrdruckkraft.

Es ist diese Begrenzung der verringerten, am Ende noch vorhandenen Umkehrdruckkraft, die die Erfindung durch pneumatische Mittel zu entfernen sucht, ohne daß der Luftverbrauch vergrößert würde. Wo bereits vorgeschlagen wurde, die Federdruckkraft dadurch zu vergrößern, daß man Druckluft in einem dem Motor benachbarten oder angefügten Behälter speicherte, wobei diese gespeicherte Luft ergänzend der Feder während des Rückkehrhubes zugeführt wurde, vergrößerte dieses Verfahren den Luftverbrauch. Die Federeinrichtung hat gewöhnlich die Form einer Kompressions- oder Druckfeder (könnte jedoch theoretisch auch eine Spannungsbzw. Zugfeder sein), so daß es als angebracht erscheint, sich auf die "Federseite" des Kolbens zu beziehen, womit diejenige Seite gemeint ist, auf der die Druckfeder angeordnet ist.

Die Erfindung besteht darin, für die Übertragung eines nutzbaren bzw. zweckmäßigen Teils der Druckluft in dem Zylinder von der einen Saite des Kolbens zur Federseite desselben zu sorgen und sodann die Luft auf der Federseite zurückzuhalten, v/ährend die Luft auf der anderen Seite des Kolbens freigelassen wird. Die zurückgehaltene Luft

409884/0073 original inspected

fährt fort sich zu entspannen und, gemeinsam mit der Feder, auf den Kolben zu wirken und Arbeit zu leisten, wobei der Kolben seinen Hub mit einer Druckkraft durchführt, die aus der Summe aus Federdruckkraft und derjenigen Druckkraft besteht, die vom Druck der Luft auf die Federseite des Kolbens herrührt.

Die Vorrichtung, mittels welcher dieses Verfahren des Übertragens und Zurückhaltens der Luft durchgeführt wird, weist gemäß der Erfindung Ventileinrichtungen auf, die durch die Bewegung des Kolbens betätigt werden. Die ventilbetätigenden Einrichtungen können aus einem Ansdhlag auf der Kolbenstange bestehen, der im Falle eines linearen Motors das Ventil schaltet, oder aus einer Kurvenscheibe im Falle eines Motors, der einen drehenden Ausgang aufweist.

Vorzugsweise weist ein Stellmotor gemäß der Erfindung doppeltwirkende Zwillingskolben auf, die in einer zylindrischen Bohrung und in zueinander entgegengesetzten Richtungen arbeiten, wobei drei Druckkammern vorhanden sind, nämlich eine zwischen den Kolben und eine auf der jeweils anderen Seite jedes Kolbens; innerhalb jeder der letztgenannten Kammern ist eine Kompressionsfeder vorgesehen. Stellmotoren dieser Art mit einander entgegengesetzten Kolben sind an sich bekannt. Innerhalb derselben weisen die beiden Kolbenstangen Zahnleisten auf, die in ein Ritzel eingreifen, auf das die Zahnleisten ein Kräftemoment ausüben.

Ein derartiger Stellmotor, ausgestaltet gemäß der Erfindung, wird nun im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

40988/*/0073

-4- 2337125

Es zeigt:

Fig. 1 einen Stellmotor der doppeltwirkende Zwillingskolben aufweisenden Art mit Rückstellfedern und einem Drehausgang, versehen mit nockenbetätigten Ventileinrichtungen, dargestellt in der Ruhe- (oder Anfangs-) stellung;

Fig. 2 den gleichen Stellmotor am Ende seines Krafthubs;

Fig. 3 den gleichen Stellmotor während seines Rückkehroder Umkehrhubes vor dem mechanischen Betrieb des Ventils;

Fig. 4 den Stellmotor noch während seines Umkehrhubes, jedoch nach mechanischer Betätigung des Ventils.

Gemäß Fig. 1 ist der gezeigte Stellmotor von der Art mit Doppelkolben, bei der die lineare Bewegung der Kolben in eine Ausgangsdrehbewegung umgeformt wird, wobei ein voller Hub der Kolben bei diesem Ausführungsbeispiel zu einer Ausgangsdrehung von 9o° führt. Die typische Verwendung eines solchen Stellmotors besteht darin, ein Schmetterlings- bzw. Drosselklappenventil oder ein Kugelventil zu bedienen, von denen beide Ventiltypen jeweils ein größeres Moment für das Schließen oder das Öffnen aufweisen, als für die dazwischenliegende Bewegung. Der noch zu beschreibende Stellmotor sorgt für das größte Drehmoment am Beginn des Leistungshubes und am Ende des Rückkehrhubes und ist deshalb für die Verwendung bei solchen Ventilen besonders geeignet.

Der Stellmotor weist einen Zylinder 1 auf, in dem zwei einander entgegengesetzte, doppeltwirkende Kolben 2 angeordnet sind und axial aufeinander zu oder voneinander weg gleiten. Jeder Kolben besitzt eine gezahnte Kolbenstange 2A, die sich vom Kolben in axialer Richtung in

409884/0073

-s- 2337125

Richtung auf den anderen Kolben erstreckt. Die Kolbenstangen sind radial gegeneinander versetzt, so daß die gezahnten Kolbenstangen 2A auf einander entgegengesetzten Seiten eines Ritzels 4 eingreifen, das auf einer Ausgangswelle 5 befestigt ist. Eine Bewegung der Kolben 2 voneinander weg führt zu einer Drehung der Welle 5 entgegen dem Uhrzeigersinne, und zwar in dem gezeigten Ausführungsbeispiel über einen Winkel von 9o°.

Jeder Kolben 2 wird von einer Druckfeder 3, von denen eine oder auch mehrere jedem Kolben zugeordnet sein können, in Richtung auf das Ritzel 4 gedrückt, so daß, wie in Fig. 1 gezeigt ist, die Kolben 2 die gezeigte Stellung einnehmen, wenn im Stellmotor keine Druckluft vorhanden ist.

Die innere Druckkammer 6, die von und zwischen den beiden Kolben 2 und dem Zylinder 1 gebildet und demzufolge beiden Kolben gemeinsam ist, kann über eine bei 6A diagrammatisch angedeutete Öffnung mit Druckluft versorgt oder gelüftet werden, während die beiden anderen Kammern 7, deren jede von einem Kolben 2 und dem Zylinder 1 gebildet wird, über eine Leitung 8 durch Öffnungen bei 7A strömungsmäßig miteinander verbunden sind. Die Welle 5 (die wiederum diagrammförmig mit einer gestrichelten Linie dargestellt ist) trägt außerhalb des Zylinders 1 eine Kurvenscheibe bzw. einen Nocken 21, der mit zwei Flächen 21A und 21B unterschiedlicher Höhe versehen ist, von denen jede einen konstanten, jedoch vom anderen abweichenden Radius aufweist, sowie eine Übergangsfläche 21C zwischen den genannten beiden Flächen. Die Welle 5 erstreckt sich vom Zylinder 1, in dem sie getragen wird, durch eine Druckdichtung.

Es ist ein betriebsmäßig mit dem Nocken 21 verbundenes Ventil vorgesehen, das vorzugsweise außen am Zylinder 1 fest montiert ist und einen Hohlkörper 11 aufweist, in

409884/0073

dem öffnungen 12, 13, 15 und 16 vorgesehen sind, die geschlossen, geöffnet oder miteinander verbunden werden können, und zwar mittels eines Wechselventilelements 17 und eines Kolbenelements 18.

Das Element 17 wird von einer Druckfeder 19 in Richtung auf den Nocken 21 gedrückt, wobei die Federkräfte mittels einer Schraube 2o einstellbar sind. Das Element 17 ist ferner mit einem Anschlag 17Λ versehen, das an der Schraube 2o zur Anlage kommt, wenn das Element 17 mittels pneumatischen Drucks in Richtung auf diese gedrückt wird.

Das Kolbenelement 18 ist mit zwei sich axial von ihm wegerstreckenden Vorsprüngen versehen, und zwar einem Vorsprung 18A, der ein Folgeelement bezüglich des Nockens 21 bildet, und entgegengesetzt dazu einen Vorsprung 18B, der in bestimmten Ventilstellungen am Element 17 anliegt.

Die Öffnung 12 ist strömungsmäßig über eine Leitung 9 mit den Kammern 7 verbunden; die Öffnung 13 ist strömungsmäßig mit der Kammer 6 über eine Leitung Io verbunden; die Öffnung 15 ist zur Umgebung hin offen und die Öffnung 16 ist kontroll- und steuerbar mit einer Druckluftquelle oder mit der Atmosphäre über eine Leitung 14 verbunden.

Führt man der Öffnung 16 Druckluft zu, dann werden die Elemente 17 und 18 durch den Luftdruck voneinander weg gedrängt, wodurch die Kammern 7 über die Öffnungen 12 und 15 gemäß Fig. 2 strömungsmäßig mit der Atmosphäre verbunden werden. Die Druckluft strömt durch die öffnungen 16 und 13 zur Kammer 6, drückt die Kolben 2 auseinander und dreht den Nocken 21 entgegen dem Uhrzeigersinne um 9o° in die Stellung gemäß Fig. 2.

409884/0073

Schaltet man die Druckluft ab und öffnet man die Leitung zur Atmosphäre (was sich beispielsweise mittels eines Dreiwege-Elektromagnetventils durchführen läßt), so wird das Wechselventilelement 17 von der Feder 19 zum Element 18 hin gedrückt, bis es dadurch zur Ruhe kommt, daß es den Vorsprung 18B desselben berührt. Fig. 3 zeigt diese Stellung des Wechselventilelements 17, und man kann sehen, daß auch das Element 18 vom Element 17 und der Feder 19 zum Nocken 21 hin gedrückt wird, um diesem zu folgen, wobei der Vorsprung 18A sodann die Nockenfläche 21B berührt.

Nunmehr sind die Kammern 6 und 7 über die öffnungen 12 und 13 und das Wechsel vent ilelement 17 in der gezeigten V/eise miteinander verbunden; die Kolben 2 werden durch ihre Federn 3 aufeinander zugedrückt. Während die Kolben 2 sich aufeinander zu bewegen, wird eine Phasenlage innerhalb ihres jeweiligen Hubs erreicht, die etwa 6o% des Hubes ausmacht; in dieser Phasenlage ist genügend Luft aus der Kammer 6 in die Kammern 7 übertragen worden. In dieser Phasenlage wird das Kolbenelement 18 von der Übergangsfläche 21C von der Fläche 21B zur Fläche 21A bewegt. Das Element 17 wird vom Element 18 bewegt, um die in Fig. 4 gezeigte Stellung einzunehmen. Nunmehr wird die Kammer 6 über die Öffnungen 13 und 16 und die Leitung 14 zur Atmosphäre hin entlüftet, während die Öffnung 12 vom Element 17 abgeschlossen ist, so daß die in die Kammern 7 übertragene, komprimierte Luft eingeschlossen ist. Diese eingeschlossene Luft fährt fort zu expandieren, bis die Kolben 2 in ihren Stellungen gemäß Fig. 1 zur Ruhe kommen, wobei sie noch der Druckkraft der Federn 3 und der Druckkraft der eingeschlossenen Luft unterworfen sind, die beispielsweise zwischen 3/8 bis 1/2 desjenigen Drucks aufweisen kann, den die Druckluftquelle aufweist. Dieser Enddruck ist abhängig von dem Punkt des Rückkehrhubes, an dem das Element 18 vom Nocken 21 betätigt wird, sowie durch die relativen

409884/0073

Volumen der Kammern 6 und 7 am Anfang und am Ende der Hübe der Kolben 2.

Bei einer Variante der beschriebenen Vorrichtung ist es möglich, das Vechselventil statt durch den Nocken durch die Bewegung der Kolbenführungsstangen zu betätigen; beispielsweise kann eine Hebelverbindung z\/ischen einer oder beiden der Führungsstangen und der Ventilstange ISA vorgesehen sein, oder eine der Führungsstangen kann eine an ihr angeformte Steuerfläche aufweisen, gegenüber welcher der Fortsatz ISA ein Folgeelement bzw. einen Abtaster bildet.

409884/0073

Claims

Patentansprüche

Pneumatischer Stellmotor, gekennzeichnet durch einen zwei Druckkammern trennenden, doppeltwirkenden Kolben, eine Federeinrichtung, um den Kolben in eine Richtung zu drücken, und eine Ventileinrichtung, um einer der Kammern komprimierte Luft zuzuführen und dadurch die Federeinrichtung zu spannen, sodann in einer ausgewählten Phasenlage des Kolbens etwas von dieser Luft in die andere Kammer zu übertragen, und schließlich, um die eine Kammer zur Atmosphäre hin zu öffnen, wobei die zusammengefaßten Kräfte der Federeinrichtung und der auf den Kolben in der anderen Kammer wirkenden komprimierten Luft den Arbeitshub des Antriebs vollenden.
2. Pneumatischer Stellmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß doppeltwirkende Zwillingskolben (2) vorgesehen sind, die sich in einander entgegengesetztem Richtungssinn bewegen und eine gemeinsame Druckkammer (6) von zwei weiteren Kammern (7) trennen.
3. Pneumatischer Stellmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (2) mit Zahnstangen (2A) versehene Kolbenstangen aufweisen, die in ein Ritzel (4) auf einer Ausgangswelle (5) eingreifen, die abgedichtet von der Wand der gemeinsamen Kammer (6), aus der sich die Welle erstreckt, getragen wird.
4. Pneumatischer Stellmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinrichtung zur Ausführung der in Anspruch 1 ange-

409884/0073

gebenen Funktionen mittels einer mechanischen Verbindung mit dem Ausgang (5) des Stellmotors betätigbar ist.
5. Pneumatischer Stellmotor nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinrichtung zur Ausführung der in Anspruch 1 angegebenen Funktionen von einer auf der Ausgangswelle (5) montierten und sich mit dieser drehenden Kurvenscheibe (21) betätigbar ist.
6. Pneumatischer Stellmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinrichtung eine nachgiebig bzw. elastisch belastete Spindel (17) und einen getrennt von der Spindel gleitbaren Kolben (18) aufweist, wobei der Kolben einen Kurvenscheiben-Folgeteil (18A) aufweist, derart, daß die Betätigungen des Stellmotors die Kolbenbewegungen im einen Richtungssinn verursachen, während komprimierte Luft zusammen mit der nachgiebigen Belastung der Spindel die Kolbenbewegungen im anderen Richtungssinne verursachen.
7. Pneumatischer Stellmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraft der komprimierten Luft der Federkraft in einer Phase des Betriebs hinzugefügt wird, in der die Federkraft in solch einem Ausmaß verschwunden ist, daß zusätzliche Kraft erwünscht ist, um die Federkraft zu erhöhen und die erforderliche Betätigung zu vollenden.

409884/0073

Leerseite