DE2517259B2 - Vorrichtung zum umwandeln einer translationsbewegung eines in einem arbeitszylinder gleitenden kolbens mit daran befestigter zahnstange in eine drehbewegung eines mit einer welle festverbundenen zahnrades - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umwandein einer Translationsbewegung eines in einem Arbeitszylinder gleitenden Kolbens mit daran befestigter Zahnstange in eine Drehbewegung eines mit einer Welle festverbundenen Zahnrades. Solche Vorrichtungen sind bekannt, wie beispielsweise die deutsche Patentschrift 15 00 478 zeigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung dieser Art so auszubilden, daß sie besser als bisher den verschiedenen Erfordernissen der Praxis entspricht und insbesondere in einfacher und betriebssicherer Weise eine Verstärkung des Drehmoments der Welle für wenigstens eine Grenzstellung des Arbeitszylinders bewirkt. Die Erfindung hat dabei im wesentlichen solche Vorrichtungen der genannten Art im Auge, die zur Betätigung von mit einer Drehklappe oder mit 5& einem zylindrischen oder sphärischen Küken arbeitenden drehbaren Ventilen dienen.

Gelöst wird diese Aufgabe nach der Erfindung dadurch, daß die Zahnstange wenigstens an einem Ende einen Zahn besitzt, der an seinem Scheitel eine zur Achse der Zahnstange schräg liegende Rampe aufweist, wobei der Winkel der Schräglage dieser Rampe kleiner ist als der Winkel der Schräglage der Seitenflächen der anderen Zähne der Zahnstange und diese Rampe so angeordnet ist, daß sie am Hubende der Zahnstange an <*> einer Seitenfläche eines Zahns des Zahnrades derart gleitet, daß eine Verstärkung des Drehmoments am Hubende der Zahnstange beim Zusammenwirken der schrägen Rampe mit einem Zahn des Zahnrades erzielt wird.

Der durch die Erfindung gewährleistete technische Fortschritt ergibt sich ohne weiteres aus der Lösung der genannten Aufgabe; denn die Erfindung ermöglicht am Hubende eine Verstärkung des von der Zahnstange auf das Zahnrad übertragenen Drehmoments und damit eine größere Stabilität der Grenzstellung, was im Falle der Verstellung eines Ventils größere Stabilität der öffnur.gs bzw. Schließungsstellung bedeutet.

Zum Stand der Technik ist noch die deutsche Patentschrift 9 34 319 zu erwähnen, die Zahnstangengetriebe zum Gegenstand hat, die mit Zahnrädern und Kurvenstücken zusammenwirken, um einen bestimmten Arbeitsablauf zu erzielen; jedoch ist hier die Zahnstange der angetriebene Teil, und auch die Wirkungsweise entspricht nicht der der Erfindung.

Schließlich ist es (vgl. die deutsche Auslegeschrift 12 99 968) bei einer Vorrichtung zum Umwandeln der Translationsbewegung eines Kolbens in eine Drehbewegung einer Welle auch bereits bekannt, die Drehbewegung mit Hilfe einer einfachen Auffahrrampe zu beenden. Im übrigen ist jedoch hier von einer besonderen Ausgestaltung des Endzahnes einer Zahnstange nicht die Rede.

Die Erfindung gestattet eine Reihe besonders vorteilhafter Ausgestaltungsformen:

So entspricht es der Zielsetzung der Erfindung, wenn der die Rampe aufweisende Zahn der Zahnstange eine Breite hat, die größer ist als die der mit den Zähnen des Zahnrads in Eingriff kommenden Zähne, wobei ein entsprecherd großer Winkelabstand zwischen den beiden Zähnen des Zahnrads vorgesehen ist, zwischen die der Zahn größerer Breite eintreten soll.

Die erfindungsgemäße Lösung tritt ferner besonders wirkungsvoll dann in Erscheinung, wenn sie an beiden Enden der Zahnstange realisiert wird, wenn also die Zahnstange an jedem Ende einen Zahn größerer Breite aufweist, wobei dann die schrägen Rampen dieser Zähne gegensinnig gerichtet sind.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist die Schräglage der Rampe gegen die Achse der Zahnstange so bemessen, daß die Vorrichtung selbstsperrend ist, wenn der Arbeitszylinder keine Kraft mehr überträgt, und daß das Zahnrad nicht die Zahnstange angreifen kann, so daß die Einstellung der Stillstandswinkelstellung des Zahnrads vorgenommen werden kann, wenn sich die Betätigungsvorrichtung im Zustand der Selbstsperrung und der Verstärkung des Drehmoments befindet, wobei die Entriegelung automatisch durch Umkehrung der Verschiebungsrichtung des Kolbens des Arbeitszylinders erfolgt.

In jedem Falle ist es zweckmäßig, wenn der Scheitel eines jeden eine schräge Rampe aufweisenden Zahnes der Zahnstange auch einen zur Achse der Zahnstange parallelen Abschnitt aufweist.

Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert.

F i g. 1 ist ein Schnitt einer erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung in der Achse des Arbeitszylinders, wobei gewisse Teile schematisch dargestellt sind;

F i g. 2 zeigt in größerem Maßstab die Einzelheit eines am Ende der Zahnstange liegenden Zahns großer Breite,

Die Betätigungsvorrichtung 1 enthält einen Arbeitszylinder 2 mit einem Kolben 3, welcher auf der Achse des Zylinders 4 des Arbeitszylinders gleiten kann. Der Kolben 3 treibt eine Zahnstange 5 an, welche mit einem drehfest auf einer drehbaren Welle 7 befestigten Zahnrad 6 zusammenwirkt. Diese Welle kann z. B. die der Drehklappe eines an einer Strömungsmittelleitung angeordneten (nicht dargestellten) drehbaren Ventils sein.

Die Zahnstange 5 besitzt wenigstens an einem Ende und vorzugsweise an ihren beiden Enden einen Zahn 8a, tb, dessen Breite L (F i g. 2) größer als die Breite / (F i g-1) der mit den Zähnen 10 des Zahnrades in Eingriff kommenden Zähne 9 ist. Dieser Zahn 8a, 86 größerer Breite weist an seinem Scheitel ei: 12 Rampe 11 a, i 1 6 auf, welche zu der Achse der Zahnstange 5 um einen Winkel x schräg liegt, welcher kleiner als der Winkel γ der Schräglage der Seitenflächen 12 der anderen Zähne ? der Zahnstange ist. Diese Rampe 11a, 116 ist so angeordnet, daß sie am Hubende der Zahnstange an einem Zahn 10a des Zahnrades 6 gleitet Zwischen den Zähnen 10a, 10c des Zahnrades, zwischen welche der Zahn 8a der Zahnstange tritt, ist ein so großer Winkelraum A (F i g. 2) vorgesehen, daß dieser Zahn in den Zwischenraum zwischen den Zähnen 10a, 10c des Zahnrades eintreten kann.

Es ist nämlich zu bemerken, daß der Zahn 8a nicht zwischen zwei mit den Zähnen 9 d<jr Zahnstange 5 lusammenwirkende Zähne 10 des Zahnrades 6 treten könnte. Hieraus ergibt sich, daß die durch die Zahnstange 5 erzeugte Drehbewegung des Zahnrades 6 kleiner als eine vollständige Umdrehung ist

Die schrägen Rampen 11a, 116 der an den beiden Enden der Zahnstange 5 liegenden Zähne 8a, 86 sind *5 gegensinnig gerichtet und einander zugewandt. Die Schräglage dieser Rampen ist so gewählt, daß sie sich der Achse der Zahnstange nähern und sich dabei gleichzeitig in der Längsrichtung dem mittleren Abschnitt der Zahnstange nähern. Der Scheitel eines jeden Zahns 8a, 86 größerer Breite weist einen zu der Achse der Zahnstange parallelen Abschnitt 13 auf. wobei diese Achse ihrerseits zu der Achse des Zylinders 4 parallel ist.

Die Schräglage einer jeden Rampe 11a, 116 ist so gewählt, daß die Betätigungsvorrichtung selbstsperrend ist, wenn der Arbeitszylinder keine Kraft mehr überträgt, und daß das Zahnrad 6 nicht den Kolben 3 antreiben kann.

Bekanntlich muß zur Erzielung dieser Selbstsperrung die Normale auf die dem Zahn 10a und der Rampe 11a an der Berührungserzeugenden gemeinsame Tangentialebene mit der Richtung der von dem Zahnrad 6 auf die Zahnstange 5 ausgeübten Kraft einen Winkel bilden, welcher kleiner als der Reibungswinkel zwischen den Materialien Jer Zahnstange und des Zahnrades ist. Der Winkel λ ist so gewählt, daß diese Bedingung erfüllt wird. Es ist ferner zu bemerken, daß die Rampe Ha, 116 nicht unbedingt eben ist und eine gebogene Oberfläche haben kann. Es genügt, daß die den aufeinanderfolgenden Zonen der Rampe 11a, 116 entsprechenden Winkel λ der obigen Bedingung genügen.

Der Arbeitszylinder 2 ist doppeltwirkend und weist zwei beiderseits des Kolbens 3 liegende Kammern 14, 15 auf. Diese Kammern 14,15 könneii z. B. entweder mit einem Druckmitteleinlaß oder mit einem Auslaß verbunden werden. Wie aus F i g. 1 hervorgeht, liegt die Zahnstange 5 zweckmäßig zwischen den Enden des Kolbens 3 und ist in diesen eingebaut. Die Zahnstange 5 ist insbesondere lösbar, z. B. durch Schrauben, in einer in '° dem Kolben 3 vorgesehenen Ausnehmung 16 befestigt. Der Kolben weist vorzugsweise einen ausgehöhlten Zwischenabschnitt 17 auf, dessen Querschnitt etwa halbkreisförmig und praktisch gleich der Hälfte des Querschnitts der Bohrung des Zylinders 4 ist. Die Zahnstange 5 ist in diesen Abschnitt 17 des Kolbens eingesetzt. Die Enden 18, 19 des Kolbens haben einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser, welcher gleich dem der Bohrung des Zylinders 4 ist, und schließen sich stetig durch eine gebogene Zone 20 an den Zwischenabschnitt 17 an. Das Zahnrad 6 springt in das Innere des Zylinders 4 in dem freien Raum 21 zwischen dem Abschnitt 17 und dem Zylinder 4 vor.

Der Kolben 3 weist an jedem Ende eine Verlängerung 22 auf, deren Durchmesser kleiner als der der Bohrung ist An dieser Verlängerung 22 ist eine Schale 23 so angebracht daß sie zusammen mit einer Lochscheibe 24 einen ringförmigen Aufnahmeraufli für eine Dichtung 25 bildet Die Lochscheibe 24 wird an der Schale 23 durch eine auf das Gewindeende der Verlängerung 22 aufgeschraubte Mutter 26 festgezogen. In der Richtung der Achse des Zylinders 4 sind regelbare Anschläge 27 in den beiden die Böden des Zylinders bildenden Abschlußwänden vorgesehen. Diese Anschläge 27 werden durch von außen betätigbare Schrauben gebildet, deren inneres Ende mit der Endfläche der Verlängerung 22 zusammenwirkt, wenn der Kolben 3 anschlägt

Die Vorrichtung arbeitet folgendermaßen. Wenn das Druckmittel in eine der Kammern des Arbeitszylinders 1 eingelassen wird, ist die andere Kammer auf Auslaß geschaltet, und der Kolben 3 verschiebt sich unter der Wirkung einer zu dem Druck des zugeführten Druckmittels proportionalen Kraft. Diese Kraft ist daher konstant, wenn der Druckmitteldruck kons*.ant ist.

Die Zähne 9 der Zahnstange wirken mit den Zähnen 10 des Zahnrades so zusammen, daß die geradlinige Translationsbewegung des Kolbens 3 in eine Drehbewegung umgewandelt wird. Das auf die Welle 7 ausgeübte Drehmoment ist während der Phase des Zusammenwirkens der Zähne 9 der Zahnstange mit den Zähnen 10 des Zahnrades konstant.

Wenn die Zahnstange 5 in die Nähe einer ihrer Grenzstellungen kommt, z. B. in die in F i g. 1 dargestellte Stellung, wirkt der Zahn 8a größerer Breite mit dem Zahn 10a des Zahnrades zusammen. Genauer ausgedrückt, die Rampe 11a gleitet an einer Seitenfläche des Zahns 10a (F i g. 2). Während dieser Phase des Gleitens der Rampe Ha (oder 116) an einem Zahn des Zahnrades wird das durch den Antrieb des Zahnrades 6 durch den Kolben 3 an der Welle 7 erzeugte Drehmoment gegenüber dem vergrößert, welches bei dem Zusammenwirken der Zähne 9 mit den Zähnen 10 erhalten wird.

Diese Verstärkung des Moments am Hubende der Zahnstange 5 und somit am Ende der Drehbewegung des Zahnrades 6 und der Welle 7 ermöglicht insbesondere in dem Fall eines Ventils eine größere Stabilität des Ventils in der Schließungsstellung zu erhalten.

Da außerdem die Schräglage der Rampe so gewählt ist, daß das System selbstsperrend Ut, wird das Zahnrad 6 in seiner Stillstandswmkelstellung blockiert, wenn der Arbeitszylinder keine Kraft mehr überträgt. Der Kolben 3 kann nicht durch das Zahnrad 6 angetrieben werden, da ein Klemmen des Zahns 10a an der Rampe 11a auftritt

Die Rampe 11a oder 116 bietet auch die Möglichkeit einer Einstellung der Stillstandswinkelstellung des Zahnrades 6. Es ist nämlich möglich, die Längsstellung des Anschlags 27 unter Beibehaltung der Berührung zwischen der Rampe lla und dem Zahn 10a einzustellen. Die Winkelstellung der größten Drehung des Zahnrades 6 entspricht der in F i g. 2 strichpunktiert dargestellten Stellung des Zahns 10a, in welcher der

Zahn mit dem zu der Achse der Zahnstange parallelen Abschnitt 13 des Scheitels des Zahns 8a der Zahnstange in Berührung kommen würde. Wenn man als Ursprung der Winkelabstände die in Fig.2 strichpunktiert dargestellte Stellung der Achse des Zahns 10a annimmt, kann offenbar der Winkel β zwischen dieser Achse und der des Zahns 10a in der vollausgezogen dargestellten Stellung auf diese Weise eingestellt werden.

Diese Einstellung der Stillstandswinkelstellung des Zahnrades 6 und somit der Welle 7 erfolgt, wenn sich die Betätigungsvorrichtung in einer Stellung der Selbstsperrung (Unmöglichkeit des Antriebs der Zahnstange 5 und des Kolbens 3 durch das Zahnrad 6) und der Verstärkung des Drehmoments befindet.

Die durch das Vorhandensein der Rampen lla, 116 gegebenen Möglichkeiten der Einstellung der Stillstandswinkelstellung des Zahnrades 6 gestatten außerdem den Ausgleich der Abnutzung der verschiedenen Teile, insbesondere des Empfängers. In dem Fall eines durch die Vorrichtung betätigten Ventils ist es nämlich wichtig, die Abnutzung oder die Zusammendrückung der Dichtungen des Ventils ausgleichen zu können.

Die Vorrichtung entriegelt sich automatisch ohne andere Wirkung als den zur gegensinnigen Verschiebung des Kolbens 3 erforderlichen Betriebsdruck. Das umgekehrte, diese Entriegelung ermöglichende Manöver erfolgt durch Wechsel der gespeisten Seite des Arbeits2.ylinders. Die Fläche f(F i g. 2) des Zahns 8a der Zahnstange kommt dann mit der gegenüberliegenden Fläche des Zahns lOcdes Zahnrades 6 in Berührung. Die Entriegelung erfordert also keinen Hilfsdruck.

Die Vorrichtung ermöglicht, in einfacher und wirksamer Weise die Verstärkung des Betätigungsmoments am Hubende der Zahnstange sowie die

ίο Verriegelung zu erzielen. Es ist möglich, an den Kolben die gesamte Zahnstange mit den aktiven Zähnen und den Rampen zur Verstärkung und zur Verriegelung anzusetzen.

Der eigentliche Kolben kann aus einem Material mit verhältnismäßig geringen mechanischen Eigenschaften hergestellt werden, während die an den Kolben angesetzte Zahnstange 5 aus einem Material mit besseren mechanischen Eigenschaften hergestellt wird.

Bei einer Abnutzung kann die Zahnstange 5 bequem ersetzt werden.

Bei geeigneter Wahl der Zähnezahl der Zahnstange 5 und des Zahnrades 6 kann unter Beibehaltung aller anderen Bestandteile der Vorrichtung ein sehr ausgedehnter Drehwinkelbereich erhalten werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Umwandeln einer Translationsbewegung eines in einem Arbeitszylinder gleitenden Kolbens mit daran befestigter Zahnstange in eine Drehbewegung eines mit einer Welle festverbundenen Zahnrades, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnstange (5) wenigstens an einem Ende einen Zahn (8a, Sb) besitzt, der an <° seinem Scheitel eine zur Achse der Zahnstange schräg liegende Rampe (11a, 116) aufweist, wobei der Winkel (x) der Schräglage dieser Rampe kleiner ist als der Winkel (γ) der Schräglage der Seitenflächen (12) der anderen Zähne (9) der Zahnstange und ·5 diese Rampe so angeordnet ist, daß sie am Hubende der Zahnstange an einer Seitenfläche eines Za.'.nes (10s, 1C6) des Zahnrades (6) derart gleitet, daß eine Verstärkung des Drehmoments am Hubende der Zahnstange beim Zusammenwirken der schrägen Rampe mit einem Zahn des Zahnrades erzielt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die Rampe (11a, 116) aufweisende Zahn (8a, 86) der Zahnstange (5) eine Breite hat, die größer ist als die der mit den Zähnen (10) des Zahnrades (6) in Eingriff körnenden Zähne (9), wobei ein entsprechend großer Winkelabstand (A) zwischen den beiden Zähnen (10a, 10c) des Zahnrades vorgesehen ist, zwischen die der Zahn (8a, 86) größerer Elreite eintreten soll.