DE2735731A1

DE2735731A1 - Vorrichtung zum umwandeln von linearer bewegung in drehbewegung und umgekehrt

Info

Publication number: DE2735731A1
Application number: DE19772735731
Authority: DE
Inventors: Alan Donald Bunyard; Derek Noel Marchant; Kenneth William Norris
Original assignee: Worcester Controls AG
Current assignee: Worcester Controls AG
Priority date: 1976-08-11
Filing date: 1977-08-08
Publication date: 1978-02-16
Also published as: ES461544A1; NL7708884A; BR7705272A; AR215903A1; JPS5321364A; CA1077744A; FR2361583A1; IT1079433B; FI772419A; US4133215A; AU2782377A

Description

Worcester Controls AG., Aegeristrasse 73_t Zug, Schweiz

Vorrichtung zum Umwandeln von linearer Bewegung in
Drehbewegung und umgekehrt

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zum Umwandeln von linearer Bewegung in Drehbewegung und umgekehrt und ist im besonderen, obgleich nicht ausschließlich, auf druckfluidbetätigte Vorrichtungen, beispielsweise pneumatische und
hydraulische Antriebs- oder Betätigungseinheiten, Luftmotoren und Pumpen, anwendbar.

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Ein Vorrichtrungetyp, auf den die Erfindung im besonderen anwendbar ist, ist eine pneumatische oder hydraulische Antriebs- oder Betätigungseinheit für ein 90°-Drehventil, beispielsweise ein Ventil mit einem Absperrkörper (Kegel- oder Kugelventil)· Eine solche Antriebs- oder Betätigungseinheit ist erforderlich, um von einem Kolben in einem pneumatischen oder hydraulischen Zylinder erzeugte, allgemein lineare Kraft oder Bewegung in ein Drehmoment oder eine Drehbewegung umzuwandeln, das bzw. die an die Betätigungswelle des Ventils gegeben wird. Üblicherweise ist eine 9O°-Drehung der Betätigungswelle erforderlich, um das Ventil zu öffnen und zu schließen. Vorhandene Vorrichtungen zum Umwandeln der linearen Bewegung des Kolbens in die gewünschte Drehbewegung sind ziemlich schwerfällig und teuer, wobei eine bekannte Form einer solchen Vorrichtung einen Zahnstangenantrieb8mechanismu8 verwendet.

Die US-Patentschrift Nr. 3 156 161 beschreibt eine druckfluidbetätigte Drehantriebe- oder -betätigungseinheit für Ventile mit Absperrkörper. Die Vorrichtung umfaßt einen Kolben, der in einen Zylinder unter der Wirkung von auferlegtem Fluiddruck beweglich ist, ein erstes Verbindungselement, das an seinen Enden allseitig sohwenkbar adt einem festen Element und dem Kolben verbunden ist, und ein zweites Verbindungselement, das an seinen Enden mit dem Kolben und einem radial verlaufenden Arm allseitig sohwenkbar verbunden ist, der an einer Abtriebsdrehwelle befestigt ist, die koaxial mit dem Zylinder verläuft.

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Ein schwerwiegender praktischer Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß sich die Drehmomentkennlinie der Vorrichtung (d.h., das abgegebene Drehmoment der Vorrichtung für gegebenen Axialschub an dem Kolben) weit über den Betriebsbereich der Vorrichtung ändert. Das Drehmoment ist sehr klein, wenn sich der Kolben in einer Lage befindet, in der die Verbindungselemente nahezu parallel zu der Achse des Zylinders verlaufen, und steigt steil an, wenn sich der Kolben der Lage nähert, in der die Verbindungselemente in einer transversalen Ebene liegen. Eine solche Drehmomentkennlinie ist für Betätigungeeinheiten für Ventile mit Absperrkörper und dgl., die eine im wesentlichen gleichmäßige oder eine an jedem Ende des Arbeitsbereichs ansteigende Drehmomentkennlinie haben sollten, häufig ungeeignet.

Die Erfindung schafft eine Vorrichtung zum gegenseitigen Umwandeln von Linearbewegung und Drehbewegung und ist dadurch gekennzeichnet, daß die tangentialen Komponenten der Richtungen, in denen Verbindungselemente zwischen einem festen Element und einem axial beweglichen Element sich von dem festen Element weg in Richtung des axial beweglichen Elemente· erstrecken, in einem Winkelsinn um die Drehachse herum gerichtet sind und daß die tangentialen Komponenten der Sichtungen, in denen sich Verbindungselemente zwischen den axial beweglichen Element und einem Drehelement von dem axial beweglichen Element weg in Richtung des Drehelementes erstrecken, in dem anderen Winkel sinn um die Achse herum gerichtet sind.

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Ee ist ein Vorteil von Vorrichtungen nach der Erfindung, daß die Drehmomentkennlinie zwecks Anpassung an eine gewünschte Anwendung leicht zugeschnitten werden kann« Im besonderen kann eine Vorrichtung nach der Erfindung so ausgebildet werden, daß die Drehmomentcharakteristik im wesentlichen flach ist oder an beiden Enden ansteigt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen ersichtlich, die nur als Beispiel mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben sind. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Hauptelemente einer Vorrichtung nach der Erfindung}

Fig. 2 ein Diagramm der dynamischen Übertragungsfunktionen von Grundeinheiten von Vorrichtungen nach der Erfindung;

Fig· 3 ein Diagramm der dynamischen Übertragungefunktionen mit Bezug auf die Vorrichtung nach Fig. 1}

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer druckfluidbetätigten Antriebs- oder Betätigungseinheit nach der Erfindung;

Fig. 5 einen Querschnitt und einen axialen Teilschnitt einer anderen Antriebs- oder Betätigungseinheit nach der Erfindung;

Fig. 6 graphische Darstellungen, welche die abgegebenen Drehmomente von Betätigungseinheiten zeigen, die denen der Fig. 5 ähnlich sind, jedoch unterschiedliche relative

Abmessungen haben; und

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Fig. 7 einen Querschnitt durch einen Teil einer abgeänderten Ausführungsform der Betätigungseinheit nach Fig. 5.

Fig. 1 ist eine schematische Sarstellung der hauptsächlichen Elemente einer Vorrichtung nach der Erfindung. Die Vorrichtung umfaßt eine erste und eine damit zusammenarbeitende zweite Einheit 11 bzw. 13,die hier als Grundeinheiten bezeichnet sind.

Die erste Grundeinheit 11 umfaßt ein erstes und ein zweites Haupt element 13 bzw. 17« die für relative Drehbewegung bzw. relative lineare Bewegung längs der Drehachse 16 angeordnet sind, und eine Mehrzahl Verbindungselemente 19 gleicher Länge, die in gleichen radialen Abständen zu der Achse angeordnet und an ihren Enden (jeweils mit einem *x' dargestellt) mit den Haupt element en 15« 17 dreh- oder schwenkbar verbunden sind. Die Verbindungselemente 19 sind relativ zu der Achse mit gleichen Winkeln in einem Schraubensinn geneigt, so daß Zug- und/ oder Druckspannungen, die in den Verbindungselementen beim Anlegen eines Drehmomentes an die Hauptelemente 15» 17 entstehen, axiale Komponenten haben, welche die Hauptelemente in der axialen Richtung relativ zu bewegen suchen, und Zug- und/oder Druckspannungen, die in den Verbindungselementen beim Anlegen einer Axialkraft an die Hauptelemente entstehen, Umfangekomponenten haben, welche die Hauptelemente relativ zu drehen suchen.

Die Angriffepunkte der Verbindungselemente 19 an einem Hauptelement müssen in Abstand von der Achse bei einem

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Radius angeordnet sein, brauchen aber nicht in derselben Radialebene zu liegen. Der Radius der Angriffspunkte der Verbindungselemente an einem Hauptelement kann sich von dem Radius der Angriffspunkte an dem anderen Hauptelement unterscheiden.

Die Verbindungselemente 19 können entweder starr sein, wobei sie dann an ihren Enden mit den Haupt elementen allseitig schwenkbar verbunden sein sollten, oder können federnd flexibel sein, wobei sie dann an ihren Enden mit den Hauptelementen nicht allseitig schwenkbar verbunden sein müssen, aber in diesem Fall sowohl einer Torsionsverformung als auch einer Biegeverformung während des Betriebes der Einheit unterworfen sein würden.

Die Verbindungselemente 19 können entweder an ihren Enden mit den Hauptelementen verbunden oder federnd in Eingriff mit an diesen Elementen ausgebildeten Klinken oder Rastnasen gedrückt sein (beispielsweise unter Wirkung von Spannungen, die sich in den Verbindungselementen in dem Pail einer Einheit mit federnd biegsamen Verbindungselementen entwickeln). In dem ersten Fall würde die Einheit doppeltwirkend sein, d.h., die Verbindungselemente und ihre Endverbindungen würden sowohl Druckspannung als auch Zugspannung auehalten, so daß lineare Leistung und Drehleistung unabhängig von der Bewegungsrichtung der zugeführten Leistung gegenseitig umwandelbar ist. In dem zweiten Fall sind lineare Leistung und Drehleistung gegenseitig nur umwandelbar, wenn die Richtung

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der linearen Bewegung oder der Drehbewegung der zugeführten Leistung derart ist, daß sie die Verbindungselemente zusammenzudrücken sucht.

In dem Fall, in dem die Enden der Verbindungselemente federnd in Eingriff mit an den Hauptelementen ausgebildeten Klinken oder Rastnasen gedrückt werden, ist kontinuierliche abgegebene Bewegung dadurch möglich, daß die Klinken zur Durchführung einer Sperrklinken- oder Ratschenfunktion ausgebildet werden. In anderen Fällen könnte die Einheit sonst nur begrenzte Dreh- und Linearbewegung ausführen.

Universalschwenkverbindungen an den Enden der Verbindungselemente können beispielsweise mit Kugelgelenken, Drehzapfen, "Haken- und Ösen^lt-Anordnungen und dgl. ausgebildet werden.

Die zweite Grundeinheit 13 teilt sich das Hauptelement 17 mit der ersten Einheit 11 und umfaßt weiterhin ein drittes Hauptelement 21 und eine zweite Mehrzahl Verbindungselemente 23. Das zweite Element und das dritte Element sind für relative Drehbewegung um die Achse 16 und relative Axialbewegung lang« der Achse 16 angeordnet. Die obigen Erläuterungen xu der Einheit 11 gelten gleichermaßen auch in jeder Besiehung für die Einheit 13· Die Abmessungen der verschiedenen Bauelemente der zweiten Einheit 13 können gegenüber denen der entsprechenden Bauelemente der Einheit 11 gleich oder unterschiedlich sein.

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In der Vorrichtung nach Pig. 1 ist das erste Element 15 fest angebracht, und das Element 21 ist für Drehbewegung um die Achse 16 angeordnet, wird jedoch etwa mittels Druck- oder Längslagern (nicht gezeigt) in einem festen axialen Abstand von dem ersten Element 15 gehalten. Infolgedessen kann die auf das zweite Element ausgeübte lineare Leistung in abgegebene Drehleistung in dem dritten Element umgewandelt werden, wobei das Drehmoment über das erste Element Gegenwirkung erfährt. Doch wird bemerkt, daß zum Erhalten einer betriebsfähigen Vorrichtung, in der alle Abmessungen einer Einheit gleich den entsprechenden Abmessungen der anderen Einheit sind, die Dreh- oder Schwenkverbindungspunkte der Enden der Elemente 19 mit dem Element 15 axialen Abstand von den Drehoder Schwenkverbindungspunkten der Elemente 23 mit dem Hauptelement 21 haben müssen.

Ein Merkmal der in Fig. 1 veranschaulichten Vorrichtung ist, daß die Verbindungselemente 19 und 23 der beiden Einheiten 11 bzw. 13 sich in Richtung des gemeinsamen Hauptelementes 17 bzw. von diesem weg in Richtungen erstrecken, die tangentiale Komponenten in entgegengesetzte* Richtungesinn um die Achse 16 haben. Eine solche Gestaltung wird hier als "gegenumfließend" bezeichnet.

Die übertragungsfunktion P(S) jeder Grundeinheit 11, 13 (d.h. das Verhältnis der relativen Winkelverschiebung iu der relativen Axialverschiebung der Häupteleaente, ausgedrückt als eine Punktion des axialen Abtftandes S der Enden

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,jedes Verbindungselementes) hängt von der Geometrie der Einheit ab. In den Fällen, in denen keine Federrückwirkung vorhanden ist, stellt die Übertragungsfunktion F(S) auch den theoretischen Axialschub für ein gegebenes Drehmoment ausgedrückt als eine Funktion von S dar.

Fig. 2 veranschaulicht bei 'FF-1,9' die Form der Übertragungsfunktion F(S) für die Einheit 11. Die axiale Entfernung S der Elemente 15, 17 wird von der Stellung an gemessen, in der die Verbindungselemente 19 in einer zu der Achse 16 senkrechten Ebene liegen, und die Längeneinheit ist die Länge der Verbindungselemente 19· Somit verlaufen die Verbindungselemente 19« wenn S»1 ist, parallel zu der Achse 16. Es wird bemerkt, daß eine Kniehebelwirkung an den Stellen auftritt, in denen S-O und S-1 ist, wobei eine unendliche Axialkraft P durch ein nahe Null liegendes Drehmoment T an dem Punkt S«1 und die bei Null liegende Axialkraft P durch ein nahezu unendliches Drehmoment T an dem Punkt S-O erzeugt werden.

Die Form der Übertragungsfunktion hängt von den relativen Werten von RI, R2 und L ab, wobei RI, R2 die Teilkreisradien der Drehzapfen- oder Schwenkverbindungen der Enden der Elemente 19 mit den entsprechenden Elementen 15« 17 sind und L die Länge der Verbindungselemente 19 ist. Im einzelnen hängt die Form der Übertragungefunktion von dem Verhältnis von L und den geometrischen Mittel R der Radien RI and R2 ab. Dieses Verhältnis L/R wird hier als aer »Formfaktor¹¹ (FF) der Einheit bezeichnet. Die Formen der

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Funktion F(S) für FF«1,OO, FF-1,98 und FF-2,O2 sind mit gestrichelten Linien in Fig. 2 angegeben.

In einer Doppeleinheitvorrichtung wie der in Fig.1 gezeigten ist das abgegebene Drehmoment genau der Summe der von den zwei Einheiten entwickelten Drehmomente, so daß die Übertragungsfunktion F(TOT) für die Vorrichtung als Ganzes genau der Summe der Funktionen F(S) für die entsprechenden Einheiten ist. Da die Gestalt der beiden Einheiten jedoch ⁿgegenumflie£endⁿ ist (wie oben definiert), wird die Funktion F(S) für eine der Einheiten relativ zu der Funktion der anderen Einheiten invertiert, wenn sie gegen axiale Verschiebung des gemeinsamen zweiten Elementes 1? aufgetragen wird.

Fig. 3 zeigt bei Fi und F2 die Funktionen F(S) der zwei Einheiten 11, 13 der Vorrichtung der Fig. 1 zusammen mit der Gesamtübertragungsfunktion F(TOT), wenn R1«R2«R3-R4-H (wobei H die axiale Trennung der Elemente 15, 21 ist) und FF1-FF2-1,9 sind (wobei FFI, FF2 die Formfaktoren für die entsprechenden Einheiten sind). Auch von Interesse im besonderen für pneumatische und hydraulische Anwendungen (unten beschrieben) ist die Inversion von F(TOT), die hier als die Drehmomentkennlinie G(TOT) bezeichnet ist. Diese stellt die Änderung des abgegebenen Drehmomentes für gegebenen Axialschub dar und ist auch in Fig. 3 gezeigt (g*g*n den Maßstab auf der rechten Seite der Figur aufgetragen).

Während in Fig. 1 nur zwei Verbindungselemente in jeder Einheit 11, 13 dargestellt sind, wird bemerkt, daß

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mehr ale zwei Elemente um die Achse 16 herum verteilt werden können, wodurch die Belastungsfähigkeit der Vorrichtung vergrößert wird. Wenn jedoch mehr als zwei Verbindungselemente vorgesehen werden, muß enge Toleranz der Abmessungen eingehalten oder müssen andere Verfahrensschritte durchgeführt werden, um gleiche Belastungen an den Verbindungselementen zu gewährleisten.

In einer solchen Vorrichtung wie der in Fig. 1 gezeigten sind getrennte Mittel zum Lagern des Kolbens häufig nicht erforderlich, wenigstens dann nicht, wenn die Einheit immer innerhalb eines solchen Bereiches betrieben wird, daß die Richtungen, in denen die Verbindungselemente verlaufen, merkliche axiale Komponenten haben. In diesem Fall wird zwangsläufige Abstützung sowohl in axialer als auch in transversaler Richtung von den Verbindungselementen 19 und 23 vorgesehen. Aus diesem Grund ist die Vorrichtung besonders nützlich in pneumatischen und hydraulischen Anordnungen, wie Pumpen und Antriebs- oder Betätigungseinheiten, in denen das "schwimmende" Element 17 den Kolben bildet. Jedoch wird bemerkt, daß es unter gewissen Umständen erwünscht sein kann, ein axial verlaufendes zentrisches Führungselement für das schwimmende Element 17 zu verwenden.

Fig. 4 ist eine sohematische Darstellung einer druckfluidbetätigten Drehantriebe- oder -betätigungseinheit gemäß der Erfindung und zeigt bei (a), (b) und (c) verschiedene Arbeitseteilungen dieser Einheit. Diese umfaßt eine

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zylindrische Kammer 31, die von einem Zylinder 33 und zwei Zylinderköpfen 35 und 37 gebildet ist, die als abgedichtete Endverschlüsse für den Zylinder 33 wirken· Der Zylinderkopf 35 ist mit einer axialen öffnung 39 versehen, durch die eine Welle 41 verläuft, die eine Abtriebswelle für die Vorrichtung bildet. Der Zylinderkopf 37 ist mit einer Reihe von Halteelementen 43 (von denen nur eines gezeigt ist) an seiner Innenfläche versehen, die in gleichem Abstand auf einem Kreis eng an dem Umfang des Zylinderkopfes angeordnet sind, um schwenk- oder drehbare Befestigungen für das eine Ende eines jeden aus einer Mehrzahl Verbindungselemente 19 vorzusehen (von denen nur eines gezeigt ist).

Ein Kolben 4-5« der mit einer Dichtung 47 versehen ist, die mit seinem Umfang übereinstimmend zum Dichtungseingriff mit der Bohrung des Zylinders 33 verläuft, ist in dem Zylinder 33 axial und drehbar beweglich. Jede Fläche des Kolbens ist mit einer Reihe von in gleichem Abstand angeordneten Halteelementen 49 (von denen nur eines gezeigt ist) nahe seinem Umfang zur Dreh- oder Schwenkbefestigung der Verbindungselemente 19 an seiner (mit Bezug auf die Zeichnung) oberen Seite und mit einer weiteren Mehrzahl Verbindungselemente 23 (von denen nur eines gezeigt ist) an seiner (mit Bezug auf die Zeichnung) unteren Seite versehen.

Der Kolben 45 ist in dem Zylinder 33 unter der Wirkung von Druckfluid, das auf seine (mit Bezug auf die Zeichnung) obere und untere Fläche über Schlitze oder Kanäle 51 bzw. 53 ausgeübt wird, axial verschiebbar. Während der

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Bewegung wird Ausrichtung des Kolbens durch die symmetrische Anordnung der Verbindungselemente 19» 23 aufrechterhalten.

Eine an der Welle 41 befestigte Scheibe 55 ist nur für Drehbewegung angeordnet, wobei die Welle 41 zwischen einer Druckscheibe 57 und einem Sprengring 61 eingefaßt ist. Ein ¹O'-Ring (nicht gezeigt) ist auf der Welle 41 vorgesehen, um die öffnung 39 abzudichten. Federringe oder -scheiben (nicht gezeigt) sind vorgesehen, um die Welle 41 aus den weiter unten ausführlich erörterten Gründen vorzuspannen. Die Scheibe ist auf ihrer Innenfläche mit in gleichem Abstand angeordneten Halteelementen 59 versehen (von denen nur eines gezeigt ist), die Drehzapfen- oder Schwenkbefestigungen für die Verbindungselemente 23 bilden.

Es wird bemerkt, daß der Zylinderkopf 37» der Kolben 45 und die Scheibe 55 wirkungsmäßig dem ersten, zweiten und dritten Hauptelement 15» 17 bzw. 21 der schematischen Darstellung der Fig. 1 entsprechen.

Die aufeinanderfolgenden Darstellungen (a), (b) und (c) dienen dazu, die Arbeitsweise der Vorrichtung zu veranschaulichen, wenn der Kolben 45 in dem Zylinder 33 unter der Wirkung des angewandten Fluiddruckes fortschreitend nach unten (mit Bezug auf die Zeichnung) bewegt wird. Wenn Fluiddruck auf den Schlitz 51 ausgeübt wird, wird der Kolben 45 von dem Zylinderkopf 37 weggedrückt, und da er sich dementsprechend bewegt, wird er durch die Dreh- oder Schwenkbewegung der Verbindungselemente 19 auch gedreht. Gleichzeitig

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verursacht die Abwärtsbewegung des Kolbens relative Drehung zwischen dem Kolben 45 und der Scheibe 55 mittels der Bewegung der Verbindungselemente 23, wobei die Neigungen der zwei Gruppen Verbindungselemente 19 und 23 zu der Achse 16 in entgegengesetzten Schraubrichtungen liegen, so daß diese relative Drehbewegung sich zu der absoluten Drehbewegung des Kolbens addiert. Somit erfolgt die Drehung der Scheibe 55 in derselben Richtung wie die Drehung des Kolbens 45 und ist über den vollen Kolbenweg (von der in Fig. 4(a) gezeigten Lage in die Stellung der Fig. 4(c)) im wesentlichen gleich der doppelten Winkeldrehung des Kolbens (unter der Annahme, daß die Verbindungselemente einer Gruppe gleiche Länge wie die der anderen Gruppe und denselben radialen Abstand von der Achse haben). Die Winkeldrehung der Scheibe 55 kann natürlich dadurch umgekehrt werden, daß Druckfluid an den Schlitz 53 gegeben wird, so daß der Kolben in Richtung des Zylinderkopfes 37 gedrückt wird.

Es wird bemerkt, daß in der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung keine sich axial bewegenden Wellen, Kolbenstangen oder dgl. von der Zylinderkammer 31 vorspringen und keine Zahnrad- oder Kurbelvorrichtungen erforderlich sind, um die lineare Bewegung des Kolbens in Drehbewegung der Abtriebswelle umzuwandeln. Außerdem braucht die Gesamtlänge der Vorrichtung als Ganzes nur wenig großer als der Kolbenweg zu sein.

Fig. 5 zeigt eine druckfluidbetätigte Drehantriebeoder -betätigungseinheit, die für Ventile oder Schieber mit Absperrkörper (Kegel- oder Kugelventile) besonders geeignet

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ist, wobei ein axialer Teilschnitt der Einheit bei B und ein Querschnitt nach der Linie AA bei A gezeigt ist. Die Einheit umfaßt einen Zylinder 111, der an seinen Enden mit Zylinderköpfen 113 und 113 geschlossen und nahe seinen Enden mit Fluidschlitzen 117, 119 ausgebildet ist. Ein Kolben 121, der an seinem Umfang mit der Bohrung 123 des Zylinders 111 in Dichtungsberührung ist, ist in dem Zylinder unter der Wirkung von an einen der Schlitze 117» 119 geliefertes Druckfluid axial beweglich und ist durch ein erstes und ein zweites Paar Verbindungselemente 125, 127 gelagert.

Das erste Paar Verbindungselemente 125 umfaßt ein Paar starre Stäbe gleicher Länge L1, von denen jeder zwischen seinem ersten und zweiten Ende 129 bzw. 131 verläuft und an diesen mittels Kugelgelenken allseitig dreh- oder schwenkbar ist, wobei Drehköpfe 130, 132 von dem Zylinderkopf 113 bzw. dem Kolben 121 vorspringen. Die ersten Enden 129 haben gleichen Abstand von der Achse 137 des Zylinders 111 bei einem ersten Radius RI, und die zweiten Enden 131 haben gleichen Abstand von der Achse 137 bei einem zweiten Radius R2. Das zweite Paar Verbindungselemente 127 besteht aus einem Paar starrer Stäbe gleicher Länge L2, von denen jeder zwischen seinen ersten und zweiten Ende 133 bzw. 135 verläuft und mittels Kugelgelenken allseitig dreh- oder schwenkbar gelagert ist, wobei Drehköpfe 134·» 136 von dem Kolben 121 bzw. einem Drehelement 139 vorspringen. Die ersten Enden 133 haben gleichen Abstand von der Achse 137 bei einem dritten Radius R3, und die zweiten Enden 135 haben gleichen Abstand von

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der Achse 137 bei einem vierten Radius R4. Me tangentialen Komponenten der Richtungen, in denen sich das erste Paar Verbindungselemente 125 von dem Zylinderkopf 113 weg in Richtung des Kolbens 121 erstreckt, sind in einem Winkelsinn um die Achse 137 gerichtet, und die tangentialen Komponenten der Richtungen, in denen sich das zweite Paar Verbindungselemente 127 von dem Kolben 121 weg in Richtung des Drehelementes 139 erstreckt, sind in dem anderen Winkelsinn um die Achse 137 gerichtet. In der dargestellten besonderen Ausführungsform sind der erste, zweite, dritte und vierte Radius gleich, was aber nicht notwendigerweise der Fall sein muß.

Ee wird bemerkt, daß in der gesamten Beschreibung angenommen wird, daß die "Enden" der Verbindungselemente 125« 127 die Schwenk- oder Drehmittelpunkte der Universalgelenkzapfen sind. Somit ist die "Länge" L eines Verbindungselementes die Entfernung zwischen den Mittelpunkten der Kugeln der Kugelgelenke an den entsprechenden Enden des Elementes.

Sas Drehelement 139 besteht aus einen an dem Ende einer Abtriebswelle 141 befestigten, diametral verlaufenden Arm. Die Welle 141 verläuft koaxial zu dem Zylinder 111 und ist in einer in dem Zylinderkopf 115 gebildeten öffnung 143 drehbar gelagert. Ferner ist die Welle 141 mittels einer ersten Druckscheibe 145, die zwischen der (mit Bezug auf die Zeichnimg) unteren Fläche des Armes 139 und der Innenfläche des Zylinderkopfes 115 angeordnet ist, einer zweiten Druckscheibe 146, die angrenzend an die Außenfläche des Zylinderkopfes 115 angeordnet ist, und einer Federscheibe 147 axial

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befestigt, die zwischen der Druckscheibe 146 und der Radialfläche einer an der Welle 141 ausgebildeten Schulter 149 zusammengedrückt ist. Das äußere Ende der Abtriebswelle 141 ist mit einem Keil 151 zum Eingriff mit einer ergänzenden Passung der Antriebswelle eines Ventils oder dgl. ausgebildet.

Im Betrieb kann der Kolben 121 je nach Erfordernis nach oben oder unten (mit Bezug auf die Zeichnung) durch Zuführung von Druckfluid an den Schlitz 119 bzw. 11? getrieben werden. Diese lineare Bewegung wird in Drehbewegung des Armes 139 und der Abtriebswelle 141 durch Dreh- oder Schwenkfunktion der Verbindungselemente 125 und 127 in einer ähnlichen Weise wie der mit Bezug auf Fig. 4 beschriebenen umgewandelt.

Vorsprünge (nicht gezeigt) können mit Vorteil auf der Innenfläche des Zylinderkopfes 115 für Gegenlagerung durch die Drehköpfe 134 vorgesehen werden, wenn sich der Kolben in die untere dargestellte Lage bewegt. Diese Anordnung bildet einen Endanschlag für den Kolben 121 und vermeidet somit, daß der Kolben gegen die Drehköpfe 136 schlägt, und infolgedessen auch Rütteln der Abtriebswelle 141.

Ein Vorteil von Vorrichtungen der beschriebenen Art besteht darin, daß, wie oben erwähnt wurde, durch Änderung der relativen Abmessungen der Bauteile der Vorrichtung die Form der Drehmomentkennlinie (d.h., die Beziehung zwischen dem von einer gegebenen Axialkraft an dem Kolben erzeugten Abtriebsmoment und der Winkelverschiebung der Abtriebswelle) modifi-

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ziert werden kann. Im einzelnen kann die Drehmomentkennlinie durch geeignetes Wählen der Radien R1, R2, R3 und R4- sowie der Längen L1 und L2 und des axialen Abstandes H der axial fixierten Enden 129 und 135 der Verbindungselemente 125 bzw. 127 so gestaltet werden, daß das Abtriebsdrehmoment im wesentlichen flach ist oder sich in Richtung der Enden des Winkelbereichs der Drehung der Abtriebswelle vergrößert. Dies hat wesentlichen Vorteil in druckfluidbetatigten Antriebsoder Betätigungseinheiten für Ventile oder Schieber mit Absperrkörper: Das "Aufdrehmoment ⁿ und das "Schließdrehmoment¹¹, die zum Drehen des Absperrkörpers eines Ventils oder Schiebers mit drehbarem Absperrkörper nahe den Enden seiner Bahn erforderlich sind, sind im allgemeinen viel höher als die Drehmomente, die zum Drehen des Absperrkörpers bei Zwischenstellungen erforderlich sind. Außerdem kann bei fluidbetätigten Antriebsoder Betätigungseinheiten mit Federrückholwirkung, wobei eine Ruckzugfeder axial auf den Kolben 21 wirkt (entweder direkt oder beispielsweise durch Kuppeln an eine Kolbenstange), die Drehmomentkennlinie so zugeschnitten werden, daß das von der Vorrichtung gelieferte Abtriebsdrehmoment im wesentlichen konstant bleibt oder sich sogar vergrößert, wenn der Kolben unter der Wirkung der Feder bewegt wird (und die von der Feder ausgeübte Axialkraft notwendigerweise abnimmt, wenn sich die Feder entspannt). Mit anderen Worten, die Vorrichtung kann so ausgebildet werden, daß die Abnahme der von der Feder ausgeübten Kraft bei Entspannung der Feder durch den Anstieg der Drehmomentkennlinie kompensiert wird, wenn sich die Vorrichtung dem Ende ihres Betriebsbereiches nähert.

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Zur Veranschaulichung zeigt Fig. 6 graphische Darstellungen der theoretischen Variation des Abtriebsdrehmomentes mit der Winkelverschiebung der Abtriebswelle für Betätigungseinheiten der Konstruktion nach Fig. 5 mit verschiedenen Verbindungselementlängen, wobei jeweils R1«R2«R3«R4«H«1 und FF1-FF2-FF sind. Die Werte von FF sind neben den entsprechenden graphischen Darstellungen angegeben. Aus der Figur ist ersichtlich, daß das Abtriebsdrehmoment für Werte von FF kleiner als etwa 1,5 bei einem Maximum an der Bahnmitte liegt und in Richtung der Bahnenden steil abfällt ( - für ein Ventil mit Absperrkörper beträgt die WinkelverSchiebung, die zum Drehen des Absperrkörpers aus der offenen in die geschlossene Stellung oder umgekehrt erforderlich ist, normalerweise 90°, so daß der normale Bereich der Bahn der dargestellten Betätigungseinheit zwischen +4-5° und -4-5° liegt). Für größere Werte von FF erfolgt jedoch eine Einsattelung der Drehmomentkennlinie an der Bahnmitte, wobei die Einsattelung zunehmend ausgeprägt wird, wenn eich der Wert von FF 2,0 annähert, so daß das Antriebsdrehmoment in Richtung der Bahnenden zunimmt·

Die mit 81-0 und 82-0 bezeichneten Funkte der graphischen Darstellungen entsprechen den Winkelpositionen der Abtriebswelle, bei der die Verbindungselemente 125 bzw. 127 eben in einer zu der Achse 137 senkrechten Transversal ebene liegen. Die Vorrichtung nach Fig· 5 kann so ausgebildet werden, daß sich der Kolben axial nach außen über die Positionen hinaus bewegen kann, in denen die Verbindungselemente eben liegen, indem die Hohen der Drehköpfe 130, 132, 13*, 136

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vergrößert werden, wodurch die Schwenk- oder Drehmittelpunkte an den Enden der Verbindungselemente weiteren Abstand von den zugeordneten Abstützelementen 113, 121 und 139 erhalten.

Eine mit der Verwendung der beschriebenen Dreheinheit verbundene Schwierigkeit für solche Arbeitsvorrichtungen wie beispielsweise Ventile oder Schieber mit Absperrkörper besteht in dem Trennen der Antriebswelle der getriebenen Vorrichtung von dem Axialschub, der sonst daran durch die Abtriebswelle der Betätigungseinheit übertragen werden könnte. Die Anlegung von Axialschub an die Antriebswelle eines Ventil« mit Absperrkörper während der Drehung dieser Welle kann schweren Schaden der Stopfbüchsendichtung oder einer anderen Lagervorrichtung für die Welle verursachen.

Während des Betriebes der oben beschriebenen Betätigungseinheit erfolgt Gegenwirkung gegen den gesamten Axialschub auf den Kolben 121 durch die Verbindungselemente 125 und 127 hindurch. Die Verteilung dieses Reaktionsschubes zwischen den Elementen 125 und den Elementen 127 hängt von den relativen Neigungswinkeln dieser Elemente zu der Achse 137 ab. Infolgedessen werden der Arm 139 und somit die Welle 141 einem Axialschub durch die Verbindungselemente 125 unterworfen, der sich mit den variierenden Neigungswinkeln der Verbindungselemente ändert, wenn die Betätigungseinheit in Gang gesetzt ist.

Beispielsweise kann, wenn sieh der Kolben 121 an dem (mit Bezug auf die Zeichnung) unteren Ende seines Hubes angrenzend an den Arm 139 befindet und das Druckfluid der

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(mit Bezug auf die Zeichnung) unteren Kammer zugeführt wird, um den Kolben 121 nach oben zu drücken, die nach außen gerichtete Kraft, der die Welle durch den Druck des Fluids unterworfen ist, das über den Querschnittsflächenbereich des durch die öffnung 14-3 verlaufenden Teiles der Welle wirkt, die axiale Komponente der auf die Abtriebswelle von den Verbindungselementen ausgeübten Kraft überschreiten. Infolgedessen ist dann ein wirksamer oder nutzbarer, nach außen gerichteter Schub an der Abtriebswelle vorhanden. Wenn sich ,jedoch der Kolben nach oben (mit Bezug auf die Zeichnung) bewegt, werden die unteren Verbindungselemente 127 zunehmend flacher und die oberen Verbindungselemente 123 zunehmend steiler relativ zu der Achse geneigt, so daß der Axialschub an dem Kolben gegen die Abtriebswelle zunehmend Gegenwirkung erfährt. An irgendeinem Zwischenpunkt während dieser Bewegung kehrt sich daher der Sinn des wirksamen oder nutzbaren Axialschubes an der Abtriebswelle um, und wenn der Kolben das Ende seiner Bahn erreicht, ist ein großer nach innen gerichteter, nutzbarer Schub an der Abtriebswelle vorhanden. Wenn der Kolben in die entgegengesetzte Sichtung getrieben wird, wird natürlich ein großer nach außen gerichteter Axialschub auf die Abtriebswelle am Anfang der Bahn auegeübt, und dieser vermindert sich fortschreitend, wenn eich der Kolben in Richtung dee (mit Bezug auf die Zeichnung) unteren Endes dee Zylinders 111 zurückbewegt.

Ee wird bemerkt, daß in allen Fällen der auf das Abtriebeelement für irgendeine gegebene Stellung dee Kolbens

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ausgeübte Axialschub proportional dem von der angetriebenen Vorrichtung dargebotenen Gegenwirkungsmoment ist.

Eine übliche Anordnung zum Kuppeln der Abtriebswelle einer Betätigungsvorrichtung mit der Antriebswelle einer Drehvorrichtung besteht darin, einen quadratischen Keil an der einen Welle und eine ergänzende Fassung an der anderen Welle vorzusehen. Mit dieser Anordnung werden die Wellen miteinander wirksam durch Reibung verriegelt, sobald Drehmoment durch die Kupplung hindurch ausgeübt wird, wobei die Stärke der ^MReibungsverriegelung" im allgemeinen proportional dem angelegten Drehmoment ist. Praktisch sind daher die Wellen starr gekuppelt·

Außerdem kann die Verwendung von Druckscheiben allein zur Aufnahme des Reaktionsaxialschubes an der Abtriebswelle die Axialbewegung der Welle an sich nicht ganz beseitigen, und im besonderen nach dem Auftreten von Verschleiß bei Verwendung der Vorrichtung kann eine solche Axialbewegung ausreichend dafür sein, daß der Axialschub auf die Welle des Ventils mit Absperrkörper übertragen wird.

Zur Losung dieses Problems sind Mittel vorgesehen, um die Abtriebswelle in einem Sinn mit einer Kraft axial vorzuspannen, die im wesentlichen gleich der oder großer als die axiale Komponente des Reaktionsschubes ist, der auf die Welle im entgegengesetzten Sinn während des normalen Betriebes der Betätigungseinheit ausgeübt wird. In der Aueführungsform der Fig. 5 bestehen diese Mittel aus der Federscheibe 1*7· Die Wirkung der von der Federscheibe 14-7 ausgeübten Vorspannkraft besteht darin, die (mit Bezug auf die Zeichnung) untere

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Fläche des Armee 139 in zwangsläufiger Berührung mit der Druckscheibe 14-5 zu halten, die ihrerseits an der Innenfläche des Zylinderkopfes 115 angreift. Die Welle wird somit zwangsläufig in der axialen Richtung plaziert, und es kann keine Axialbewegung der Welle relativ zu dem Zylinderkopf 115 während des Betriebes der Betätigungseinheit auftreten.

Fig. 7 zeigt einen Axialschnitt durch eine Antriebsoder Betätigungseinheit, die mit der in Fig. 5 gezeigten im wesentlichen identisch ist mit der Ausnahme, daß der Arm 139 durch eine Scheibe 139* ersetzt ist und die Federscheibe 14? weggelassen ist. Die Scheibe 139* ist rings um ihren umfang mit einem ¹O'-Ring 14O versehen, um eine Dichtung mit der Bohrung 123 zu bilden, und der Raum zwischen der Scheibe und dem Zylinderkopf 115 ist durch einen in dem Zylinderkopf ausgebildeten Schlitz oder Kanal 152 ventiliert. Infolgedessen wirkt der Druck des Druckfluids, das durch den unteren Schlitz 119 zugeführt wird, um den Kolben nach oben zu treiben, auf die Scheibe 139* und übt darauf, da die Fläch· dieser Scheibe gleich der Kolbenfläche ist, eine nach außen gerichtete Axialkraft aus, die wenigstens gleich dem Reaktioneechub ist, der darauf von dem über die Verbindungselemente 127 wirkenden Kolben ausgeübt wird. Daher bildet in der Ausfuhrungsform der Fig. 7 die Scheibe 139* das Mittel zum axialen Vorspannen der Abtriebswelle·

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Claims

Patentansprüche

1.) Vorrichtung zum Umwandeln linearer Bewegung in Drehbewegung und umgekehrt, bestehend aus einem ersten, zweiten und dritten Element, die so angeordnet sind, daß lineare Bewegung des zweiten Elementes relativ zu dem ersten und dritten Element und Drehbewegung des zweiten und dritten Elements relativ zueinander und zu dem ersten Element um eine gemeinsame Achse, die parallel zu der Richtung der linearen Bewegung verläuft, ermöglicht wird, einer ersten Mehrzahl langgestreckter Verbindungselemente, von denen jedes eine erste Länge hat und sich zwischen seinem ersten und zweiten Ende erstreckt und an diesen Enden mit dem ersten bzw. zweiten Element allseitig dreh- oder schwenkbar gelagert ist, und einer zweiten Mehrzahl langgestreckter Verbindungselemente, von denen jedes eine zweite Länge hat und sich zwischen seinem ersten und zweiten Ende erstreckt und an diesen Enden mit dem zweiten bzw. dritten Element allseitig dreh- oder schwenkbar gelagert ist, wobei das erste Ende und das zweite Ende jedes Verbindungselementee der ersten Mehrzahl in Abstand von der Achse bei einem ersten bzw. zweiten Radius angeordnet sind, das erste Ende und das zweite Ende jedes Verbindungselementes der zweiten Mehrzahl in Abstand von der Achse bei einem dritten bzw. vierten Radius angeordnet sind und die lineare Bewegung und die Drehbewegung durch Dreh- oder

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Schwenkfunktion der Verbindvmgselemente gegenseitig umwandelbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die tangentialen Komponenten der Richtungen, in denen sich die Verbindungselemente der ersten Mehrzahl von dem ersten Element weg in Richtung des zweiten Elementes erstrecken, in einem Winkelsinn um die Achse herum gerichtet sind und daß die tangentialen Komponenten der Richtungen, in denen sich die Verbindungselemente der zweiten Mehrzahl von dem zweiten Element weg in Richtung des dritten Elementes erstrecken, in dem anderen Winkelsinn um die Achse herum gerichtet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch Λ, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungselemente federnd flexibel sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungselemente starr sind.

4. Drehantriebs- oder -betätigungseinheit, bestehend aus einer Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste Element fest ist, das dritte Element in einer fixierten axialen Lage relativ zu dem ersten Element gehalten wird und das zweite Element so angeordnet ist, daß es relativ zu dem ersten und dem dritten Element axial derart angetrieben wird, daß das dritte Element relativ zu dem ersten Element drehbar angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die relativen Abmessungen des ersten, zweiten, dritten und vierten Radius, der ersten und zweiten Länge und des axialen Abstandes des ersten und dritten Elementes derart sind, daß das Drehmoment, das zwischen dem ersten und dritten Element ansprechend

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auf eine gegebene auf das zweite Element ausgeübte Axialkraft entwickelt wird, im wesentlichen konstant ist oder durch ein Minimum verläuft, wenn das zweite Element axial zwischen dem ersten und dritten Element bewegt wird.

5. Einheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste, zweite, dritte und vierte Radius im wesentlichen gleich sind, daß die erste und zweite Länge im wesentlichen gleich sind und daß das erste und dritte Element in einem axialen Abstand angeordnet sind, der die gleiche Größenordnung wie die Radien hat.

6. Einheit nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der im wesentlichen gleichen Längen und der im wesentlichen gleichen Radien die Größenordnung von Λ,8 hat.

7· Einheit nach Anspruch 4-, 5 oder 6, bestehend aus einer zylindrischen Kammer, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Element einen Kolben bildet, der in der Kammer axial verschiebbar und drehbar ist, so daß das zweite Element axial relativ zu dem ersten und dritten Element durch die Zuführung von Druckfluid an die Kammer angetrieben werden kann.

8. Einheit nach einem der Ansprüche 4 bis 7 für «ine Drehvorrichtung, die ansprechend auf ein angelegtes Drehmoment innerhalb eines gegebenen Arbeitsbereiche betätigbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit aufweist eine axial fixierte Länge- oder Drucklagerfläohe sub Eingriff mit einer radialen Oberfläche des dritten Elemente, vm dessen läufige axiale Plazierung herzustellen, nod Vorepannungeaittel,

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die so angeordnet sind, daß wenigstens während des Betriebes der Einheit zum Liefern eines Drehmomentes in dem Arbeitsbereich das dritte Element in der axialen Richtung federnd vorgespannt wird in dem Bestreben, daß die radiale Oberfläche an der Lagerfläche mit einer Kraft angreift, die im wesentlichen gleich der oder größer als die axiale Komponente der auf das dritte Element von den Verbindungselementen ausgeübten Kraft ist.

9· Einheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannungsmittel aus einer Federscheibe oder -ring bestehen, die bzw. der zwischen einer ringförmigen Schulter, die an dem dritten Element ausgebildet ist, und einer fixierten ringförmigen Längs- oder Drucklagerfläche zusammengepreßt ist, wobei die Federscheibe gespannt ist, um das dritte Element in die axiale Sichtung mit einer Kraft zu drücken, die wenigstens' im wesentlichen gleich der maximalen axialen Komponente der Kraft ist, die auf das dritte Element von den Verbindungeelementen während des Betriebes der Einheit ausgeübt wird, um ein Drehmoment innerhalb des Arbeitsbereiches zu liefern.

10. Einheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung««ittel aus einer Scheibe bestehen, die mit einem Teil des dritten Elementes verbunden ist oder einen Teil de« dritten Elementes bildet und abdichtend und gleitend in Eingriff rings um ihren Umfang mit der Bohrung der zylin-

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drischen Kammer ist, so daß die Scheibe und der Kolben entsprechende Enden der Kammer begrenzen, wobei während des Betriebes der Einheit der Druck, der auf die Scheibe durch von der Kammer zugeführtes Druckfluid ausgeübt wird, das dritte Element in der Axialrichtung mit einer Kraft drückt, die im wesentlichen gleich der oder größer als die axiale Komponente der Kraft ist, die von den Verbindungselementen auf das dritte Element ausgeübt wird.

11· Einheit nach einem der Ansprüche 4· bis 11, gekennzeichnet durch eine Federvorrichtung, die zwischen dem ersten und dem zweiten Element so wirkt, daß das zweite Element axial relativ zu dem ersten Element gedrückt wird, wodurch Federrückzugwirkung der Einheit hergestellt wird.

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