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Stand der Technik:
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Die Erfindung betrifft einen Stellantrieb für Armaturen oder für
Handhabungsgeräte und dergleichen, der ein Spannungswellengetriebe zwischen Antriebsmotor
und Verstellglied benutzt, welches neben seiner Getriebefunktion auch der Abdichtung
einer rotierenden Stellkrafteinleitung in einen unter anderem Druck stehenden Raum
(wie z. B. in eine Rohrleitung oder in einen Behälter hinein bzw. heraus) dient.
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Eine Stellantriebskonstruktion dieser Art ist bekannt z. B.
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aus DT-AS 11 35 259 (Fig. 44). - Ein weiterer Hinweis auf diese Anwendungsmöglichkeit
findet sich bei Dudley "Gear Handbook", Mc Graw-Hill-Verlag, 1. Auflage 1962. -Diese
bisher bekannten Vorschläge haben den gemeinsamen Nachteil, daß das Spannungsrad
wegen der von ihm funktionsbedingt zu fordernden leichten Deformierbarkeit aus sehr
dünnwandigem Material gefertigt werden mußte. Damit wurde die Beulfestigkeit so
eingeschränkt, daß der Einsatz solcher Antriebe vornehmlich auf niedrige Druckunterschiede
bzw. auf kleine Antriebsleistungen beschränkt war.
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Stellantriebe für Anwendungsfälle bei höheren Drücken und höheren
Sicherheitsanforderungen waren bei diesem Entwicklungsstand bisher nach wie vor
auf Stopfbuchskonstruktionen oder in Sonderfällen auf Faltenbalgausfuhrungen angewiesen.
Dabei störte jedoch im einen Fall insbesondere der verbleibende Restspalt und im
anderen die große Baulänge.
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Aufgabe der Erfindung ist es, von diesem Stand ausgehend einen Stellantrieb
mit Spannungswellengetriebe zu schaffen, - dessen Verwendbarkeit auch extremen Sicherheitsforderungen
genügt, - dessen Abdichtung hermetisch und wartungsfrei ist, - dessen Baulänge zumindest
im Vergleich zu Faltenbalgabdichtungen deutlich kürzer sein kann und - dessen Getriebewirkungsgrad
trotz hoher Untersetzung gut ist.
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Vorteile des Stellantriebs, welche nach Anspruch 1 erreicht werden,
sind die Verbesserungen der Beulsicherheit der sowohl als Abdichtelement als auch
als Kraftübertragungsglied fungierenden Wand des topfförmigen Spannungsrades mittels
der hierin vorgesehenen, radial wirkenden Stützmittel. Die erfindungsgemäße Konstruktion
erschließt dadurch dem an sich bekannten Spannungswellengetriebe einen in vielen
Technikbereichen sehr bedeutenden, erweiterten Anwendungsbereich unter Mitausnutzung
seiner Dichtungseffekte. Insbesondere wird durch die Stützmittel eine Lebensdauerverlängerung
des Spannungsrades erreicht, die in weiten Bereichen der zu
erwartenden
Gesamtbenutzungsdauer der jeweiligen Armatur entspricht. Überdies ermöglicht es
die kompakte gedrungene Bauweise des Stellantriebes und die sichere Abstützung der
meistbeanspruchten Wand des Spannungsrades vor kritischen Beulbeanspruchungen, höhere
spezifische Schließkräfte vorzusehen als bei Stellantrieben mit hohen Antriebsmotor-Stativen
zur Unterbringung bzw. Abstützung der Stopfbuchs- bzw.
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Faltenbalg-Längen. - Die erfindungsgemäße Anordnung von Stützmitteln
auf der Antriebsseite läßt sich sinngemäß sowohl für Spannungsräder realisieren,
die auf der Außenseite angetrieben werden als auch für Spannungsräder, die auf der
Innenseite angetrieben werden. Einzige Vorbedingung ist die Ausbildung des Spannungsrades
als Topfbüchse. -Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
beschrieben.
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Mit der Ausgestaltung des Stellantriebes nach Anspruch 2 wird wird
eine einfache, rein mechanische Abstützwirkung erreicht.
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Mit der Ausgestaltung des Stellantriebes nach Anspruch 3 eine besonders
fertigungsgünstige Gestaltung des Spannungsrades erreicht, indem die Stützkörper
bereits als integriertes Teil desselben konzipiert sind.
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Mit der Ausgestaltung des Stellantriebes nach Anspruch 4 wird eine
Stützkörperform mit verbesserter Beulspannungsverteilung in der Wand des Spannungsrades
erreicht.
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Mit der Ausgestaltung des Stellantriebes nach Anspruch 5 wird eine
Stützkörperanordnung erreicht, die weiter verbesserte Wechselbeanspruchbarkeit aufweist.
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Mit der Ausgestaltung des Stellantriebes nach Anspruch 6 wird eine
Stützwirkung erreicht, die Spannungsspitzen über der Wandlänge des Spannungsrades
weitgehend vermeidet.
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Mit der Ausgestaltung des Stellantriebes nach Anspruch 7 wird die
Reibung zwischen Spannungs rad und Stützkörpern durch Wälzlager klein gehalten.
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Mit der Ausgestaltung des Stellantriebes nach Anspruch 8 wird zwar
hohen dem Spannungsrad und den Stützkörpern sowohl eine Stützwirkung mit gleichmäßiger
Verteilung als auch eine Schmierungswirkung erzielt.
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Mit der Ausgestaltung des Stellantriebes nach Anspruch 9 wird als
Stützmittel eine Druckkraft mitverwendet und eine sehr gleichmäßige Abstützung bewirkt.
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Mit dem erfindungsgemäßen Stellantrieb sind bei nur unwesentlichen
Anpassungsmaßnahmen alle üblichen Stellantriebe ersetzbar bzw. umrüstbar. Auch können
an sich bekannte Sonderkonstruktionen für extreme Sicherheitsansprüche, wie z. B.
Sicherheits-Stopfbüchsen mit Leckprüfräumen zur Notfallsicherung, auch hier zusätzlich
verwendet werden.
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Darstellung der Erfindung: Die Erfindung wird im folgenden anhand
von schematischen Darstellungen als allgemeines Beispiel erläutert.
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Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch den prinzipiellen Aufbau eines
erfindungsgemäßen Stellantriebs mit rein mechanisch wirksamen Stützkörpern auf der
An- und Abtriebsseite des Spannungswel lenerzeugers.
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Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch diesen Stellantrieb in Höhe
der gedachten Schnittlinie I/I.
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Fig. 3 zeigt eine Variante zu Fig. 1 mit zusätzlichen hydrostatischen
Lagern zwischen Spannungsrad und -Topfbüchse.
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Fig. 4 zeigt einen Querschnitt in Höhe der gedachten Schnittlinie
II 1 II.
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In Fig. 1 ist an das Armaturengehäuse (1) an der AuBenseite der Einbauflansch
(2) befestigt. An seiner Stirnseite (3) ist das als schlanke Topfbüchse geformte
Spannungsrad (4) zusammen mit dem Bund (5) eines antriebsseitigen StUtzkdrpers (6)
druckdicht eingeflanscht. Dieser Stützkörper (6) dient hier bevorzugt als Lagergehäuse
für ein Antriebswellenlager (7) der Antriebswelle (8), welche mit einem freien
Ende
(9) in das Spannungsrad (4) hineinragt und durch den nicht gezeigten Antriebsmotor
(10) antreibbar ist. Ein abtriebsseitiger Stützkörper (11) ist im Inneren des Spannungsrades
(4) dicht am Boden (12) anliegend oingebaut. Etwa in gleichem Abstand von den freien
Enden der Stützkörper (6, 11) befindet sich, drehfest mit der Antriebswelle (8)
verbunden, ein konzentrisch zur Rotationsachse (13) im Spannungsrad (4) entgegen
der Radialspannung drehbarer Spannungswellenerzeuger (14). Auf der Außenseite der
Wand des Spannungsrades (4) ist noch eine zur Rotationsachse (13) parallele Außenverzahnung
(15) angeordnet. Sie befindet sich auf mindestens zwei gegenüberliegenden Seiten
ihres Umfanges im Dauereingriff mit einem ersten Ringrad (16), welches abtriebsseitig
im Einbauflansch (2) drehfest eingesetzt ist und mit der Außenverzahnung (15) gleiche
Zähnezahl hat. Die Außenverzahnung (15) steht außerdem im ständigen Eingriff mit
mindestens zwei gegenüberliegenden Seiten des zweiten Ringrades (17), welches eine
andere Zähnezahl als das erste Ringrad (16) hat und drehfest in eine Kupplungsglocke
(18) eingesetzt ist, welche das topfbüchsenförmige Spannungsrad (4j von seinem freien
Ende her bis etwa zur Mitte des Spannungswellenerzeugers (14) begrenzt längsbeweglich
umfaßt. Die Kupplungsglocke (18) ist ihrerseits fest verbunden mit der Verstellspindel
(19), von der aus die weitere Krafteinleitung zur Betätigung der jeweiligen Armatur
erfolgt. Sowohl im antriebsseitigen als auch im abtriebsseitigen Stützkörper (6,
11) können Radiallager (20) eingebaut sein, um die Antriebswelle vor Seitenkräften
infolge der wechselseitigen
Deformationen der Wand des Spannungsrades
(4) zu schützen.
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Außer den rotationssymmetrischen Stützkörpern (6, 11) können zur weiteren
Abstützung zwischen dem Spannungswellenerzeuger (14) und jedem der rotationssymmetrischen
Stützkörper (6, 11) noch achssymmetrische Umlaufstützkörper (21) angeordnet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden hier Wälzkörper (22) auf der Außenseite
dieser achssymmetrischen Umlaufkörper (21) verwendet. Die umlaufende Einbeulung
ist auz Fig. 2 ersichtlich.
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Zur weiteren Vermeidung hoher Reibungsverluste können in einer weiteren
Variante nach Fig. 3 auch hydrostatische Lager (29) an sich bekannter Art auf den
Stützkörpern angeordnet sein. - Die Druckölzufuhr (30) erfolgt gemäß Fig. 4 vorzugsweise
durch eine Zentralbohrung, von welcher die einzelnen Stichkanäle (31) an den Drucktaschen
(29) radial abzweigen. Der Rücklauf zum Sammelraum (32) erfolgt beispielsweise über
besondere Kanäle in den Dichtleisten.
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In gleicher Weise sind auch dem Spannungswellenerzeuger (14) zwischen
der Innenwand des Spannungsrades (4) und seiner eigenen Außenkontur Wälzkörper (23)
zugeordnet, so daß sich beim Umlauf des exzentrisch geformten'Spannungswellenerzeugers
(4) trotz hoher radialer Verapannungen der Spannungsrad-Wand keine nennenswerten
Reibungskräfte an diesen Berühgsstellen bemerkbar machen können.
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e punktion eines Stellantriebes dieser erfindungsge-@@@@@ @@@@@@
ist beim dargestellten schematischen Beispiel @@@@ Fig. 1 und 2 wie folgt:
Entsprechend
dem Stand der Technik ist die Antriebswelle (8) in einer beliebigen Richtung rotationsbeweglich
gegenüber dem Spannungsrad (4). Bei jeder Bewegung nimmt sie den Spannungswellenerzeuger
(14), welcher eine bevorzugt elliptische Außenkontur aufweist, im Drehsinne mit.
Da das an sich einen kreisrunden Querschnitt aufweisende Spannungsrad (4) über den
Spannungswellenerzeuger (14) unter beträchtlicher Vorspannung übergestülpt ist,
deformiert sich die Wand des Spannungsrades (4) ebenfalls zu einer deutlichen Ellipse
und preßt dabei zwei gegenüberliegende Seiten ihrer Außenverzahnungen (15) jeweils
gleichzeitig in die Innenverzahnungen dz beiden übereinander angeordneten, aber
gegeneinander drehbeweglichen Ringräder (16, 17). Da die Zähnezahl des abtriebsseitigen
Ringrles (17) gegenüber der Außenverzahnung AS unterschiedlich ist, ergibt sich
ein Vorschub bzw. eine Untersetzung. Die mit dem zweiten Rinqrad (17) fest verbundene
Kupplungsglocke (18) bzw. die davon ausgehende Verstellspindel (19) dreht sich also
mit anderer Drehzahl bzw. mit anderem Drehmoment.
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Der Umstand, daß die Wand des Spannungsrades (4) völlig geschlossen
sein kann und eine Einspannung desselben im Einbauflansch (2) vollig restspaltfrei
bzw. ohne Drehbeweglichkeit möglich ist, führt zu einer mit besten Flanschverbindungen
vergleichbaren Abdichtungsqualität.
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Infolge der erfindungsgemäßen Stützwirkung durch die rotationssymmetrischen
und achssymmetrischen Stützkörper (6, 11, 21, 22) bzw. durch Druckmittel sowie der
Aussteifungswir kung durch den Spannungswcllencrzeuger (14) bzw. der diesem zugeordneten
WalzkOrper (23) kann der Innendruck im Armaturengehäuse (1) die relativ dünne Wand
des Spannungsrades (4) nicht, auch bei hohen Differenzdrücken, einbeulen. Oberdies
schützen Einbauflansch (2) und Kupplungsglocke (18) das Spannungsrad (4) vor aggressiven
Einflüssen von der Innen-oder Außenseite des Armaturengehäuses (1).
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Zum Schutze vor Verschmutzung durch die Strömungsmedien ist es schließlich
noch möglich, eine Schleifringdichtung (24) zwischen Einbauflansch (2) und Kupplungsglocke
(18) so anzuordnen, daß evtl. grobkörnige Verunreinigungen nicht die Verzahnung
(15) durch den Spalt an dieser Stelle erreichen.
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Um absolut sicherzugehen, daß auch ein evtl. Haarriß in der Wand des
Spannungsrades (4) rechtzeitig erkannt werden kann, besteht noch die Möglichkeit,
unterhalb des Antriebswellenlagers (7) eine Sicherheits-Nutdichtung (25) einzusetzen
und den sich damit im Inneren des Spannungsrades ergebenden Druckraum (26> über
Kapillarbohrungen durch die Wand des Einbauflansches (2) hindurch zu überwachen.
Dieser Innenraum (26) kann selbstverständlich auch sehr einfach unter erhöhten Druck
von außen gesetzt werden, so daß die Versteifungswirkung durch die verschiedenen
Stützmittel nötigenfalls
auch (gemäß Fig. 3) durch hydraulischen
bzw. pneumatischen Druck verstärkt und über hydrostatische Lager (29) gleichmäßig
abgestützt werden kann.
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Eine besonders kompakte Bauweise für Ventil- und Schieberantriebe
etc. ergibt sich dann, wenn die Kupplungsglocke (18) unmittelbar als Gewindemutter
zur Erzeugung der Längsbewegung der Verstellspindel (19) ausgebildet wird. Das gleiche
Grundprinzip läßt sich auch zur Betätigung von Verstellgliedern verwenden, bei denen
keine Längsbewegung, sondern lediglich eine Drehbewegung im Armaturengehäuse erforderlich
ist. Da in beiden Anwendungsfällen An- und Abtriebsbewegngen direkt propotional
sind, ist keine Stellungsanzeige notwendig, deren Abgriff aus dem Druckraum herausführt.