DE2944123C2 - Spannungswellen-Getriebe - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Spannungswellen-Getriebe, insbesondere für einen Stellantrieb für Armaturen wie Ventile oder für Handhabungsgeräte, 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 Ein Getriebe dieser Art ist bekannt, z.B. aus DE-PS 33 259 (Fig. 44). — Ein weiterer Hinweis auf diese Anwendungsmöglichkeit findet sich bei Dudley »Gear Handbook«, Mac Graw-Hill-Verlag, 1. Auflage 1962. — Auch die GB-PS 12 64 590 offenbart Gestaltungsvorschläge üur Abstützung von Druckkräften auf das Spannunj;srad.

Diese bisher bekannten Vorschläge habsn den gemeinsamen Nachteil, daß das Spannungsrad wegen der von iihm 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 und eine absolute Dichthaltung bei erschwerten Einsatzverhältnissen nicht gewährleistet war,

Stellantriebe für Anwendungsfälle bei höheren Drücken und höheren Sicherheitsanforderungen waren bei diesem Entwicklungsstand bisher nach wie vor auf Stopfbuchsenkonstruktionen oder in Sonderfällen auf Faltenbalgausführungen angewiesen. Dabei störte jedoch im einen Fall insbesondere der verbleibende Restspalt und im anderen die große Baulänge.

Aufgabe der Erfindung

ist es, von diesem Stand ausgehend ein Spannungswellengetriebe, z. B. für Stellantriebe 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

Vorteile

des Getriebes, 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 Spannungswellen-Getriebe einen in vielen Technikbereichen sehr bedeutenden, erweiterten Anwendungsbereich unter Mitausnutzung seiner Dichtungseffekte. Insbesondere wird durch die Stützmittel eine Lebensdauerverlängerung des Spannungsrades erreicht, die in weiteren 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 vorzuse- hen als bei Stellantrieben mit hohen Antriebsmotor-Stativen zur Unterbringung bzw. Abstützung der Stopfbuchs- bzw. 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

6ö den Unteransprüchen beschrieben.

Mit der Ausgestaltung des Antriebes nach Anspruch 2 wird eine besonders fertigungsgünstige Gestaltung des Spannungsrades erreicht, indem die Stützkörper bereits als integriertes Teil desselben konzipiert sind.

Mit der Ausgestaltung des Antriebes nach Anspruch 3 wird eine Stützkörperform mit verbesserter Beulspannungsverteilung in der Wand des Spannungsrades erreicht.

Milder Ausgestaltung des Antriebes nach Anspruch 4 wird eine Stützkörperanordnung erreicht, die weiter verbesserte Wecbselbeanspruchbarkeit aufweist.

Mit der Ausgestaltung des Antriebes nach Anspruch 5 wird zwischen dem Spannungsrad und den Stötzkörpern sowohl eine Stützwirkung mit gleichmäßiger Verteilung als auch eine Schmierungswirkung erzielt.

Mit der Ausgestaltung des Antriebes nach Anspruch 6 wird als Stützmittel eine Druckkraft mitverwendet und eine sehr gleichmäßige Abstützung bewirkt

Mit dem erfindungsgemäßen Antrieb 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.

Durch die Ausgestaltung der Stützmittel in der Weise, daß sie mit dem Spannungsrad starr verbunden sind bzw. ein. Teil desselben bilden, wird eine besonders einfache, rein mechanische Abstützwirkung erreicht.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung wird im folgenden anhand von schematischen Darstellungen als allgemeines Beispiel erläutert

F i g. 1 zeigt einen Längsschnitt durch den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Stellantriebs mit rein mechanisch wirksamen Stützkörpern auf der An- und Abriebsseite des Spannungswellenerzeugers;

F i g. 2 zeigt einen Querschnitt durch diesen Stellantrieb in Höhe der gedachten Schnittlinie I/I;

F i g. 3 zeigt eine Variante zu F i g. 1 mit zusätzlichen hydrostatischen Lagern zwischen Spannungsrad und Topfbüchse;

F i g. 4 zeigt einen Querschnitt in Höhe der gedachten Schnittlinie II1II.

In Fig. 1 ist an das Armaturengehäuse (1) an der Außenseite der Einbauflansch (2) befestigt. An seiner Stirnseite (3) ist das als schlanke Topfbüchse geformte Spannungsrad (4) zusammen mit dem Bund (5) eines antriebsseitigen Stützkörpers (6) druckdicht eingeflanscht. Dieser Stützkörper (6) dient hier bevorzugt als Lagergehäuse für ein Antriebsweüenlager (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 eingebaut 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 Spannungswellenerzeugcr (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 (4) von seinem freien Ende her bis etwa zur Mitte dee Spannungswellenerzeugers (14) begrenzt iBngsbeweglieh 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, U) können Radiallager (20) eingebaut sein, um die Antriebswelle vor Seitenkräften infolge der wechselseitigen Deformationen der Wand des Spannungsrades (4) zu schützen. 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 achsymmetrischen Umlaufkörper (21) verwendet. Die umlaufende Einbeulung ist aus F i g. 2 ersichtlich.

Zur weiteren Vermeidung höht: Reibungsverluste können in einer weiteren Variante na^h Fig.3 auch hydrostatische Lager (29) an sich bekannter Art auf den Stützkörpern angeordnet sein. — Die Druckölzufuhr (30) erfolgt gemäß F i g. 4 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. In gleicher Weise sind auch dem Spannungswellener-

zeuger (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 Verspannungen der Spannungsrad- Wand keine nennenswerten Reibungskräfte an diesen Berührungsstellen bemerkbar machen können.

Die Funktion eines Stellantriebes dieser Bauart ist beim dargestellten schematischen Beispiel nach F i g. 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 Spannungswellcnerzeuger (14), welcher eine 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 d.-*bei zwei gegenüberliegende Seiten ihrer Außenverzahnungen (15) jeweils gleichzeitig in die Innenverzahnungen der beiden übereinander angeordnete.,, aber gegeneinander drehbeweglichen Ringräder (16, 17). Da die Zähnezahl des abtriebsseitigen Ringrades (17) gegenüber der Außenverzahnung A 5 unterschiedlich ist, ergibt sich ein Vorschub bzw. eine Untersetzung. Die mit dem zweiten Ringrad (17) fest verbundene Kupolungsglocke (18) bzw. die davon ausgehende Verstellspindel (19) dreht sich also mit

so anderer Drehzahl bzw. mit anderem Drehmoment

Der Umstand, daß die Wand des Spannungsi ades (4) völlig geschlossen sein kann und eine Einspannung desselben im Einbauflansch (2) völlig restspaltfrei bzw. ohne Drehbeweglichkeit möglich ist, führt zu einer mit besten Flanschverbindungen vergleichbaren Abdichtungsqualität.

Infolge der Stützwirkung durch die rotationssymmetrischen und achssymmetrischen Stützkörper (6, U, 21,

22) bzw. durch Druckmittel sowie der Aussteifungswirkung durch den Spannungswellenerzeuger (14) bzw. der diesem zugeordneten Wälzkörper (23) kann der Innendruck im Armaturengehäuse (1) die relativ dünne Wand des Spannungsrades (4) nicht, auch nicht bei hohen Differenzdrücken, einbeulen. Überdies schützen Einbauflansch (2) und Kupplungsglocke (18) das Spannungsrad (4) vor aggressiven Einflüssen von der Innen- oder Außenseite des Armaturengehäuses (1).

Zum Schütze vor Verschmutzung durch die Strömungsmedien ist es schließlich noch möglich, eine Schleifringdichtung (24) zwischen Einbauflansch (2) und Kupplungsglocke (18) so anzuordnen, daß evtl. grobkörmige Verunreinigungen nicht die Verzahnung(15)durch den Spalt an dieser Stelle erreichen. Um absolut sicherzugehen, daß auch ein evtl. Haarriß in der Wand des Spannungsrades (4) rechtzeitig erkannt werden kann, besteht noch die Möglichkeit, unterhalb des

(25) einzusetzen und den sich damit im Inneren des Spannungsrades ergebenden Druckraum (26) über Kapillarbohrungen durch die Wand des Eipbauflansches (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.

Dabei wird (siehe auch Fig.4) von der Antriebsseite Druckmittel durch die Zentralbohrung (30) in die Seitenkanäle (31) gleichmäßig so verteilt, z. B. mittels Drosseln, daß in den Drucktaschen (29) des hydrostatischen Lagers stets Überfluß vorhanden ist und ein Abfluß über Rücklaufkanäle in den Dichtleisten oder separaten Bohrungen zurück zu einem Rücklaufsammelraum (32) vor der Umwälzpumpe nimmt die überströmende Druckmittelmenge auf.

Eine besonders kompakte Bauweise für Ventil- und Schieberantriebe etc. ergibt sich dann, wenn die

to 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

is eine Drehbewegung im Armaturengehäuse erforderlich ist. Da in beiden Anwendungsfällen An- und Abtriebsbewegungen direkt proportional sind, ist keine Stellungsanzeige notwendig, deren Abgriff aus dem Druckraum herausfuhr!

Durch ballig geformte Außenkonturen der Stützkörper, welche abmessungsmäßig in gedachten Schnittebenen senkrecht zur Rotationsachse der Innenkontur des verformten Spannungsrades entsprechen, wird eine Stützwirkung erreicht, welche Spannungsspitzen über

2Ί der Wandlänge des Spannungsrades weitgehend vermeidet.

Durch Anordnung von mehreren Wälzkörpern in einer ocVr mehreren Reihen zwischen dem bzw. den Stützkörpern und dem verformten Spannungsrad wird

jo die Reibung auch zwischen Spannungsrad und Stützkörpern klein gehalten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche!

1. Spannungswellen-Getriebe, insbesondere for einen Stellantrieb für Armaturen wie Ventile oder für Handhabungsgeräte, mit einem Antriebsmotor, einem zwischen An- und Abtriebsseite abdichtbaren Gehäuse und einem im Gehäuse drebbeweglichen Verstellglied, wobei der vom Antriebsmotor drehbare Spannungswellen-Erzeuger ein verformbares Spannungsrad, das mit dem Gehäuse drehfest verbunden und als Topfbüchse ausgebildet ist, ein mit dem Spannungsrad in Zahneingriff stehendes erstes Ringrad, das ebenfalls mit dem Gehäuse drehfest verbunden ist, und ein mit dem Spannungsrad in Zahneingriff stehendes zweites Ringrad, das mit dem Verstellglied drehfest verbunden ist, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein zusätzliches radial wirkendes Stützmittel auf der Antriebsseite des Spannungsrades (4) vorgesehen ist, dessen Umfangskontur einer unzulässigen Verformung entgegenwirkt

2. Spannungswellen-Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Stützmittel (6, 11) mit dem Spannungsrad (4) starr verbunden ist

3. Spannungswellen-Getriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Stützmittel (6,11) sich im Querschnitt zum Spannungswellen-Erzeuger (14) hin verjüngt, wobei der Außendurchmesser dem inneren Durchmesser (Di) der Nebenachse (N) des elliptisch, verformten Spannungsrades (4) zugeordnet ist.

4. Spannungswellengetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Stützmittel (21) mit der Antriebswelle fest verbunden ist.

5. Spannungswellengetriebe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Stützmittel ein hydrostatisches Lager (29) mit auf dem Umfang der Mantelfläche gleichmäßig verteilten Drucktaschen (30) ist

6. Spannungswellen-Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützmittel durch Druckmittel im Druckraum auf der Antriebsseite ergänzt wird.