Die Erfindung betrifft eine Betätigungsvorrichtung für
ein schwenkbares Verschlußstück eines Ventils nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige Betätigungsvorrichtungen, die auch als Stellan
triebe oder Luftmotore bezeichnet werden, sind bekannt,
z. B. aus der US-PS 36 02 478. Diese enthält einstellbare
Anschläge für die Kolbenlage und zwar in Form von an die
Kolbenunterseite eines Membrankolbens angeschraubten
Stangen, die durch besondere Führungen herausragen und
mit externen Anschlägen zusammenwirken. Sie bilden
gleichzeitig auch eine Verdrehsicherung des Kolbens, die
dieser nötig hat, weil er bei Wirksamwerden der Schrau
benführung auf Drehung beansprucht wird. Eine solche Ein
stelleinrichtung ergibt Probleme bezüglich der Dichtheit
und gleichmäßigen Einstellung. Sie sind insbesondere für
Drosselklappenventile vorteilhaft, weil diese nur eine
Schwenkbewegung von ca. 90° zwischen Öffnungs- und
Schließstellung der Drosselklappe benötigen, die mit
einer relativ einfachen Kurve auf dem Kolben und nicht zu
großem Kolbenhub erzielt werden kann. Die im drucklosen
Zustand unter Einwirkung der Feder eingenommene Ruheposi
tion entspricht dabei vorteilhaft der Schließstellung des
Ventils, so daß bei Ausfallen des pneumatischen Drucks
automatisch das Ventil geschlossen wird. Bei derartigen
Drosselklappenventilen kommt es zwar auf geringfügige Ab
weichungen in der der Öffnungsstellung zugeordneten Win
kelposition nicht an, jedoch muß für absolute Dichtheit
die Schließposition sehr genau festgelegt sein. Dies war
bei bisherigen Drosselklappenventilen nicht immer sicher
gestellt.
Die US-PS 29 18 040 zeigt einen nicht mit einer Drehvor
richtung versehenen, üblichen Kraftzylinder, der auf sei
ner nicht beaufschlagten Seite durch eine Schraubhülse in
seinem Hub einstellbar ist. Dies ist auf Vorrichtungen
der eingangs erwähnten Art nicht ohne weiteres übertrag
bar.
Aus dem DE-GM 79 23 897 ist es bekanntgeworden, die Ruhe
stellung eines Membrankolbens und seine beaufschlagbare
Seite bei einer Betätigungsvorrichtung für ein Drossel
klappenventil auf der Abtriebsseite vorzusehen.
Ferner ist aus dem DE-GM 19 50 917 eine Betätigungsvor
richtung bekannt, die zur Drehbetätigung eines Kugelven
tils einen druckbeaufschlagbaren, drehbaren Kolben auf
weist. Im Kolbenmantel sind schraubenförmige Schlitze
vorgesehen, die mit Mitnehmern am Zylinder zusammenwir
ken. Ein auf der Kolbenstange angebrachtes Joch greift in
den Kolbenmantel ein und dreht die Kolbenstange. Eine
Einstellmöglichkeit für die genaue Einhaltung der
Schließstellung des Ventils ist nicht vorgesehen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Betätigungsvorrichtung
der eingangs erwähnten Art mit einem Einstellglied zu
schaffen, durch das die Schließstellung des angeschlosse
nen Ventils sicher erreicht und eingehalten wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeich
nenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Das Einstellglied kann vorteilhaft eine hohle, am Außen-
und Innenumfang abgedichtete, im abtriebsseitigen Zylin
derdeckel schraubverstellbare Buchse sein. Dieses Ein
stellglied bildet also direkt oder vorteilhaft indirekt
über die Abtriebswelle einen Anschlag für die Axialbewe
gung des Kolbens, so daß über das Einstellglied die axi
ale Lage des Kolbens und damit die Schwenkposition des
Ventilkörpers eingestellt werden kann. Da der Ventilkör
per in seiner Schließposition keinen eigenen Anschlag
hat, ist eine Einstellung besonders vorteilhaft, weil sie
nicht nur verhindert, daß die Klappe in der für das
Schließen vorgesehenen Position noch nicht ganz geschlos
sen ist, sondern auch, daß sie über die ideale Schließ
position schon hinweggelaufen ist. Die Führung des Kol
bens an der Abtriebswelle kann dadurch geschehen, daß die
Abtriebswelle einen längsprofilierten Abschnitt aufweist,
der in eine entsprechend profilierte Kolbenführung längs
beweglich, aber drehkraftübertragend eingreift. Es ist
also keine zweite komplizierte Führung notwendig, sondern
ein einfacher Mehrkant, beispielsweise ein Vierkant,
reicht aus.
Der Kolben aus Kunststoff kann vorzugsweise an seinem Au
ßenumfang die als Nut ausgebildete Kurvenführung aufwei
sen, in die an der Zylinderwand angeordnete Mitnehmer in
Form von Rollen o. dgl. eingreifen. Dabei sind die Mitneh
mer-Rollen besonders einfach anzubringen und wirken mit
Mitnehmerkurven zusammen, die auf dem größtmöglichen Wir
kungsdurchmesser, nämlich dem Außenumfang des Kolbens,
angebracht sind. Der Kolben kann dadurch konstruktiv sehr
stabil ausgebildet werden, so daß er aus Kunststoff her
gestellt werden kann, was insbesondere wegen der Kurven
führungen wesentliche Herstellungsvorteile bietet.
Es ist vorteilhaft, wenn die Ruhestellung des Kolbens und
seiner pneumatisch beaufschlagbaren Zylinderkammer auf
der Abtriebsseite der Betätigungsvorrichtung liegt. Weil
diese Stellung des Kolbens der Schließstellung des Ven
tils entspricht, ist dort das aufzuwendende Drehmoment am
größten. In dieser Stellung ist aber die Drehkupplung
zwischen Kolben und Abtriebswelle besonders gut, weil
beide nahezu ineinandergefahren sind.
Vorteilhaft kann die Feder im Ruhezustand des Kolbens
eine erhebliche Vorspannung aufweisen und mit einem
Federträger und dem Kolben eine unter der Vorspannung zu
sammenhaltende Montageeinheit bilden. Dieses besonders
vorteilhafte Merkmal ermöglicht es, die Rückholfeder des
Kolbens mit besonders großer Vorspannung zu montieren,
ohne daß es
Montageschwierigkeiten gibt. Ohne diese Montageeinheit
würde die Feder beim Öffnen des oberen Zylinderdeckels mit großer
Kraft herausspringen und wäre nur mit besonderen Vorrich
tungen zu montieren. Die Montageeinheit ermöglicht es,
die Vorspannung der Feder beim Öffnen des Zylinderdeckels
weitgehend zu erhalten, indem die dann bewirkte Ent
spannung der Feder nur noch einige Millimeter zu betragen
braucht. Durch die hier mögliche große Vorspannung wird
auch die Wirkungsweise und Schließsicherheit des Ventils
vorteilhaft beeinflußt. Es ist zwar bereits vorgeschlagen
worden, die Kurvenführung durch eine erhöhte Steigung im
Bereich der Schließstellung, wo das im übrigen frei
drehbare Verschlußstück Widerstand an der sie umgebenden
Ringdichtung findet, zur Freigabe eines erhöhten Dreh
momentes zu veranlassen, jedoch wird dieser positive
Effekt von dem negativen Effekt überlagert, daß zur
Schließstellung (Ruhestellung des Kolbens) hin die Feder
kraft durch Entspannung der Feder abnimmt. Bei einer aus
reichend hoch vorgespannten Feder kann dieser Effekt
praktisch eliminiert werden. Ein besonders vorteilhafter
Aufbau der Montageeinheit ist möglich, wenn die einseitig
über ein Axiallager im Inneren einer tiefen
axialen ringförmigen Kolbennut abgestützte Feder mit ihrer
anderen Seite an dem vom Pneumatikzylinder einschließlich
seiner Zylinderdeckel gesonderten Federträger abgestützt
ist, der begrenzt axial beweglich mit dem Kolben verbun
den ist. Dieser Federträger stellt also ein am Kolben
axial bewegliches, jedoch in seiner Endlage begrenztes
Teil dar, das die Feder in ihrer vorgespannten Stellung
am Kolben hält.
Besonders bevorzugt enthält die Betätigungsvorrichtung
eine auf den abtriebsfernen Zylinderdeckel aufgesetzte
dicht verschlossene Schalteinheit. Bei einer
vorgeschlagenen Ausführung war diese Schalteinheit, die
Schalter zur Signalgabe, Rückmeldung bzw. Folgebetätigung
anderer Vorrichtungen enthält, an der Abtriebsseite, d. h.
zwischen Betätigungsvorrichtung und Ventil, vorgesehen
und arbeitete mit einem Schaltstück zusammen, das an der
drehbaren Abtriebswelle angebracht war. Die Schalter
störten dort und waren ungekapselt und somit Außenein
flüssen ausgesetzt. Das galt insbesondere, wenn statt
robuster mechanischer Schalter berührungslose Schalter
eingesetzt werden sollten, für die dann ein extra Schalt
gerät zur Signalumsetzung vorhanden sein mußte. Bei der
erfindungsgemäßen Anordnung auf dem Zylinderdeckel sind
die Schalter nicht nur völlig wasser- und staubdicht zu
kapseln, sondern auch nach Abnehmen eines Verschluß
deckels ebenso leicht zugänglich. Bei berührungslosen
Schaltern kann in der aufgesetzten Schalteinheit auch
das Schaltgerät, d. h. eine mit Elektronikbauteilen be
stückte Platine zur Signalumsetzung enthalten sein. Die
vom Ventil entfernte Anordnung ist besonders dann wichtig,
wenn die von dem Ventil gesteuerte Leitung Flüssigkeiten
besonders hoher oder tiefer Temperatur führt, weil
dabei die thermischen Einflüsse praktisch nicht zur Aus
wirkung kommen. Auch die Betätigung ist dort besonders
einfach und kann dadurch erfolgen, daß an dem Kolben
ein axial bewegliches, als zentrische Stange
ausgebildetes Schaltelement angeordnet ist, das über
wenigstens ein Schaltstück bei seiner Axialbewegung
Schalter in der Schalteinheit betätigt. Dazu kann das
Schaltelement zwei als ineinandergeschraubte,
koaxiale Schrauben ausgebildete einstellbare Schalt
stücke tragen. Merkmale von bevorzugten Weiterbildungen
der Erfindung gehen außer aus den Unteransprüchen aus
der Beschreibung und Zeichnung hervor.
Ein Ausführungs
beispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine teilgeschnittene Frontansicht eines Ventils
mit Betätigungsvorrichtung,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Betätigungsvorrichtung
und
Fig. 3 einen Schnitt durch das von der Betätigungsvor
richtung angetriebene Ventil nach Fig. 1.
Eine Betätigungsvorrichtung 50 ist an einem Ventil 11 an
gebracht, das in eine Rohrleitung 20 eingesetzt ist. Bei
dem Ventil 11 handelt es sich um ein Drosselklappenven
til mit einem um eine Welle 23 schwenkbaren, als Ventil
klappe ausgebildeten Verschlußstück 25, des zwischen einer in Längsrichtung des
Strömungskanals 21 ausgerichteten Öffnungsstellung und
einer quer dazu liegenden Schließstellung um 90° schwenk
bar ist. In der Schließstellung liegt der Außenumfang
des kreisförmigen Verschlußstücks 24 am Inneren einer Ring
dichtung 18 an, die zwischen zwei quer zum Strömungskanal
geteilten Gehäusehälften 12, 13 des Ventils eingespannt
ist und neben der Abdichtung des Verschlußstücks auch die
Abdichtung der Flanschhälften sowie der Ventilachse be
sorgt. Die beiden Gehäusehälften 12, 13 sind aus Blech ge
prägt und mit einem rohrförmigen Anschlußstutzen 16 über
einen abgesetzten Abschnitt der Rohrleitung 20 geschoben
und mit dieser verschweißt. Die reifenförmig ausgebauchten
Gehäusehälften schaffen einen hinterschnittenen Ringraum
zur Aufnahme und Festlegung der Ringdichtung 18 und haben
an ihrem Außenumfang ebenfalls aus dem Blech geprägte
Flanschen 14, in die je ein nach außen gerichteter Wulst 27
eingeprägt ist, der den Flansch 14 versteift und eine
definierte Kontaktlinie für eine Spannklammer 30 mit
einer konischen Innenfläche bildet, die aus zwei Hälften
34, 35 besteht und mittels einer Schraube 37 zusammen
gespannt werden kann. Die Welle 23 wird in halb
kreisförmigen Ausformungen 25 der Gehäusehälften ge
führt, in deren Bereich die Wülste 27 ausgesetzt sind.
Die Spannklammer 30 hat entsprechende Ausformungen 42.
Auf der oberen Spannklammerhälfte 34 ist im Bereich der
Ausformung 42 ein Flansch 43 angeschweißt, auf dem die
Betätigungsvorrichtung 50 mit einem Flansch 51 befestigt
ist. Der Flansch 51 bildet das Ende eines seitlich durch
brochenen Stutzens 52 eines unteren Zylinderdeckels 53,
an den sich ein rohrförmiger Pneumatikzylinder 54 an
schließt. Er wird oben von einem oberen oder abtriebs
fernen, abnehmbaren Zylinderdeckel 55 abgeschlossen.
In dem Pneumatikzylinder 54 ist ein aus Kunststoff
spritzguß bestehender Kolben 56 angeordnet, der sich mit
seinem äußeren Mantel an der Zylinderinnenwand führt und
durch eine nahe seinem oberen, d. h. in Fig. 2 abtriebs
fernen Ende angeordnete Dichtung 57 dagegen abgedichtet
ist. Unterhalb der Dichtung 57 sind zwei einandergegen
überliegend angeordnete Kurvenführungen 58 vorgesehen,
die in Form von schrägen Nuten in den äußeren Kolbenmantel
eingearbeitet sind und in die Mitnehmer-Rollen 59 eingrei
fen, die um Achsen 60 drehbar sind, die in der Zylinder
wand 54 befestigt sind. Die Kurvenführungen sind in nicht
näher dargestellter Weise so ausgebildet, daß sie im
unteren und mittleren Bereich des Kolbens relativ flach
ansteigen, während sie im oberen Kolbenbereich steiler
ausgebildet sind.
Der äußere Kolbenmantel wird durch eine von oben her
tief eingeschnittene Ringnut 61 von einem zentralen
Kolbenteil 62 getrennt, das eine nach unten offene lang
gestreckte Ausnehmung 63 mit Vierkantquerschnitt hat.
In den die Ausnehmung 63 nach oben verschließenden Ab
schnitt des zentralen Kolbenteils ist ein Schaltelement
64 in Form einer zentralen, in Achsrichtung des Pneu
matikzylinders verlaufenden Stange eingeschraubt, die
axial beweglich durch den oberen Zylinderdeckel 55 hin
durchragt und an seiner Außenseite mit zwei Schalt
stücken 65, 66 versehen ist, von denen eines in das
Schaltelement 64 eingeschraubt ist, während das andere
in ein Innengewinde des anderen Schaltstücks einge
schraubt ist. Die Schraubenköpfe der Schaltstücke sind
abgeschrägt und wirken mit Schaltarmen 67 von mechanischen
Schaltern 68 zusammen, die an einer von auf den oberen Zylin
derdeckel 55 aufgesetzten Schalteinheiten 69 vorgesehen
sind, die von einem Deckel 70 dicht abgeschlossen ist.
In der Vierkant-Ausnehmung 63 ist ein ebenfalls vierkanti
ger Abschnitt 71 einer Abtriebswelle 72 axial beweglich,
jedoch in Drehrichtung mit dem Kolben gekuppelt geführt.
Die Abtriebswelle ist drehbar in einer Bohrung 73 eines
Einstellgliedes 74 gelagert, das als eine hohle, in den
abtriebsseitigen Zylinderdeckel 53 eingeschraubte
Buchse ausgebildet ist. Das Einstellglied ragt in den
Stutzenbereich 52 hinein und führt die Abtriebswelle 72
durch Anlage eines Bundes 75 an der oberen Fläche des
Einstellgliedes und über einen Sprengring 76 in der
unteren Fläche. Der Bund 75 der Abtriebswelle 72 bildet
gleichzeitig einen Anschlag für den Kolben 56, der durch
Drehen des Einstellgliedes 74 in seiner in Fig. 2 darge
stellten unteren Endlage bzw. Ruhestellung einjustiert
werden kann.
Da das Einstellglied 74 an die den Kolben 56 betätigende
Druckkammer 77 des Pneumatikzylinders anschließt, sind
innen und außen Dichtungen vorgesehen. Die Abtriebswelle
72 weist an ihrem unteren Ende einen Innenvierkant auf,
der mit einem entsprechenden Vierkant an der Welle
23 zusammenwirkt.
Der Kolben 56 wird in die dargestellte untere Ruhestellung,
die der Schließstellung der Ventilklappe 24 entspricht,
durch eine Feder 78 gedrückt, die eine erhebliche Vor
spannung hat, so daß sie auch in der dargestellten Ruhe
stellung eine erhebliche, abwärts gerichtete Druckkraft
auf den Kolben 56 ausübt, die nicht wesentlich kleiner ist,
als die Kraft bei einer oberen Kolbenstellung. Die Feder
reicht in die tiefe Ringnut 61 herein, nutzt so nahezu
die gesamte Kolbenhöhe. Sie ist am Boden der Nut über
ein Rollen- oder Nadeldrucklager 79 abgestützt. Ihr oberes
Ende stützt sich an einer Schulter 80 eines Federträgers 81
ab, der die Gestalt einer abgesetzten Hülse hat, die mit
ihrem unteren Teil über das zentrale Kolbenteil 62 und
damit in die Nut hineingreift und mit inneren Vorsprüngen
82 hinter eine gegenüber dem zentralen Kolbenteil 62 etwas
vorspringende Sicherungsplatte 83 greift. Der Federträger 81
ist zur Übertragung der Federkraft auf den oberen Zylinder
deckel 55 an diesem abgestützt. Er ist so angeordnet, daß
er sich beim Abnehmen des Zylinderdeckels nur um einige
Millimeter (Abstand zwischen Vorsprüngen 82 und Sicherungs
platte 83) nach oben bewegen kann, obwohl auch dann noch
eine erhebliche Vorspannung der Feder 78 vorliegt. Der
Federträger bildet also zusammen mit dem Kolben und der
Feder eine zusammenhängende Montageeinheit, die gemeinsam
in dem Pneumatikzylinder eingeführt und aus diesem entnom
men werden kann, ohne die Vorspannung der Feder zu beein
trächtigen.
Die Wirkungsweise der Betätigungsvorrichtung ist wie
folgt:
Die dargestellte Stellung ist die Schließstellung des
Ventils. Zum Öffnen des Ventils wird über eine an die
Druckkammer 77 angeschlossene Pneumatikleitung 84 Druck
auf die untere Fläche des Kolbens gegeben, der dadurch auf
wärts bewegt wird. Dabei rollen die Mitnehmer 59 in den
Kurvenführungen 58 ab und drehen entsprechend der Nei
gung der Kurvenführungen gegenüber dem Kolbenmantel den
Kolben. Diese Drehkraft wird über die längsverschiebliche
Vierkantkupplung 63, 71 auf die Antriebswelle 72 über
tragen, die in dem Einstellglied 74 axial unbeweglich,
aber drehbar gelagert ist und die Ventilwelle 23 dreht.
Die Aufwärtsbewegung des Kolbens erfolgt entgegen der
Kraft der Feder 78, die sich wegen des Drucklagers 79
nicht mit dem Kolben mitdreht. Bei der Aufwärtsbewegung
wurde ein Schalter 67 von einem entsprechenden Schalt
stück freigegeben und ein anderer betätigt, so daß eine
Signalgabe bzw. Rückmeldung der verlassenen bzw. erreich
ten Ventilstellung erfolgte. Die nicht dargestellte obere
Stellung des Kolbens ist meist die Öffnungsstellung des Ventils,
die um 90° gegenüber der Schließstellung versetzt ist.
Beim Ablassen des Luftdruckes aus der Druckkammer 77 wird
der Kolben 56 durch die Kraft der vorgespannten, kräftigen
Feder 78 abwärts bewegt, so daß er sich aufgrund der
Kurvenführungen und Mitnehmerrollen 58, 59 wieder in Rich
tung auf die Schließstellung zurückdreht. Etwa 15° vor
Erreichen der Schließstellung, was etwa der in Fig. 3
durch die strichpunktierte Linie 85 angedeuteten Stellung
entspricht, an der der Außenumfang des Verschlußstücks 24
in den Bereich der Dichtung 18 kommt, geht der bis dahin
relativ flach ansteigende Teil der Kurvenführung 58 in den
steileren Teil über. Während in dem flacheren Teil die
Kolbendrehung im Vergleich zum Axialweg relativ groß war,
ist im steileren Teil die relative Drehung je Einheit
der Axialverschiebung geringer, so daß das zur Verfügung
stehende Drehmoment größer ist, um das Verschlußstück in ihre
in Fig. 3 senkrecht erscheinende Schließstellung zu drehen
und die von der Dichtung auf das Verschlußstück ausgeübten
Kräfte zu überwinden.
Die im Bereich der Schließstellung aufgewendete Kraft ist
auch deswegen relativ groß, weil durch die hohe Vorspannung
der Feder 78 auch in der unteren Kolbenstellung noch eine
sehr hohe Axialkraft auf den Kolben ausgeübt wird, die die
Schließkraft mitbestimmt.
Die Ausführung, bei der die Ruhestellung des Kolbens die
Schließstellung ist, ist die am häufigsten gebrauchte. Bei
einer bei Pneumatik-Ausfall selbstöffnenden Ausführung er
geben sich kaum Schwierigkeiten. Nötigenfalls könnte die
Steigung der Kurven entsprechend geändert werden. Durch ent
sprechende Änderungen könnte die Vorrichtung auch an andere
Ventilbauarten angepaßt werden.