DE3706121A1 - Stellantrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Stellantrieb der im Ober­ begriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Insbesondere betrifft die Erfindung einen Stellantrieb mit bidirektionalen nutzbarem Arbeitshub. Diese Bidirektionali­ tät kann dabei sowohl durch eine Beaufschlagung des Arbeits­ hubelementes mit Überdruck zu beiden Seiten des Arbeits­ kolbens als auch durch einseitige Beaufschlagung mit Über­ druck und alternativ Unterdruck als auch durch einseitige Beaufschlagung des Arbeitskolbens mit Überdruck oder Un­ terdruck und Rückstellen des Arbeitskolbens durch eine Rückholfeder realisiert werden.

Stellantriebe der hier in Rede stehenden Art, die mit einem Arbeitshubelement ausgestattet sind, insbesondere einem verschiebbaren Kolben oder einer Rollmembran, werden verbreitet in der Automobiltechnik eingesetzt, da dort der zum Betrieb solcher Systeme erforderliche Unterdruck oder Überdruck problemlos und ausreichend verfügbar ist.

Gebräuchlicher Stand der Technik ist, bei Stellantrieben dieser Art das Arbeitshubelement mit einer Kolbenstange zu koppeln, die aus dem Antriebsgehäuse heraus geführt ist.

Ungünstig ist bei einem Stellantrieb dieser Art, daß die vom Arbeitshubelement abgegebene Stellarbeit lediglich als Translation der Kolbenstange verfügbar ist. Wird am Stell­ organ eine Schwenkbewegung benötigt, so muß zwischen dem Stellorgan und der Kolbenstange ein Hebelgetriebe einge­ fügt werden. Durch Ausbilden einer Zahnstange auf der Kolbenstange, auf der ein Ritzel läuft, kann die Trans­ lation in eine Rotation umgesetzt werden.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Stellantrieb der eingangs be­ schriebenen Art mit einem Arbeitshubelement zu schaffen, bei dem für Stellorgane, die als Stellvorgang ein Verdrehen einer Achse erfordern, die aufwendigen und vor allem Bau­ raum erfordernden Zwischengetriebe entfallen können.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht der Stellantrieb gemäß der Erfindung vor, an einem Stellantrieb der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale vorzusehen.

Der Stellantrieb der Erfindung ist also wesentlich dadurch gekennzeichnet, daß das Hubelement, ein in einem Zylinder verschiebbarer Kolben oder eine Arbeitsmembran, insbeson­ dere eine Rollmembran, zentral einen Kupplungsstutzen trägt, der starr mit dem Hubelement verbunden ist und ein Ge­ winde trägt, das sowohl als Innengewinde als auch als Außengewinde ausgebildet sein kann, das mit einem komplementären Gewinde in Eingriff steht, das entweder am Fuß einer axial nicht verschiebbaren in einem Teil der Gehäusewand, insbesondere im Verschlußdeckel axial fixiert drehbar gelagerten Stellstange oder aber an einem zum Gehäuse ortsfesten Stutzen ausgebildet ist. In dem Fall, in dem das Gewinde, vorzugsweise ein Trapezgewinde mit einer Steigung im Bereich von 10 bis 30°, am Fuß der axial fixiert drehbar in der Gehäusewand gelagerten Stell­ stange ausgebildet ist, ist der Kupplungsstutzen des Hubelementes über ein ortsfest verankertes Nut-Feder oder eine drehfeste Zapfenführung oder Kulisse gegen eine Verdrehung gesichert. Bei einem Hub des Arbeitshubelementes wird dadurch der Kolben ohne axiale translatorische Ver­ schiebung in eine Rotation versetzt und zwar je nachdem, in welche Richtung der Hub erfolgt, in eine der beiden Drehrichtungen.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung wird eine interessante Variante dadurch erhalten, daß das Gewinde an einem orts­ festen Gehäusestutzen, vorzugsweise als Außengewinde ausge­ bildet ist, der in eine komplementäre Hülsenbohrung des Kupplungsstutzens mit Innengewinde eingreift. Bei Beauf­ schlagung des Arbeitshubelementes und axialer Verschiebung unter Fluiddruck wird der Arbeitskolben selbst dadurch in eine Rotation versetzt. Die in üblicher Weise an einen solchen Arbeitskolben angesetzte und durch das Gehäuse nach außen durchgeführte Stellstange weist am Kopf einen nicht rotationssymmetrischen Querschnitt, vorzugsweise Dreikant oder Vierkant, auf, der unmittelbar in die Ein­ gangswelle eines Stellorgans eingreifen kann, die eine komplementäre Hülsenbuchse aufweist, deren lichte Innen­ abmessung geringfügig größer als die Außenabmessungen des nicht rotationssymmetrischen Kopfes der Stellstange sind, so daß dieser Kopf mit minimaler Reibung in der Hülse der Eingangswelle des Stellorgans axial verschiebbar ist. Diese Ausgestaltung des Stellantriebs zeichnet sich insbesondere durch eine nur sehr geringe Anzahl von Kon­ struktionselementen aus, die benötigt werden, um den Stell­ antrieb funktionstüchtig zusammenzusetzen.

Weitere Ausgestaltungen des Stellantriebs sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungsbei­ spielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 im Axialschnitt ein erstes Ausführungsbeispiel des Stell­ antriebs;

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel; und

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel des Stellantriebs.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel des Stellantriebs gemäß der Erfindung ist ein Arbeitshub­ element 1, hier ein zylindrischer Arbeitskolben, axial verschiebbar in einem zylindrischen Gehäuse 2 gelagert. Der Arbeitskolben 1 ist mit einem Lippendichtring 3 gegen die zylindrische Innenwand des Gehäuses 2 abgedichtet. Das zylindrische Bechergehäuse 2 ist durch einen Deckel 4 hermetisch fluiddicht verschlossen.

In das Gehäuse 2 münden zwei Druckluftstutzen 5, 6 zu beiden Seiten des Arbeitskolbens 1 ein, die abwechselnd beaufschlagbar sind. Starr mit dem Arbeitskolben 1 ist ein Kupplungsstutzen 7 verbunden, der als Hülse ausge­ bildet ist und ein Trapezinnengewinde 8 trägt. Diesem Hülsenabschnitt axial gegenüberliegend ist im Kupplungs­ stutzen 7 ein zweiter Hülsenabschnitt 9 ausgebildet, der nach radial einwärts vorspringende Stege oder Federn 10 angeformt trägt, die in komplementär profilierte Axial­ nuten 11 eingreifen, die auf der zylindrischen Außen­ mantelfläche eines Stutzens 12 ausgebildet sind, der ein­ stückig, d.h. relativ zum Gehäuse 2 ortsfest, ausgebildet ist.

Im Deckel 4 des Gehäuses ist durch einen Außenringflansch 13 eine Stellstange 14 axial fixiert aber frei drehbar gelagert. Die Durchführung der Stellstange 14 durch den Deckel 4 ist durch einen O-Ring 15 fluiddicht ausgeführt.

Im Bereich ihres im Gehäuse 2, 4 liegenden Füßes 16 trägt die Stellstange 14 ein Trapezaußengewinde 17, das mit dem Trapezinnengewinde 8 des Kupplungsstutzens 7 im Wirkein­ griff steht.

Wird jetzt über den Anschlußstutzen 5 in einem ersten Ar­ beitsraum 18 ein Überdruck erzeugt, so wird der Arbeits­ hubkolben 1 in Richtung auf einen zweiten Arbeitsraum 19 zu verschoben, der dem ersten Arbeitsraum 18 bezüglich des Kolbens 1 gegenüberliegt. Da der Arbeitskolben 1 bei dieser Hubbewegung gegen eine Verdrehung durch das Nut- Feder-System 10, 11 blockiert ist und die Stellstange 14 zwar drehbar, aber axial fixiert im Deckel 4 gelagert ist, wird die Hubbewegung des Arbeitshubkolbens 1 durch den Eingriff der Trapezgewinde 8, 17 in eine Drehbewegung der Stellstange 14 umgesetzt. Dabei kann die Stellstange 14 entweder unmittelbar der Fußteil der Stellwelle eines Stell­ organs sein oder kann über ein geeignetes Kuppelsystem, beispielsweise ein Universalgelenk oder eine Zapfen-Hülsen- Kupplung mit nicht rotationssymmetrischem Querschnitt an eine solche Eingangswelle eines Stellorgans angekoppelt sein. In jedem Fall steht an der Ausgangswelle oder Stell­ stange 14 des Stellantriebs gemäß der Erfindung eine Dreh­ bewegung zur Verfügung, die durch den Hubtakt des Arbeits­ hubelementes 1 erzeugt wird.

Für eine ggf. gewünschte Rückstellung des Arbeitshubkolbens 1 braucht lediglich die Druckluftzufuhr über den Stutzen 5 unterbrochen zu werden und auf den Stutzen 6 umgestellt zu werden. Durch den dann im zweiten Arbeitsraum 19 auf­ gebauten Überdruck wird der Arbeitskolben 1 wieder in Rich­ tung auf den ersten Arbeitsraum 18 zu zurückverschoben, wobei der vorstehend beschriebene Arbeitsgang wiederholt, daß nämlich der gegen eine Verdrehung blockierte Arbeits­ kolben 1 durch reine lineare Verschiebung rückgestellt wird, während die axial fixierte Stellstange 14 durch den Trapezgewindeeingriff mit dem Kupplungsstutzen des Arbeits­ kolbens 1 den einwirkenden Kräften nur durch eine Drehbe­ wegung folgen kann. Diese Drehbewegung weist nun jedoch einen Drehsinn auf, der dem bei einer Hubbewegung des Arbeitshubkolbens 1 in entgegengesetzter Richtung eben­ falls entgegengesetzt ist.

Der in Fig. 1 gezeigte Stellantrieb besteht ebenso wie die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele des Stell­ antriebs aus Kunststoff.

Bei dem in Fig. 2 ebenfalls im Längsschnitt dargestellten Ausführungsbeispiel wird der gleiche Funktionsablauf wie vorstehend im Zusammenhang mit dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel erläutert, erzielt, jedoch mit etwas abgewandelten Mitteln. Der mit dem Arbeitshubkolben 1 ver­ bundene Kupplungsstutzen weist eine Hülse mit im Querschnitt quadratischem Innenprofil auf, in die ein am Fuß 16 der Stellstange 14 ausgebildeter Vierkantzapfen axial gleitfähig eingreift.

Der Kupplungsstutzen 7 trägt auf seinem Außenmantel ein Trapezaußengewinde 20, das mit einem Trapezinnengewinde 21 im Wirkeingriff steht, das in einer Hülse 21 ausgebildet ist, die relativ zum Gehäuse 2 ortsfest und unbeweglich starr als Beilagteil zum Deckel 4 im Gehäuse 2 vorgesehen ist, und den starr mit dem Arbeitshubkolben 1 verbundenen Kupplungs­ stutzen 7 außen teleskopartig übergreift.

Der zylindrische Zapfen 12, der einstückig mit dem Gehäuse 2 ausgebildet ist und in eine entsprechende zylindrische Boh­ rung 22 im Kolben 1 eingreift, dient der koaxialen Führung des Arbeitshubkolbens 1, ohne deren freie Drehbarkeit oder axiale Verschiebbarkeit zu beeinträchtigen.

Wird die in Fig. 2 gezeigte erste Arbeitskammer 18 über den Stutzen 5 mit Überdruck beaufschlagt, so wird der Arbeitshubkolben 1 in Richtung auf den zweiten Arbeits­ raum 18 hin verschoben. Durch die Verschiebung des Kupplungs­ stutzens 7 in die Hülse 22 hinein wird dem Arbeitshubkolben 1 durch den Wirkeingriff der Trapezgewinde 20, 21 eine Drehung aufgezwungen, die dieser über die Vierkantkupplung 7, 16 auf die drehbare, aber axial nicht verschiebbare Kolben­ stange 14 überträgt.

Wie bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist also aus der Hubbewegung eine Rotation der Stellstange 14 ab­ geleitet, die in der vorstehend erläuterten Weise genutzt werden kann.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel des Stellantriebs gemäß der Erfindung, das besonders ein­ fach und robust aufgebaut ist, ist schließlich auf der äußeren zylindrischen Oberfläche des am Gehäuse 2 innen ausgebildeten Stutzens 12 ein Trapezaußengewinde 23 vor­ gesehen, das mit einem komplementären Trapezinnengewinde 24 zusammenwirkt, das in der Innenbohrung des Kupplungsstutzens 7 ausgebildet ist. Die einstückig mit dem Arbeitshubkolben 1 ausgebildete Stellstange 14 ist durch eine Buchse 25 mittels O-Ring-Dichtung 15 aus dem Gehäuse fluiddicht herausgeführt.

Bei Druckbeaufschlagung des ersten Arbeitsraums 18 über den Druckluftstutzen 5 werden der Arbeitskolben 1 und die an die­ sen angeformte Stellstange 14 gemeinsam in Richtung der zweiten Arbeitskammer 19 bzw. aus dem Gehäuse heraus ver­ schoben. Das Rückstellen kann durch Druckbeaufschlagung der Arbeitskammer 19 über den Druckstutzen 6 erfolgen. Dabei wird auch die Kolbenstange 14 unter Drehung im ent­ gegengesetzten Drehsinn wieder in das Gehäuse zurückgeführt.

Der Kopf 26 der Stellstange 14 ist als Vierkantzapfen aus­ gebildet, der in eine komplementärprofilierte Hülse 27 axial leicht verschiebbar mit geringem Spiel eingreift. Die Hülse 27 kann beispielsweise am Eingang einer Stellwelle 28 ausgebildet sein, mit der beispielsweise die Klappe eines Heizungs- und Lüftungssystems in einem Kraftfahrzeug direkt und unmittelbar stellbar ist.

Aus der beschriebenen Konstruktion ist offensichtlich, daß es sich bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel um ein besonders robustes, unanfälliges und langlebiges Ausführungsbeispiel des Stellantriebs handelt.

Die dieser Beschreibung beigefügte Zusammenfassung ist Bestandteil der vorliegenden Offenbarung.

Claims (8)

1. Stellantrieb mit einem in einem zumindest einseitig fluiddicht verschlossenem Gehäuse (2) mit einem Arbeitsfluid beaufschlagbaren bidirektionalen Ar­ beitshubelement (1), an das eine durch die Gehäuse­ wand (4) durchgeführte Stellstange (14) gekoppelt ist, die ein Stellorgan entweder direkt oder über ein zwischengeschaltetes Übertragungsglied stellt, gekennzeichnet durch einen Kupplungsstutzen (7), der starr mit dem Hub­ element (1) verbunden ist und ein Gewinde (8; 20; 24) trägt, das mit einem komplementären Gewinde (17; 21; 23) im Eingriff steht, das entweder am Fuß (16) der axial nicht verschiebbaren, in einem Teil der Gehäusewand oder eines Deckels (4) drehbar gelagerten Stellstange (14) oder an einem ortsfesten Gehäusestutzen (12; 25) ausge­ bildet ist.

2. Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hubelement (1) ein Arbeitskolben ist, der in einem im Gehäuse (2) ausgebildeten Arbeitszylinder verschiebbar ist.

3. Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hubelement eine Arbeitsmembran ist.

4. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellstange (14) im Gehäuse (2, 4) drehbar gelagert ist.

5. Stellantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellstange (14) zusätzlich gegen eine axiale Verschiebung relativ zum Gehäuse gesichert ist (13).

6. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kupplungsstutzen (7) ein Hülsenelement mit Innengewinde (24) ist, das einen komplementären orts­ festen Gehäusestutzen (12) übergreift oder in diesen eingreift und einstückig mit der Stellstange (14) ausgebildet ist.

7. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewinde (8; 20; 24) der Kupplung ein Trapezgewinde mit einer Steigung von 10° phi 30° ist.

8. Verwendung des Stellantriebs nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Stellen von Klappen, insbesondere des Heizungs­ und Lüftungssystems von Kraftfahrzeugen.