DE60013206T2

DE60013206T2 - Stellantrieb mit mehrgängiger Spindel

Info

Publication number: DE60013206T2
Application number: DE60013206T
Authority: DE
Inventors: Bernard Northbrook Harris; Dennis E. Downers Grove Bozych; Dawne A. Willowbrook Garrett
Original assignee: Rexnord LLC
Current assignee: Zurn LLC
Priority date: 1999-06-02
Filing date: 2000-06-02
Publication date: 2005-08-11
Anticipated expiration: 2020-06-03
Also published as: US6170346B1; EP1058031A3; EP1058031B1; ATE274661T1; DE60013206D1; EP1058031A2

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft Dreh-Linear-Wandler-Betätiger von dem generellen Typ, der in der US-A-3,713,932 und der US-A-4,282,764 offenbart ist.
Die US-A-4,282,764 offenbart einen Betätiger gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, der ein längliches Innenbauteil oder eine Schraube mit einer spiralförmigen Rille von gleichförmigem Querschnitt und gleichförmiger Steigung aufweist, sowie ein komplementäres Außenbauteil. Das Innenbauteil ist aus Metall und zerspanend bearbeitet, das Außenbauteil ist aus einer Konstruktion aus verstärktem, gewickeltem, wärmegehärtetem Glasfaser-Harz mit einer Auskleidung mit geringer Reibung. Das Außenbauteil umfasst einen Abschnitt einer Röhre, die auf einem Dorn ausgebildet wird, der die Außenmessungen des Betätigers hat. Die Steigung, der Gewindewinkel und das Rillenprofil sind so, dass alle Faserelemente, wie sie in jeder Richtung gewickelt werden, das heißt in beiden Richtungen, sich an den Dorn anformen, und so, dass keine Abschnitte vorhanden sind, welche durch die Fasern überspannt werden und welche später nur aus Harz ohne Verstärkung bestehen werden. Während die Wicklung fortschreitet, wird die äußere Form des Verbunds weiter gerundet, und der Wiedereintrittswinkel steigt, um den Wicklungswinkel zu vergrößern. Im Allgemeinen hat der besagte Winkel praktische Grenzen in der Größenordnung von 30 bis 45°.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung stellt einen Dreh-Linear-Wandler-Betätiger zur Verfügung, welcher eine starre Welle mit einem Durchmesser und einer Vielzahl paralleler schraubenförmiger Rillen und einen Harzkragen umfasst, der aus einem Material hergestellt ist, das eine niedrige Reibung aufweist, und der eine gleiche Vielzahl entsprechender spiralförmiger Stege aufweist, die in den Rillen aufgenommen werden, wodurch eine Drehung der Welle den Kragen um einen Abstand versetzt, der einer Steigung entspricht.
Die Erfindung stellt ebenfalls einen Dreh-Linear-Wandler-Betätiger zur Verfügung, welcher eine starre Welle umfasst und eine Vielzahl gerollter bzw. gewalzter paralleler, schraubenförmiger Rillen, welche acht oder mehr an der Zahl sind, welche eine vorstehende Fläche aufweisen, welche durch eine gerade Linie erzeugt werden, die sich in einem festen Winkel bezüglich einer Ebene normal zur Schraubachse erstreckt und welche eine Steigung bereitstellen, sowie einen Harzkragen, der aus einem Material mit geringer Reibung hergestellt ist und eine gleiche Vielzahl entsprechender spiralförmiger Stege umfasst, die in den Rillen aufgenommen werden, und verstärkt durch abfolgende Schichten aus parallelen Fasern, die schraubenförmig über und um das Material mit geringer Reibung herumgewickelt sind, und mit ersten inneren Schichten, die in einem Winkel gewickelt sind, der nicht größer ist als der feste Winkel, so dass die Fasern über den hervorstehenden Flächen der spiralförmigen Stege liegen, wodurch eine Drehung der Welle den Kragen um einen Abstand versetzt, der ein Mehrfaches des Durchmessers der Welle sein kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Dreh-Linear-Wandler-Betätigungselement bzw. -stellglied bereit gestellt mit:
Einer starren Welle mit einem Durchmesser und einer Vielzahl paralleler schraubenförmiger Rillen, die eine Schraubenachse definieren, wobei die Rillen in einem festgelegtem Winkel relativ zu einer Ebene normal zu der Schraubenachse ausgebildet sind und eine Steigung definieren, wobei jede der Rillen eine nach außen vorstehende konvexe Fläche hat; und
einem Harzkragen, der aus einem Material hergestellt ist, das eine niedrige Reibung aufweist und durch erste und abfolgende Schichten paralleler Fasern verstärkt ist, die schraubenförmig um das Material mit geringer Reibung gewickelt sind, wobei die erste Schicht der parallelen Fasern in einem solchen Winkel gewickelt ist, dass die Fasern über den nach außen vorstehenden konvexen Flächen der Rillen liegen und eine Vielzahl entsprechender spiralförmiger Stege ausbilden, die in den Rillen aufgenommen werden, wodurch eine Drehung der Welle den Kragen um den axialen Abstand versetzt, der einer Steigung entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern die Rillen nicht vollständig füllen.
Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Dreh-Linear-Wandler-Betätigers der verschiedene der Merkmale der Erfindung umfasst.
2 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 2-2 der 1.
Bevor eine Ausführungsform der Erfindung im Detail erläutert wird, sollte es wohlverstanden sein, dass die Erfindung in ihrer Anwendung nicht auf die Details der Konstruktion und der Anordnungen der Bauteile beschränkt ist, die in der folgenden Beschreibung wiedergegeben werden oder in den Zeichnungen dargestellt sind. Die Erfindung kann andere Ausführungsformen umfassen und sie kann auf verschiedene Arten praktiziert oder durchgeführt werden. Es versteht sich ebenfalls, dass die Wortwahl und Terminologie, wie sie hierin verwendet wird, nur dem Zweck der Beschreibung dient und nicht als einschränkend zu betrachten ist.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
In 1 der Zeichnungen ist ein Dreh-Linear-Wandler-Betätiger 11 gezeigt, welcher eine Schraube oder Welle 15 und eine Mutter oder einen Kragen 17 umfasst, der an der Welle 15 aufgenommen wird und der axial an der Welle 15 als Reaktion auf eine Drehung der Welle 15 versetzbar ist. Alternativ kann, wenn gewünscht, die Mutter oder der Kragen 17 axial bezüglich der Schraube oder der Welle 15 versetzt werden, um zu bewirken, dass die Schraube oder Welle 15 sich dreht.
Die Welle 15 kann aus jedem geeigneten, starren Material hergestellt werden, wie z.B. aus Stahl.
Die Welle 15 umfasst eine Vielzahl paralleler schraubenförmiger Gewindegänge 25, die in jedweder Anzahl größer als 8 vorhanden sein können, und welche bei der dargestellten Ausführungsform in einer Anzahl von 24 vorhanden sind. Die schraubenförmigen Gewindegänge 25 sind vorzugsweise gewalzt bzw. gerollt und haben jeweils eine nach außen konvexe, hervorstehende Fläche 27, getrennt durch ein nach außen konkaves Teil 29 zwischen den nach außen konvexen Flächen 27.
Bei der dargestellten Ausführungsform werden die schraubenförmigen Gewindegänge 25 durch eine gerade Linie erzeugt, die sich in einem festen Winkel von 10° bezüglich einer Ebene normal zur Schraubenachse erstreckt. Andere feste Winkel können ebenfalls verwendet werden. Bei der dargestellten Konstruktion stellen die Gewindegänge einen axialen Fortschritt oder eine Führung oder eine Steigung bereit, welcher ein Vielfaches des Wellendurchmessers beträgt, wobei das Vielfache bei der Ausführungsform der Erfindung, die in den Zeichnungen gezeigt ist 4 beträgt, mit dem Resultat, dass der axiale Fortschritt oder die Steigung oder die Führung 2 Inch beträgt, wenn der Wellendurchmesser ½ Inch beträgt.
Während andere Verfahren verwendet werden können, sind bei der offenbarten Konstruktion und wie bereits angedeutet die Gewindegänge bzw. Rillen 25 vorzugsweise gerollt bzw. gewalzt. Ein solches Rollen bzw. Walzen ist wirtschaftlicher in der Herstellung im Vergleich zu beispielsweise einer spanabhebenden Bearbeitung. Speziell wenn die Anzahl der Gewindegänge 25 größer ist als 8, ist Rollen bzw. Walzen klar das effektivste und wirtschaftlichste Verfahren zur Herstellung der Gewindegänge 25 auf der Welle 15.
Der Kragen 17 kann aus jedwedem geeigneten Material mit geringer Reibung hergestellt sein, und bei der offenbarten Konstruktion ist er aus einem Harzmaterial in der generellen Art und Weise hergestellt, die in US-Patent 4,282,764 offenbart ist, und er umfasst eine gleiche Vielzahl korrespondierender spiralförmiger Rillen oder Stege 45, welche in den Rillen 25 aufgenommen werden, und er ist verstärkt durch abfolgende Schichten aus parallelen Fasern, die schraubenförmig über und um das Material mit geringer Reibung herumgewickelt sind. Die spiralförmigen Rillen oder Stege 45 umfassen erste innere Schichten (nicht gezeigt), die in einem Winkel gewickelt sind, der nicht größer ist als der oben genannte feste Winkel, so dass die Fasern über den nach außen konvexen hervorstehenden Flächen der Spiralrillen oder -stege 45 liegen und die Rillen überspannen.
Somit versetzt bei der speziell offenbarten Konstruktion eine Drehung der Welle 15 den Kragen 17 um einen axialen Abstand von ungefähr dem Vierfachen des Durchmessers der Welle.
Wie vollständiger im US-Patent 4,282,764 erläutert, wird bei der Herstellung des Kragens ein geeignetes röhrenförmiges Gewebe (nicht gezeigt), gewebt aus einem Harzmaterial wie Polytetrafluor-Ethylen (PTFE) über einen Dorn (nicht gezeigt) platziert, der die gewünschte Konfiguration entsprechend der Gewindeform der Welle 15 hat. Das Gewebe wird dann geschrumpft, bis das Gewebe die Gewindegänge dadurch überbrückt, dass es den kürzesten Abstand zwischen den Rillen oder Stegen 45 einnimmt, sehr ähnlich wie ein Kreisstreifen und nicht in Bogenform, Dann wird eine gewickelte Filament-Faserglas-Verstärkung in einem steilen Winkel über das gebogene Gewebe appliziert. Eine solche Verstärkung stellt eine strukturelle Streifigkeit zur Verfügung und formt das gewobene Gewebe an den Dorn mit der äußeren Gewindeform, und nach dem Aushärten stellt es eine Strukturfestigkeit für den Kragen 17 zur Verfügung.
Die Erfindung umfasst die Verwendung mehrerer Starts bzw. Gänge mit einer geeignet gerollten bzw. gewalzten Gewindeform, wie beispielsweise einer "Stub-ACME-Gewindeform". Je Mehr Starts bzw. Gänge, umso besser für die gewebten (PTFE) Fasern, welche die Last über eine größere Fläche verteilen. In der Vergangenheit mussten die Fasern, welche das gewobene Gewebe trugen, in die Gewindeform gesetzt werden, und dann wurde das gewobene Gewebe geschrumpft. Durch die Verwendung von ACME-Gewinden mit mehreren Starts bzw. Gängen, können viele Starts bzw. Gänge verwendet werden. Somit verwendet die Erfindung eine metallische Passoberfläche, die wenig kostet, mit Mehrfach-Starts bzw. – Gängen zur besseren Lagerung des Abnutzungselements (Kragen 17). Die Welle 15 kann in langen Längen gewindegerollt werden.
Wegen der Verwendung mehrfacher Rillen 25 und einer gleichen Vielzahl an Rillen oder Stegen 25, die in den Rillen 25 aufgenommen werden, wird somit die Lastaufnahmekapazität des Betätigers stark erhöht, während gleichzeitig die Abnutzung verringert wird. Spezieller reduzieren die mehrfachen, gerollten Gewindegänge oder Rillen 25 stark die Herstellungszeit, und sie verbessern die Abnutzungs-Lebensdauer der Mutter oder des Kragens 17, indem sie die Anzahl der Gewindeeingriffe erhöhen.
Verschiedene der Merkmale sind in den folgenden Ansprüchen aufgeführt.

Claims

Dreh-Linear-Wandler-Betätigungselement bzw. -Stellglied mit: einer starren Welle (15) mit einem Durchmesser und einer Vielzahl paralleler schraubenförmiger Rillen (25), die eine Schraubenachse definieren, wobei die Rillen in einem festgelegtem Winkel relativ zu einer Ebene normal zu der Schraubenachse ausgebildet sind und eine Steigung definieren, wobei jede der Rillen eine nach außen vorstehende konvexe Fläche (27) hat; und einem Harzkragen (17), der aus einem Material hergestellt ist, das eine niedrige Reibung aufweist und durch erste und abfolgende Schichten paralleler Fasern verstärkt ist, die schraubenförmig um das Material mit geringer Reibung gewickelt sind, wobei die erste Schicht der parallelen Fasern in einem solchen Winkel gewickelt ist, dass die Fasern über den nach außen vorstehenden konvexen Flächen (27) der Rillen (25) liegen und eine Vielzahl entsprechender spiralförmiger Stege (45) ausbilden, die in den Rillen aufgenommen werden, wodurch eine Drehung der Welle (15) den Kragen um den axialen Abstand versetzt, der einer Steigung entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern die Rillen nicht vollständig füllen.
Dreh-Linear-Wandler-Betätigungselement bzw. -Stellglied gemäß Anspruch 1, bei dem der axiale Abstand größer ist als der Durchmesser der Welle.
Dreh-Linear-Wandler-Betätigungselement bzw. -Stellglied nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die Vielzahl der parallelen schraubenförmigen Rillen (25) eine Ganghöhe oder Steigung bereitstellen, die einem Mehrfachen des Durchmessers der Welle (15) entspricht.
Dreh-Linear-Wandler-Betätigungselement bzw. -Stellglied gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die parallelen schraubenförmigen Rillen (25) in einer Anzahl von 8 oder mehr vorgesehen sind.
Dreh-Linear-Wandler-Betätigungselement bzw. -Stellglied gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Schicht der parallelen Fasern in einem Winkel gewickelt ist, der nicht größer ist als der festgelegte Winkel.
Dreh-Linear-Wandler-Betätigungselement bzw. -Stellglied nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der axiale Abstand ein Mehrfaches des Durchmessers beträgt.
Dreh-Linear-Wandler-Betätigungselement bzw. -Stellglied gemäß Anspruch 6, bei dem das Mehrfache dem 4-fachen entspricht.