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Hintergrund
der Erfindung
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1. Gebiet
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft fluidbetätigte Vorrichtungen zum Versetzen
eines Elements aus einer Lage in eine andere. Genauer betrifft die Erfindung
Aktoren, die dafür
geeignet sind, eine lineare Eingangsbewegung in eine rotatorische
Ausgangsbewegung zu übertragen,
um die Betätigung von
Ventilen zu steuern, die mit einem Drehelement, z.B. mit Drosselklappenventilen,
Kugelventilen usw., ausgestattet sind.
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Es
sei jedoch klargestellt, dass die Erfindung zur Betätigung anderer
Ventile verwendet werden könnte,
die eine Steuerung ihrer Funktion zum Drehen eines Elements um etwa
90 Grad zwischen einer offenen und einer geschlossenen Position
benötigen.
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2. Beschreibung der verwandten
Technik
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Es
sind verschiedene Drehsteller bzw. -aktoren bekannt, die zur Betätigung von
Drehventilen verwendet werden. In der Regel verwenden die Drehsteller
unter Druck gesetztes Fluid, das in eine erweiterbare Kammer eindringt,
um einen Kolben anzutreiben, der mechanisch mit dem Ventilstamm
verbunden ist und diesen öffnet
und schließt.
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In
der Technik sind auch so genannte Spiral-Drehsteller bekannt, bei
denen nach Anlegen eines hydraulischen oder pneumatischen Drucks
an einer Seite eines Kolbens der lineare Hub der Kolbenstange in
die Drehbewegung eines Antriebselements umgewandelt wird, das mit
einem Ventil verbunden ist. Diese Umwandlung wird aufgrund des Umstands erreicht,
dass das Antriebselement mit Rollen versehen ist, die in spiralförmige Schlitze
eingreifen, die in der Wand des Kolbens ausgebildet sind. Der Kolben ist
mit einem Mittel versehen, das ein Verdrehen verhindert, wenn die
Rollen innerhalb der spiralförmigen Schlitze
gleiten. Dementsprechend kann der Kolben linear reziprozieren, während eine
Drehbewegung auf das Antriebselement übertragen wird. Ein Beispiel
für einen
solchen Spiral-Drehsteller ist in
EP 50466 ,
EP 622574 , in
US 3319925 , in
GB 1193190 usw. beschrieben.
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Das
Problem, mit dem man es bei dieser Art von Drehstellern zu tun hat,
hängt mit
dem Umstand zusammen, dass spezielle Maßnahmen ergriffen werden sollten,
um zuverlässig
ein Verdrehen des Kolbens aufgrund des Drehmoments, das an den Enden
des Gehäuses,
welches das Antriebselement und den Kolben umgibt, konzentriert
ist, zu verhindern.
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Eine
bekannte Lösung
für dieses
Problem findet sich in
US 2998805 ,
in dem zur Verhinderung einer Verdrehung des Kolbens ein Keil an
einer Außenwand
des Kolbens ausgebildet ist, der in einen Schlitz greift, der in
der Innenwand einer umgebenden inneren Kammer des Kolbengehäuses ausgebildet
ist. Eine andere Lösung,
die auf diesem Prinzip beruht, findet sich in
US 3184214 .
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Es
existiert auch eine Lösung
dieses Problems aufgrund von Fixierstangen, die an der Basisplatte
des Aktors an einer Seite davon angebracht sind. Die Stangen verlaufen
in Längsrichtung
innerhalb des Kolbens und bilden einen feststehenden Anschlag, der
verhindert, dass der Kolben sich verdreht, stören dabei aber nicht die axiale
Versetzung des Kolbens während
des Hubs, da der Kolben über
die Stangen gleiten kann.
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Diese
Lösung
ist zum Beispiel in einem in
DE 19756425 offenbarten
Drehaktor umgesetzt. Dieser Aktor erzeugt eine Verdrehkraft, der
von den Fixierstangen entgegengewirkt wird.
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Bekanntlich
wird jedoch bei der Betätigung von
Drosselklappenventilen und Kugelventilen das Maximum des Drehmoments
ganz am Anfang der Öffnungs-
und am Ende der Schließungsbewegung benötigt. Dementsprechend
erreicht die Verdrehkraft, die auf das Drehmoment zurückgeht,
ihr Maximum wenn sie an den am weitesten entfernten Punkt der Stangen
angelegt wird. Mit anderen Worten erreicht das Biege moment, das
auf die Fixierstangen wirkt, sein Maximum, wenn der Aktor seine
Arbeit beginnt. Dementsprechend ist das Biegemoment zur Länge der
Stangen proportional. Dies erfordert die Konstruktion von robusten
und starken Stangen, wodurch der Aktor unnötig sperrig und schwer wird. Deshalb
wird die erzielbare Last, die von solchen Aktoren entwickelt werden
könnte,
nicht vollständig ausgenutzt,
da sie von der Aktorgröße diktiert
wird, die ihrerseits die Festigkeit der Stangen begrenzt. Zum Beispiel
liefert in der Praxis ein Aktor mit einem Kolbendurchmesser von
100 mm ein Moment von höchstens
etwa 50–75
Nm.
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Aufgrund
dieser Beschränkung
wird die Mehrzahl der handelsüblichen
Aktoren zur Betätigung
von Ventilen verwendet, bei denen es nicht notwendig ist, hohe Drehmomente
anzulegen. Dies mag zwar für
solche Zwecke wie die Steuerung von Milch, Wein, Saft, Öl oder anderen
Lebensmittelprodukten zufrieden stellend sein, ist aber nicht ausreichend
für anspruchsvolle
Anwendungen, z.B. petrochemische Anwendungen, in der Ölindustrie,
in Chemieanlagen usw.
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Es
ist noch eine Lösung
bekannt, die dazu dienen soll, die oben genannte Beschränkung zu überwinden.
Diese Lösung
wird zum Beispiel in Spiral-Ventilaktoren verwendet, die von der
Firma SGRM, Frankreich oder der Firma Kiesselman, Deutschland, hergestellt
werden. Entsprechend dieser Lösung
ist der Aktor mit zwei Fixierstangen versehen, die durch den Kolbenkörper hindurch
gehen und sich über
die ganze Länge
der Aktorkammer erstrecken. Die einander entgegengesetzten Enden der
Stangen sind in entsprechende Durchgangsöffnungen geschraubt, die an
entgegengesetzten Seiten der Kammer vorgesehen sind. Da die Stangen durch
den Kolben hindurch gehen, ist ein geeigneter Dichtring zwischen
jeder Stange und dem Kolben vorgesehen, um ein Austreten des unter
Druck stehenden fluiden Mediums zu verhindern und gleichzeitig zu
ermöglichen,
dass der Kolben ohne Verdrehung über
die Stangen gleitet.
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Der
Vorteil dieser Konstruktion geht auf den Umstand zurück, dass
viel höhere
Drehmomente auf sichere Weise vom Aktor entwickelt und an ein Ventil angelegt
werden können.
Andererseits ist das reziprozierende Verschieben des Kolbens mit starker
Abnutzung der Dichtringe verbunden, und daher kann es während der
Betätigung
des Aktors häufig
zu Undichtigkeiten kommen, was die Nutzungsdauer erheblich verkürzt.
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Zusammenfassend
sei herausgestellt, dass zwar zahlreiche Spiralaktoren zur Betätigung von Drehventilen
entwickelt wurden, dass aber ein Bedarf an einem neuen und verbesserten
Aktor besteht, der einfach, kostengünstig, zweckmäßig herzustellen und
zu nutzen ist und der einen effizienten und zuverlässigen Betrieb
gewährleistet.
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Aufgabe der
Erfindung
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines neuen und
verbesserten Spiral-Drehventilaktors, das eine ausreichende Verringerung
oder Überwindung
der oben genannten Nachteile der in der Technik bekannten Lösungen ermöglicht.
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Hauptaufgabe
der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines neuen und
verbesserten Aktors, das die Vorteile der in der Technik bekannten Aktoren
vereinigt, aber frei von deren Nachteilen ist.
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Insbesondere
ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen solches Spiralaktor bereitzustellen,
der in der Lage ist, unabhängig
von der Länge
der Fixierstangen und dem Kolbendurchmesser ein hohes Drehmoment
zu entwickeln.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist der Entwurf eines solchen Spiralaktors,
in dem keine Undichtigkeit zwischen den Fixierstangen und dem Kolben
möglich
ist und der somit eine verlängerte
Nutzungsdauer aufweist.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist der Entwurf eines solchen Spiralaktors,
der sehr einfach aufgebaut ist und der auf kostengünstige und
einfache Weise hergestellt werden kann.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
eines neuen und vielseitigen Spiralaktors, der geeignet ist, die
Betätigung
von Ventilen in einem breiten Spektrum von industriellen Anwendungen
unabhängig
von der Art und der Strömungsrate
der Flüssigkeit,
die durch das Ventil strömt,
zu steuern.
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Die
oben genannten und weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung
können
mit dem Aktor erreicht werden, dessen Hauptausführungsform wie folgt definiert
ist.
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Ein
Aktor zur Betätigung
eines Ventils, das mit einem drehbaren Ventilelement versehen ist,
wobei der Aktor folgendes aufweist:
ein röhrenförmiges Gehäuse mit einer Längsachse, wobei
das Gehäuse
von einer zylindrischen Umfangswand und von zwei einander entgegengesetzten
Stirnwänden
definiert ist, wobei das Gehäuse
mit einer Quelle für
verdichtetes fluides Medium in Kommunikation steht,
einen Kolben,
der so eingebaut ist, dass er sich entlang der Längsachse in Richtung nach vorne
und nach hinten zwischen einer Stirnwand und der gegenüber liegenden
Stirnwand in einer linearen reziprozierend bewegen kann, wobei der
Kolben von einem Umfangskörperabschnitt,
der mit dem Gehäuse konzentrisch
ist, und von einem ersten Ende und einem zweiten Ende definiert
ist, wobei der Kolben von mindestens einem seiner Enden aus betätigt werden kann,
eine
Betätigungsstange,
die wirkmäßig so mit
dem Kolben verbunden ist, dass sie sich bei einer reziprozierenden
Hubbewegung des Kolbens um die Längsachse
drehen kann, wobei die Betätigungsstange
dafür ausgelegt
ist, eine Drehbewegung an das Ventilelement auszugeben,
eine
Nockenfolgeranordnung zur Übertragung
der reziprozierenden Hubbewegung des Kolbens in eine Drehung der
Betätigungsstange,
wobei die Anordnung mindestens einen Nockenfolger aufweist, der der
Betätigungsstange
zugeordnet ist und entlang eines Spiralgangs, der im Kolben bereitgestellt
ist, verschoben werden kann,
mindestens zwei Fixierstangen,
die starr an einer Stirnwand des Zylinders gegenüber dem ersten Ende des Kolbens
befestigt sind, wobei die Fixierstangen parallel zur Längsachse
verlaufen und jeweils in Blindgänge
greifen, die am zweiten Kolbenende vorgesehen sind, um eine lineare
Hubbewegung zu ermöglichen,
wobei
der Aktor mit mindestens zwei zusätzlichen Fixierstangen versehen
ist, die starr an der entgegengesetzten Stirnwand des Zylinders
gegenüber
dem zweiten Kolbenende befestigt sind, wobei die zusätzlichen
Fixierstangen parallel zur Längsachse
verlaufen und jeweils in Blindgänge
eingreifen, die im zweiten Kolbenende vorgesehen sind, um eine lineare Hubbewegung
zu ermöglichen.
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Die
vorliegende Erfindung wurde nur kurz umrissen.
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Für ein besseres
Verständnis
der vorliegenden Erfindung sowie ihrer Vorteile wird nun auf die folgende
Beschreibung ihrer verschiedenen Ausführungsformen mit Bezug auf
die begleitende Zeichnung verwiesen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnung
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1 zeigt
schematisch der Aktor der Erfindung in Verbindung mit einem dadurch
betätigten Drehventil.
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2 ist
eine Querschnittsansicht des Aktors der Erfindung in Richtung A-A.
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3 ist
eine Seitenansicht des Aktors der Erfindung, in der die Richtungen
der Querschnitte A-A und F-F gezeigt sind.
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4, 5 sind
vergrößerte Darstellungen von
Details, die in 2 mit E und G bezeichnet sind.
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6 ist
eine weitere Querschnittsansicht des Aktors der Erfindung in Richtung
F-F.
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7 ist
eine Querschnittsansicht des Aktors der Erfindung in Richtung C-C.
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8, 9 sind
dreidimensionale Darstellungen des Aktors, dessen Kolben linear
von einer Position zur entgegengesetzten Position versetzt ist, was
eine Drehung der Betätigungsstange
um 90 Grad bewirkt.
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Ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Die
vorliegende Erfindung ist hauptsächlich auf
die Betätigung
von Ventilen gerichtet, die mit einem drehbaren Ventilelement, wie
einem Drosselklappen-Ventilschieber 9, einem Kugelhahn
eines Kugelventils, der Drossel eines Drosselventils usw. versehen
sind. Es sei jedoch klargestellt, dass die Erfindung zur Betätigung anderer
Ventile oder zur Betätigung
anderer Mechanismen umgesetzt werden könnte, bei denen es notwendig
ist, eine lineare Eingangsbewegung in eine Ausgangsdrehbewegung umzuwandeln.
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In 1,
wo lediglich ein Beispiel für
die Anwendung der vorliegenden Erfindung gezeigt ist, ist ein Aktor 10 dargestellt,
dessen Ausgangselement 12 wirkmäßig mit einer Welle 14 eines
Drehschiebers 16 eines Drosselklappenventils 18 verbunden
ist. Der Schieber kann vom Aktor zwischen einer vollständig geöffneten
Stellung, die in 1 dargestellt ist, und einer
vollständig
geschlossenen Stellung, in der der Schieber um 90 Grad gedreht ist,
um das Ventil abzudichten und um den Durchgang von Flüssigkeit
zu verhindern, gedreht werden.
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Obwohl
in der Zeichnung nicht eigens dargestellt, sei klargestellt, dass
der Aktor von einem unter Druck stehenden Medium, das ihm von einer
geeigneten Quelle zugeführt
wird, angetrieben wird. Die Zufuhr des Fluidmediums wird durch ein
Steuermittel kontrolliert, das die Fluidverbindung zwischen dem Aktor
und der Quelle für
das Fluidmedium unterbricht oder wieder herstellt.
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Wie
in 2 dargestellt, besteht der Aktor aus einem röhrenförmigen Gehäuse, das
sich entlang einer mittleren Längsachse
X-X erstreckt. In dem Gehäuse
sind die anderen Komponenten des Aktors untergebracht, wie nachstehend
erklärt
wird. Das Ge häuse
wird von einem zylindrischen Umfangsrandabschnitt 20 definiert,
der an seinen einander entgegengesetzten Enden jeweils durch Stirnwände 22, 24 verschlossen
ist. Die Wand 22 ist mit einer Öffnung 26 für eine Fluidverbindung
mit einer Quelle für
unter Druck gesetztes fluides Medium (nicht dargestellt), das dem
Gehäuse
zugeführt
werden soll, wenn der Aktor angetrieben werden muss, versehen. Innerhalb
des Gehäuses
untergebracht und zwischen den Stirnwänden entlang der Achse X-X
verschiebbar ist ein Kolben 28 vorgesehen. Der Kolben besteht
aus einem becherförmigen
Element, das von einem Umfangskörperabschnitt 30,
der mit dem Gehäuse
konzentrisch ist, einem ersten Ende 32 und einem entgegengesetzten
zweiten Ende 34 definiert ist. Innerhalb des Körperabschnitts
ist ein zentrales zylindrisches Blindloch 36 ausgebildet,
das mit der Welle X-X koaxial ist und zum zweiten Ende 34 hin
offen ist. Wie am besten in 6 zu sehen,
ist somit das erste Ende 32 des Kolbens mit einer flachen
kreisförmigen
Oberfläche 38 versehen,
die auf die Stirnwand 22 des Gehäuses gerichtet ist. Das zweite
Ende 34 ist mit einer ringförmigen Oberfläche 40 versehen,
die auf die zweite Stirnwand 24 gerichtet ist. Da der Außendurchmesser
des Körperabschnitts
kleiner ist als der Außendurchmesser
des ersten Endes 32, ist ein ringförmiger Absatz 42 gegenüber der
kreisförmigen
Oberfläche 38 vorgesehen.
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Der
Kolben kann an seinem ersten Ende 32 betätigt werden,
wenn das unter Druck gesetzte fluide Medium über die Öffnung 26 in das Gehäuse gelangt,
auf die flache Oberfläche 38 wirkt
und somit den Kolben entlang der Achse X-X verschiebt. Eine geeignete
Dichtung 44 ist am Ende 32 angebracht, um ein
Austreten des fluiden Mediums zwischen dem Kolben und dem Umfangsabschnitt
des röhrenförmigen Gehäuses zu
verhindern. Zwischen dem Ende 24 und dem Absatz 42 ist
eine Spiralfeder 44 vorgesehen, die zusammengedrückt wird,
wenn sich der Kolben in Richtung der zweiten Stirnwand 24 verschiebt.
In der weiteren Beschreibung wird diese Verschiebung als lineare
vorwärts
gerichtete Hubbewegung bezeichnet. Die Feder erzeugt eine Vorspannkraft,
die auf den Absatz wirkt und den Kolben zur ersten Stirnwand 22 verschiebt.
In der weiteren Beschreibung wird diese Verschiebung als lineare
rückwärts gerichtete
Hubbewegung bezeichnet. Es sei klargestellt, dass die obigen Bezeichnungen
für die
lineare Hubbewegung lediglich konventionell sind und die Verschiebung
von der ersten zur zweiten Stirnwand somit auch als lineare rückwärts gerichtete Hubbewegung
bezeichnet werden könnte,
während die
entgegengesetzte Verschiebung als vorwärts gerichtete lineare Hubbewegung
bezeichnet werden könnte.
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Vorgesehen
ist eine Betätigungsstange,
die in das Blindloch 36 eingreift und die koaxial mit dem Kolben
im Gehäuse
angebracht ist. Die Stange wird von einem vorderen Abschnitt 48,
dessen Außendurchmesser
dem Innendurchmesser des Blindlochs nahezu entspricht, und einem
hinteren Abschnitt 50, der vom Gehäuse durch eine Öffnung,
die in der Stirnwand 24 vorgesehen ist, verläuft, definiert.
Der vordere Abschnitt ist mit einer Buchse 52 versehen, die
aus einem Material mit niedrigem Reibungskoeffizienten besteht,
um ein Gleiten der Betätigungsstange
im Loch zu ermöglichen.
Ein Kugellager 54 ist in der Stirnwand 24 befestigt,
um eine Drehung der Betätigungsstange
um die Längsachse
X-X zu ermöglichen.
Der vordere Abschnitt ist mit einem Durchgangsloch versehen, in
dem ein Gegenstift 56 starr befestigt ist. An den einander
entgegengesetzten Enden des Gegenstifts sind zwei Rollen 58, 60 vorgesehen,
die sich drehen können.
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Zwei
entgegengesetzte Spiralschlitze sind in den Umfangskörperabschnitt
des Kolbens geschnitten. Einer der Schlitze ist in 2, 6 dargestellt und
mit dem Bezugszeichen 62 benannt. Die Schlitze sind so
bemessen und konstruiert, dass sie einen Reibschluss mit den Rollen
und somit deren erzwungenes Rollen in den Schlitzen während der
linearen Hubbewegung des Kolbens ermöglichen. Es leuchtet ein, dass
die Rollen und die Schlitze eine Nockenfolgeranordnung bereitstellen,
in der die Rollen ein Nockenfolgermittel darstellen, das gedrängt wird,
der Spiralbahn der Schlitze zu folgen.
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Innerhalb
des Umfangskörperabschnitts 30 sind
zwei Blindgänge 64, 66 vorgesehen,
die zur ringförmigen
Oberfläche 40 hin
offen sind. In der Stirnwand 24 des Gehäuses sind zwei Fixierstangen 68, 70 starr
befestigt vorgesehen, die jeweils in Blindgänge 64, 66,
die im Kolben ausgebildet sind, greifen. Wie in 6 dargestellt,
sind zwei zusätzliche
Blindgänge 72, 74 in
dem Kolben ausgebildet. Die zusätzlichen
Blindgänge
erstrecken sich vom zweiten Ende des Kolbens und öffnen sich
zur flachen kreisförmigen
Oberfläche 38.
Wie am besten aus 3 ersichtlich, sind die am ersten
und am zweiten Ende des Kolbens ausgebildeten Blindgänge diametral
angeordnet, aber es besteht keine Verbindung zwischen ihnen und
sie fluchten nicht miteinander. Zwei starr in der Stirnwand 22 des
Gehäuses
befestigte zusätzliche
Fixierstangen 76, 78 sind vorgesehen, die jeweils in
Blindgänge 72, 74 greifen.
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Es
leuchtet ein, dass, weil die Gänge 64, 66 und 72 74 nicht
miteinander verbunden sind, kein Austreten von fluidem Medium durch
die Gänge
möglich
ist.
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Wie
am besten aus 5 ersichtlich ist, ist eine
Buchse 80 in den Gang 66 eingeführt, um
einen Reibschluss und ein Gleiten der Stange 70 im Gang zu
ermöglichen,
wenn der Kolben verschoben wird. Um die Reibung zu verringern, ist
die Buchse aus Material gefertigt, das einen niedrigen Reibungskoeffizienten
aufweist, z.B. aus einem Kunststoff. Obwohl nicht eigens gezeigt,
sei klargestellt, dass eine solche Buchse in jedem Gang vorgesehen
ist und dass somit jeweils für
ein Gleiten der Stange in dem jeweiligen Gang während der linearen Hubbewegung
des Kolbens gesorgt ist.
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Aus 6 ist
ersichtlich, dass die Länge
der Fixierstangen etwas geringer ist als die Tiefe des Blindgangs
und dies dazu dient, eine volle Hubbewegung des Kolbens zu ermöglichen,
wenn dieser durch den Druck des fluiden Mediums in Vorwärtsrichtung
oder durch die Vorspannkraft der Feder in Rückwärtsrichtung angetrieben wird.
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Dabei
liegt es auf der Hand, dass die Stangen, da sie diametral angeordnet
sind, eine Drehung des Kolbens während
der Hubbewegung des Kolbens verhindern und dass sie nur dessen lineare
Verschiebung erlauben. Dagegen kann sich der Gegenstift 56 aufgrund
des Reibschlusses zwischen den Nuten und den Rollen zusammen mit
der Betätigungsstange
um die Achse X-X drehen, wenn die Rollen in den Nuten laufen. Anders
ausgedrückt
ist es aufgrund der Nockenfolgeranordnung möglich, die lineare Eingangshubbewegung
des Kolbens in eine Ausgangsdrehbewegung der Betätigungsstange zu übertragen.
Das damit zusammen hängende
Drehmoment kann beispielsweise durch eine Stiftverbindung 82,
die am Stangenende vorgesehen ist und die vom Aktor ausgeht, an
das drehbare Ventilelement ausgegeben werden.
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Mit
Bezug auf 2, 6, 8, 9 wird
nun erläutert,
wie der Aktor der Erfindung arbeitet. In 2, 8 ist
gezeigt, dass die Feder den Kolben an die Stirnwand 22 des
Gehäuses
drückt. Die
Fixierstangen 76, 78 sind nicht dargestellt, da
sie vollständig
in die entsprechenden Gänge
eingeführt sind,
die am Kolbenende 32 vorgesehen sind. Gleichzeitig sind
die Fixierstangen 68, 70 zu sehen, da ihre Länge zum
größten Teil
frei liegt und sie gerade im Begriff sind, in die jeweiligen Gänge 64, 66,
die am gegenüber
liegenden Kolbenende 34 vorgesehen sind, einzudringen.
Die Rolle 58 befindet sich am Ende des entsprechenden spiralförmigen Schlitzes 62;
die Stiftverbindung 82 nimmt ihre erste Stellung ein. Die
Zufuhr von unter Druck gesetztem fluidem Medium bewirkt, dass der
Kolben sich vorwärts
bewegt, wodurch er einen linearen Hub in Richtung auf die Stirnwand 24 gegen
die Feder 46 durchführt.
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In 9 ist
der Kolben dargestellt, nachdem er zur Stirnwand 24 gebracht
wurde. Es ist ersichtlich, dass der Kolben während der vorwärts gerichteten
Hubbewegung mittels Buchsen, die in den jeweiligen Blindgängen angeordnet
sind, über
die Stangen 68, 70, 76, 78 gleitet.
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Die
Stangen 68, 70 sind nicht dargestellt, da sie
sich in dem Gängen 64, 66 befinden,
während
die Stangen 76, 78 sich nun außerhalb der Gänge 72, 74 befinden
und daher frei liegen. Die Rolle 60 hat das entgegengesetzte
Ende des jeweiligen spiralförmigen
Schlitzes erreicht, wodurch bewirkt wird, dass sich die Betätigungsstange
um 90 Grad dreht und die Stiftverbindung 82 in ihre zweite
Stellung, die in 9 dargestellt ist, gebracht
wird. Der Kolben ist nunmehr bereit, eine rückwärts gerichtete lineare Hubbewegung
in Richtung der Stirnwand 22 auszuführen.
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Während der
Vorwärtshubbewegung
wird eine Verdrehung des Kolbens mittels Fixierstangen 76, 78 verhindert,
und während
der Rückwärtshubbewegung
wird seine Verdrehung mittels der Fixierstangen 67, 70 verhindert.
In beiden Fällen
wirkt eine Biegekraft auf die Stangen, die proportional zu dem erforderlichen
Drehmoment ist, das von der Betätigungsstange
ausgegeben wird. Ein Biegemoment, das mit dieser Kraft zusammenhängt, wäre proportional
zur Hubstrecke. Es liegt auf der Hand, dass mittels zweier getrennter
Fixierstangenpaare, die jeweils in Blindgänge eingreifen, die an entgegengesetzten Kolbenenden
vorgesehen sind, das Biegemoment zu Beginn der Hubbewegung geringer
ist, da die Kraft nur auf einen Teil der Stangenlänge angelegt
würde, der
sich nah an der jeweiligen Stirnwand des Gehäuses befindet. Somit ist sichergestellt,
dass die Stangen, auch wenn die Kraft, die zu Beginn der Hubbewegung
wirkt, am höchsten
ist (Öffnen
oder Schließen
des Ventilschiebers) keinem übermäßigen Biegemoment
ausgesetzt werden. Aufgrund dessen können Fixierstangen mit kürzeren Längen und
geringerem Durchmesser im Aktor verwendet werden.
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Da
die Gänge
blind sind und keine Verbindung zwischen ihnen besteht, ist es ist
außerdem
offensichtlich, dass ein Austreten von fluidem Medium während der
Kolbenhubbewegung ausgeschlossen werden und dadurch die Nutzungsdauer
des Aktors erheblich verbessert werden kann.
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Die
Stangen können
auf verschiedene Weise starr innerhalb der jeweiligen Stirnwände des
Gehäuses
befestigt werden. Zum Beispiel ist Prägung ein sehr zweckmäßiges Verfahren,
das sehr leicht in die Praxis umgesetzt werden kann. Für diesen
Zweck wird eine flache und enge Ringnut 84 sehr nahe am Ende
der Stange, die an der Stirnwand befestigt werden soll, geschnitten.
In 4 ist solch eine Nut dargestellt, die in die Stange 68 geschnitten
ist, die an der Stirnwand 24 befestigt ist. In der Stirnwand
ist eine Durchgangsbohrung ausgebildet, deren Innendurchmesser dem
Außendurchmesser
der Stange nahezu entspricht. Die Stange wird in die Bohrung eingeführt und
zwei ringartige Stempel aus einem Material, das härter ist
als das Material der Stirnwand, werden an beiden Seiten der Stirnwand
angelegt. Die Stempel werden in einer Presse gepresst, um diejenigen
Bereiche der Stirnwand zu prägen,
die die Stange umgeben. Aufgrund von plastischer Verformung steigt
das Stirnwandmaterial hoch, gelangt in die Bohrung, füllt die
Nut aus und sichert somit zuverlässig
die Stange in der Stirnwand. Um das Prägeverfahren zu erleichtern,
können
die Stirnwände
aus plastisch verformbarem me tallischem Material gefertigt sein,
z.B. aus einer Aluminiumlegierung wie Aluminium 6061 usw.
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Der
Aktor der Erfindung ist sehr einfach aufgebaut und sein Kolben kann
entweder aus metallischen oder nicht-metallischen Materialien gefertigt werden.
Die Wahl des jeweiligen Materials hängt vom Verwendungszweck und
dem Drehmoment, das ausgegeben werden soll, ab.
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In
der großen
Mehrheit der Anwendungen, wo keine hohen Drehmomente angelegt werden müssen, z.B.
in der Lebensmittelindustrie, kann der Kolben aus Kunststoff gefertigt
werden. Falls jedoch hohe Drehmomente erforderlich sind, z.B. in
der chemischen Industrie, sollte der Kolben aus Metall gefertigt
werden, z.B. aus Edelstahl oder einem anderen zweckmäßigen Material.
Es liegt auf der Hand, dass die Herstellung des Aktors aufgrund
von dessen sehr einfacher Konstruktion sehr leicht, unkompliziert
und kostengünstig
ist.
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In
der Praxis wurde die Erfindung erfolgreich in einem Aktor verwirklicht,
dessen Kolben durch einen Außendurchmesser
von 100 mm, einen Durchmesser des Körperabschnitts von 75 mm und
eine Breite der ringförmigen
Wand von 15 mm definiert ist. Vier Blindgänge wurden im Kolben für vier an
den Gehäusestirnwänden befestigte
Fixierstangen ausgebildet. Mit diesem Aktor konnte ein Drehmoment von
130 bis 150 nM ausgegeben werden, was das Doppelte dessen ist, was
mit einem Aktor von ähnlicher
Konstruktion, der aber nur mit zwei Fixierstangen versehen ist,
geliefert werden kann. Der Aktor der Erfindung wurde oft getestet,
und sogar nach 500.000 Hüben
wurden keine Undichtigkeiten beobachtet. In einem Aktor ähnlicher
Größe, der
mit zwei durchgehenden Fixierstangen versehen war, wurden Undichtigkeiten
bereits nach 80.000 Hüben
beobachtet.
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Es
sei klargestellt, dass die vorliegende Erfindung durch die oben
beschriebenen Ausführungsformen
nicht beschränkt
wird und dass ein Fachmann Änderungen
und Modifizierungen durchführen
kann, ohne vom Bereich der Erfindung abzuweichen, der nachstehend
in den beigefügten
Ansprüchen
definiert ist.
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Nachstehend
sind lediglich einige der Modifizierungen, die im Bereich der beigefügten Ansprüche liegen,
aufgeführt.
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Beispielsweise
muss der Kolben die Bestätigungsstange
nicht umschließen.
Es ist auch denkbar, dass die Betätigungsstange den Kolben umschließt.
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Ferner
ist es möglich,
dass der Kolben von beiden Enden aus betätigt werden kann.
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Die
Nockenfolgeranordnung kann mehr als zwei Rollen und mehr als zwei
spiralförmige
Schlitze einschließen.
Statt eines durchgehenden Schlitzes kann eine Nut in den Kolbenumfangskörperabschnitt geschnitten
werden, um einen Spiralgang auszubilden, dem das Nockenmittel folgen
kann.
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Mehr
als zwei Fixierstangen konnten verwendet werden, um eine Verdrehung
des Kolbens zu verhindern.