DE69008138T2

DE69008138T2 - Pneumatischer Stellmotor mit Getriebe.

Info

Publication number: DE69008138T2
Application number: DE69008138T
Authority: DE
Inventors: John C/O Hoke Incorporated Cresskill New Jersey Dyer
Original assignee: Hoke Inc
Current assignee: Crane Instrumentation and Sampling Inc
Priority date: 1989-12-28
Filing date: 1990-11-02
Publication date: 1994-09-08
Anticipated expiration: 2010-11-03
Also published as: CA2033032A1; EP0434935A1; AU6498690A; EP0434935B1; ATE104404T1; US5003864A; JPH04219506A; AU638285B2; DE69008138D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein mit einem Bewegungsmechanismus versehenes Luft-Betätigungselement und insbesondere ein mit einem Bewegungsmechanismus versehenes Luft- Betätigungselement, das geeignet ist, ein Ventil, z. B. ein Kugelventil, zu betätigen.
Solche Betätigungselemente des Standes der Technik verwenden einen Zahnstangen/Ritzel-Antrieb, um das Ventil zu betätigen. Einige Betätigungselemente sind mit Federn versehen, die am Ende des Betätigungselementes angeordnet sind, um den Betätigungselementen zu ermöglichen, sich am Ende ihres Hubes zurückzustellen. In anderen Betätigungselementen wurde die Feder um die Außenseite eines Kolbens herum angebracht. Es wurde erkannt, daß die existierenden Betätigungselemente sperrig sind und eine getrennte Zahnstange benötigen, um das Ritzel zu betätigen, das wiederum das Ventil betätigt.
Darstellungen von im Stand der Technik verwendeten Betätigungselemente sind in der US-A-4 716 815 gegeben, die einen federbelasteten Zwei-Wege-Kolben darstellt, und in der US-A- 2 848 186, die ein Betätigungselement offenbart, das in einer Bohrung an einem Ende eines festen, länglichen Kolbenkörpers eine Feder besitzt.
In der FR-A-2 499 171 ist ein mit einem Bewegungsmechanismus versehenes Fluid-Betätigungselement offenbart, wie es im Oberbegriff von Anspruch 1 definiert ist. Bei diesem bekannten Fluid-Betätigungselement ist das Federmittel in einer Verlängerung des Kolbens vorgesehen, was zu einer relativ sperrigen Anordnung führt.
In der CH-A-401 324 ist ein mit einem Bewegungsmechanismus versehenes Fluid-Betätigungselement offenbart, das ein Gehäuse, einen Kolben, eine Feder, einen Bewegungsmechanismus mit einer Zahnstange und einem Kolben sowie ein Luft-Einlaß/Auslaß-Mittel enthält. Bei diesem bekannten, mit einem Bewegungsmechanismus versehenen Fluid-Betätigungselement ist die Feder auf einer Kolbenstange angeordnet, die in Verlängerung des Kolbens vorgesehen ist. Der Kolben enthält zwei entgegengesetzte, hohle Körperabschnitte, deren unterer Abschnitt durch eine gemeinsame, mittlere Kolbenwand gebildet ist. Die im Ritzel kämmende Zahnstange ist am äußeren Ende der Kolbenstange angeordnet. Folglich ist das das Ritzel enthaltene Ritzelgehäuse in Verlängerung des den Kolben enthaltenden, zylindrischen Gehäuses angeordnet.
In der US-A-4 716 815 ist ein fluiddruckbetätigtes Betätigungselement offenbart, das einen Kolben mit einem H-Querschnitt besitzt. Der Kolben ist innerhalb eines Gehäuses angeordnet, dessen Enden von spindelartigen Anschlagelementen mit entsprechenden Köpfen durchquert werden. Die Spindeln tragen jeweils zylinderförmige Anschläge, die jeweils federbelastet sind. Die Gehäuseenden werden auch von Fluideinlaßrohren durchquert. Beide Federn wirken auf die Anschläge und damit auf den Kolben in einem Bewegungsbereich auf beiden Seiten einer Mittelstellung, wobei der Bewegungsbereich durch die Spindeln bestimmt ist. In einem drucklosen Betrieb halten die Federn den Kolben in der Mittelstellung oder setzen ihn in die Mittelstellung.
Die vorliegende Erfindung vermeidet diese Nachteile und hat zur Aufgabe, ein verbessertes, mit einem Bewegungsmechanismus versehenes Luft-Betätigungselement zu schaffen, das die Verminderung der Abmessungen der Einheit erlaubt.
Weiter ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Betätigungselement zu schaffen, das einen Kolben mit einer in diesem angebrachten Feder verwendet.
Weiter ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Betätigungselement zu schaffen, das die Verwendung einer getrennten Zahnstange vermeidet.
Weiter ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes, mit einem Bewegungsmechanismus versehenes Luft- Betätigungselement zu schaffen, bei dem im Kolben Federmittel vorgesehen sind, um sie nach einer Drehung um 180º in ihre Ursprungsstellung zurückzuführen.
Weiter ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes, mit einem Bewegungsmechanismus versehenes Luft- Betätigungselement zu schaffen, bei dem die Einheit einfach dafür ausgelegt werden kann, den Kolben nach einer Drehung um 90º oder um einen anderen gewünschten Drehwinkel zurückzustellen.
Weiter ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes, mit einem Bewegungsmechanismus versehenes Luft- Betätigungselement zu schaffen, das leicht als doppeltwirkendes Betätigungselement ausgelegt werden kann.
Andere und weitere Ziele der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der erläuternden Ausführung, die noch beschrieben wird, oder aus den beigefügten Patentansprüchen, wobei verschiedene hier nicht angegebene Vorteile sich dem Fachmann bei Anwendung der Erfindung in der Praxis ergeben.
Zur Erläuterung und Beschreibung wurde eine bevorzugte Ausführung der Erfindung gewählt, die in den beigefügten, Teil dieser Beschreibung bildenden Zeichnungen dargestellt ist. Darin zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des mit einem Bewegungsmechanismus versehenen Luft-Betätigungselementes der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie 2-2 von Fig. 1;
Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Linie 3-3 von Fig. 1;
Fig. 4 einen Querschnitt entsprechend dem von Fig. 3, der die Stellung des Betätigungselementes am Ende seines Hubes darstellt;
Fig. 5 einen Querschnitt entsprechend dem von Fig. 3, der eine weitere Ausführung der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 6 einen Querschnitt entsprechend dem von Fig. 3, der eine wiederum weitere Ausführung der vorliegenden Erfindung darstellt.

Beschreibung

Im folgenden wird auf die Zeichnungen Bezug genommen. Das Betätigungselement 1 der vorliegenden Erfindung ist geeignet, ein Ventil, z.B. ein (nicht dargestelltes) Kugelventil, über eine Ritzelbaugruppe 2 zu betätigen, die sich durch ein Gehäuse 3 erstreckt, das eine sich von diesem erstreckende Befestigung 4 besitzt, an der das Ventil angebracht ist. Die Ritzelbaugruppe 2 enthält eine Ritzelwelle 8 mit einem Ansatz 5 an ihrem einen Ende, einem Ritzel 7 und einem Ventilanschlußansatz 6 an ihrem anderen Ende. Das Ritzel 7 ist im wesentlichen Inittig auf der Ritzelwelle 8 angeordnet.
Das Gehäuse 3 enthält einen oberen Raum 10, in dem die Ritzelbaugruppe 2 angebracht ist, und einen unteren Raum 11, der sich im wesentlichen im rechten Winkel zum oberen Raum 10 befindet.
Das Gehäuse 3 enthält eine vordere Stirnwand 12 und eine hintere Stirnwand 13, zwei Seitenwände 14, 15 sowie eine obere Wand 16 und eine untere Wand 17, wobei sich von der oberen Wand 16 die Ventilbefestigung 4 erstreckt. Die Seitenwände 14, 15 sind einstückig mit der oberen Wand 16 und der unteren Wand 17 dargestellt. Falls gewünscht, können sie auch einzelne, zusammengfügte Bauteile sein, ohne daß dadurch von der Erfindung abgewichen wird. An den Enden des oberen Raumes 8 sind Stopfen 20 und 21 angebracht, die die sich über die Seitenwände 14, 15 hinauserstreckenden Ansätze 5, 6 der Ritzelwelle 8 aufnehmen und als Lager für diese wirken.
An den Seitenwänden 14, 15 sind die Stirnwände 12, 13 abnehmbar angebracht, und sie sind mittels Scheiben gegen Lecks abgedichet. Die vordere Stirnwand 12 besitzt eine Gewindeöffnung 22, an der ein (nicht dargestelltes) Zufuhrmittel für ein Pneumatikfluid oder ein anderes Fluid befestigt werden kann. Die hintere Stirnwand 13 besitzt eine Öffnung 23, die in der bevorzugten Ausführung der Erfindung mit einem Stopfen 24 abgedichtet ist, der für einige Betriebsarten des mit einem Bewegungsmechanismus versehenen Luft-Betätigungselementes entfernbar ist, wie ausführlicher nachfolgend beschrieben werden wird.
Wie bereits dargestellt, ist die Achse des unteren Raumes 11 im wesentlichen im rechten Winkel zur Achse des oberen Raumes 10 und zur dort angebrachten Ritzelbaugruppe 2 angeordnet. Innerhalb der unteren hohlen Kammer 11 ist bewegbar ein kreisförmiger Kolben 30 angeordnet, der sich im rechten Winkel zur Ritzelbaugruppe 2 des oberen Raumes 5 befindet. Der Kolben 30 besitzt eine relativ dünne, kreisförmige Kolbenkopfwand 31. Die Kolbenkopfwand 31 besitzt eine Außenfläche 35, die einen kreisförmigen Kopfraum 36 aufweist, und einen länglichen Körperabschnitt 33, der sich von der Kolbenkopfwand 31 nach hinten erstreckt und in einem hinteren Anschlag 37 endet. Im länglichen Körperabschnitt 33 ist eine hohle Innenbohrung 32 angeordnet. Die Innenbohrung 32 ist in ihrem hinteren Abschnitt 38 geöffnet und endet in einer Innenfläche 39 der Kopfwand 31. Den Körperabschnitt 33 umgibt eine Verzahnung 34, in der die Zahnradzähne 7 der Ritzelwelle 8 kämmen, die sich in einem rechten Winkel zur Verzahnung befindet. Eine Bewegung des Kolbens 30 in der unteren Kammer 11 dreht die Ritzelbaugruppe 2, die wiederum das Ventil betätigt.
In der hohlen Innenbohrung 32 ist eine Feder 40 angeordnet, die in der Zeichnung als Schraubenfeder dargestellt ist. Die Schraubenfeder 40 ist zwischen der hinteren Wand 13 der unteren hohlen Kammer 11 und der Innenwand 39 der Kolbenkopfwand 31 angeordnet und übt auf den Kolben 31 einen Druck auf, der den Kolben 31 zur vorderen Gehäusewand 12 beaufschlagt. Die äußeren Ränder des Kolbens 30 sind an seinen beiden Seiten durch O-Ringe 26 abgedichtet.
Wenn dem kreisförmigen Raum 36 in der Außenfläche 35 der Kolbenkopfwand 31 durch die Öffnung 22 ein Pneumatikfluid zugeführt wird, bewegt sich der Kolben 30 gegen den Druck der Feder 40 nach hinten zur hinteren Wand 13. Wenn diese Bewegung nach hinten auftritt, kämmt die Außenverzahnung 34 des Kolbens 30 in den Ritzelzähnen 7, was die Ritzelwelle 8 dreht, die das Ventil über ihren Anschluß 6 betätigt. Wenn die Ritzelwelle 8 um 180º gedreht ist, erreicht der Kolben 30 mit seinem der hinteren Wand 13 benachbarten hinteren Anschlag 37 das Ende seines Arbeitshubes. An dieser Stelle wird der Pneumatikfluiddruck gestoppt, und die Feder 40 bewegt den Kolben 30 zurück zur vorderen Wand 12 des Gehäuses, wie in Fig. 4 dargestellt.
Die Anbringung der Feder 40 vollständig innerhalb der Bohrung 32 des Kolbens 30 erlaubt die Verminderung der Abmessungen von allen Bauteilen, was eine kleinere und billiger zu betreibende Einheit ermöglicht.
Falls gewünscht, können Endschalter bei 50 und 51 in der oberen Wand 16 als Anzeiger für die Position des Kolbens 30 innerhalb des Gehäuses 11 vorgesehen sein. Außerdem kann, falls gewünscht, am hinteren Ansatz 5 der Ritzelwelle 8 eine manuelle Prioritätsbetätigungseinheit 52 (in Fig. 2 strichpunktiert dargestellt) vorgesehen sein.
In Fig. 5 ist eine weitere Ausführung der vorliegenden Erfindung dargestellt, bei der ein Abstandselement 45 in Form einer ringförmigen Scheibe mit einer Mittelöffnung 46 zwischen der vorderen Wand 12 und der Kopffläche 35 des Kolbens 30 angeordnet ist. Durch die Anordnung dieses Abstandselementes ist der Kolben 30 bereits teilweise von der vorderen Wand 12 beabstandet angeordnet, wie in Fig. 5 dargestellt, bevor dem unteren Raum 11 Pneumatikfluid zugeführt wird. Wenn dem unteren Raum 11 Pneumatikfluid zugeführt wird, wird sich der Kolben 30 nur um einen kurzen Weg bewegen, bevor er das Ende seines Hubes erreicht und von der Feder 40 zur vorderen Wand 12 zurückbewegt werden wird. Dieser kürzere Weg wird die Ritzelwelle vorzugsweise um 90º anstatt um 180º wie in der in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführung drehen. Man sieht jedoch, daß allein durch das Verwenden von vorderen Abstandselementen 45 mit unterschiedlichen Dicken die Winkeldrehung der Ritzelwelle 8 abhängig von der Größe des nach hinten gerichteten Hubes des Kolbens 30 und der Drehung der Ritzelwelle 8 für jede spezielle Situation nach Wunsch eingestellt werden kann.
Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführung der vorliegenden Erfindung, bei der der hintere Stopfen 24 entfernt ist, um die Öffnung 23 am Ende des unteren Raumes 11 zu öffnen. Bei dieser Ausführung ist die Feder 40 entfernt, und in den unteren Raum 11 kann ein Pneumatikfluid durch die beiden Öffnungen 22 und 33 auf beiden Seiten der Kopfwand 31 des Kolbens 30 eingeführt werden, so daß der Kolben 30 als Zwei-Wege-Betätigungselement verwendet werden kann.
Man erkennt, daß die vorliegende Erfindung ein verbessertes, mit einem Bewegungsmechanismus versehenes Luft-Betätigungselement schafft, das die Verminderung der Abmessungen der Einheit erlaubt und das einen Kolben mit einer in ihm angeordneten Feder verwendet, was die Verwendung einer getrennten Zahnstange vermeidet. Die vorliegende Erfindung schafft auch ein verbessertes, mit einem Bewegungsmechanismus versehenes Luft-Betätigungselement, bei dem Federmittel innerhalb des Kolbens angeordnet sind, um es nach einer Drehung um 180º oder um 90º oder um einen anderen gewünschten Drehwinkel in seine Ursprungsstellung zurückzuführen, und das leicht an einen Betrieb als doppeltwirkendes Betätigungselement angepaßt werden kann.

Claims

1. Mit einem Bewegungsmechanismus versehenes Fluid-Betätigungselement mit einem Gehäuse (3), einem in dem Gehäuse (3) bewegbar angebrachten Kolben (30), wobei das Gehäuse (3) eine vordere Stirnwand (12) und eine hintere Stirnwand (13) besitzt, Mitteln (22), um dem Gehäuse (3) zwischen der vorderen Gehäusestirnwand (12) und dem Kolben (30) Fluid zuzuführen, das gegen den Kolben (30) drückt und diesen Kolben (30) gegen die Wirkung eines innerhalb des Gehäuses (3) zwischen der hinteren Gehäusestirnwand (13) und dem Kolben (30) angeordneten Federmittels (40) bewegt, wobei das Federmittel (40) nach Beendigung der Fluidzufuhr zum Gehäuse (3) den Kolben (30) zurück in seine Anfangsstellung bewegen wird, einer Verzahnung (34) des Bewegungsmechanismus, die um die Außenumfangsfläche des Kolbens (30) herum verläuft und vollständig zwischen der vorderen Gehäusestirnwand (12) und der hinteren Gehäusestirnwand (13) liegt, und einer Ritzelbaugruppe (2), die im rechten Winkel zur Verzahnung (34) des Bewegungsmechanismus liegt und in ihr kämmt, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (30) eine Kopfwand (31) und einen sich von ihr nach hinten erstreckenden, hohlen Körperabschnitt (33) besitzt, wobei die Kolbenkopfwand (31) und der hohle Körperabschnitt (33) des Kolbens (30) zwischen der vorderen Gehäusestirnwand (12) und der hinteren Gehäusestirnwand (13) angeordnet sind, wobei das Federmittel (40) innerhalb des hohlen Körperabschnitts (33) des Kolbens (30) angebracht ist, wobei das Fluidzufuhrmittel (22) dafür vorgesehen ist, zwischen der vorderen Gehäusestirnwand (12) und der Kolbenkopfwand (31) Fluid zuzuführen, das gegen die Kolbenkopfwand (31) drückt, wobei die Kolbenkopfwand (31) wesentlich dünner als die Länge des hohlen Körperabschnittes (33) des Kolbens (30) ist, wobei die Verzahnung (34) des Bewegungsmechanismus hauptsächlich um die Außenumfangsfläche des hohlen Körperabschnitts (33) des Kolbens (30) herum angeordnet ist und wobei das Federmittel (40) zwischen der Innenfläche (39) der Kolbenkopfwand (31) und der hinteren Stirnwand (13) des Gehäuses (3) eingesetzt ist.

2. Mit einem Bewegungsmechanismus versehenes Fluid-Betätigungselement nach Anspruch 1, bei dem die hintere Gehäusestirnwand (13) eine Öffnung (23) besitzt, wobei die Öffnung (23) von einem entfernbaren Stopfen (24) verschlossen ist.

3. Mit einem Bewegungsmechanismus versehenes Fluid-Betätigungselement mit einem Gehäuse (3), einem in dem Gehäuse (3) bewegbar angebrachten Kolben (30), wobei das Gehäuse (3) eine vordere Stirnwand (12) und eine hintere Stirnwand (13) besitzt, Mitteln (22), um dem Gehäuse (3) zwischen der vorderen Gehäusestirnwand (12) und dem Kolben (30) Fluid zuzuführend das gegen den Kolben (30) drückt und diesen Kolben (30) auf die hintere Gehäusestirnwand (13) zu bewegt, einer Verzahnung (34) des Bewegungsmechanismus, die um die Außenumfangsfläche des Kolbens (30) herum verläuft und vollständig zwischen der vorderen Gehäusestirnwand (12) und der hinteren Gehäusestirnwand (13) liegt, und einer Ritzelbaugruppe (2), die im rechten Winkel zur Verzahnung (34) des Bewegungsmechanismus liegt und in ihr kämmt, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (30) eine Kopfwand (31) und einen sich von ihr nach hinten erstreckenden, hohlen Körperabschnitt (33) besitzt, wobei die Kolbenkopfwand (31) und der hohle Körperabschnitt (33) des Kolbens (30) zwischen der vorderen Gehäusestirnwand (12) und der hinteren Gehäusestirnwand (13) angeordnet sind, wobei das Fluidzufuhrmittel (22) dafür vorgesehen ist, zwischen der vorderen Gehäusestirnwand (12) und der Kolbenkopfwand (31) Fluid zuzuführen, das gegen die Kolbenkopfwand (31) drückt, wobei die Kolbenkopfwand (31) wesentlich dünner als die Länge des hohlen Körperabschnittes (33) des Kolbens (30) ist, wobei die Verzahnung (34) des Bewegungsmechanismus hauptsächlich um die Außenumfangsfläche des hohlen Körperabschnitts (33) des Kolbens (30) herum angeordnet ist und wobei die hintere Gehäusestirnwand (13) eine Öffnung (23) aufweist, um das Eintreten von Fluid zum Bewegen des Kolbens (30) auf die vordere Gehäusestirnwand (12) zu zu erlauben.

4. Mit einem Bewegungsmechanismus versehenes Fluid-Betätigungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Fluid ein Pneumatic-Fluid ist.

5. Mit einem Bewegungsmechanismus versehenes Fluid-Betätigungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die vordere Gehäusestirnwand (12) eine Öffnung (22) aufweist, um zu ermöglichen, daß in das Gehäuse (3) Fluid eintritt, das die Kopffläche (35) der Kolbenkopfwand (31) beaufschlagt.

6. Mit einem Bewegungsmechanismus versehenes Fluid-Betätigungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zwischen der vorderen Gehäusestirnwand (12) und der Stirnseite (35) des Kolbens (30) Abstandsmittel (45) angeordnet sind, um die Bewegung des Kolbens (30) zu begrenzen.

7. Mit einem Bewegungsmechanismus versehenes Fluid-Betätigungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Endschalter (50, 51) als Stellungsanzeiger vorgesehen sind.

8. Mit einem Bewegungsmechanismus versehenes Fluid-Betätigungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem auf der Ritzelbaugruppe (2) ein manuelles Prioritätsbetätigungsmittel (52) vorgesehen ist.