EP0838597A1 - Stellantrieb zur Umwandlung der Energie eines Fluids in eine mechanische Kraft - Google Patents

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EP0838597A1
EP0838597A1 EP97118235A EP97118235A EP0838597A1 EP 0838597 A1 EP0838597 A1 EP 0838597A1 EP 97118235 A EP97118235 A EP 97118235A EP 97118235 A EP97118235 A EP 97118235A EP 0838597 A1 EP0838597 A1 EP 0838597A1
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expansion chamber
actuator
axial
fluid
actuator according
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Werner Homann
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B15/00—Fluid-actuated devices for displacing a member from one position to another; Gearing associated therewith
    • F15B15/08—Characterised by the construction of the motor unit
    • F15B15/10—Characterised by the construction of the motor unit the motor being of diaphragm type
    • F15B15/103—Characterised by the construction of the motor unit the motor being of diaphragm type using inflatable bodies that contract when fluid pressure is applied, e.g. pneumatic artificial muscles or McKibben-type actuators

Definitions

  • the invention relates to an actuator for Converting the energy of a fluid to mechanical Force.
  • an inner, essentially tubular expansion chamber consists of an elastically resilient material which, when the expansion chamber is acted upon by a fluid mediated by the fluid Internal pressure experiences an essentially radially oriented deformation.
  • This deformation of the expansion chamber is limited by an outer force transmission sleeve which surrounds the expansion chamber and consists of a flexible, but not stretchable thread material which is anchored at the axial ends of the expansion chamber.
  • the thread material consists of single threads or multiple threads, which are bundled into strands or strands. These single or multiple threads are combined with opposing spirals at an angle of inclination of approximately 50 ° to 80 ° against the axis of the expansion chamber to form a network which has a relative angular displacement of the threads during the expansion at the thread crossings the expansion chamber allowed.
  • the ends of the threads are attached to tie rods which are non-positively connected to the ends of the expansion chamber.
  • the invention has for its object an actuator to provide the training dealt with above, in which when generating the internal pressure radial expansion of the expansion chamber obtained precisely and thus avoiding a scattering effect on the axis the actuator is concentrated so that the pressure energy of the fluid accordingly optimally in terms of drive used axial forces is translated.
  • the response time of the actuator is further shortened with the measure be that the unused dead space of the expansion chamber with correspondingly preferably about 90 to 80% a floating core material is filled in, that do not participate in the expansion of the expansion chamber and should be braced between the tie rods Coil spring is centered.
  • the end of the two Tie rods can be attached, then results from the radial expansion of the expansion chamber along the Drive axle completely uniform size change of the communicating individual chambers.
  • the individual chambers adapt to one with the cylinder spiral predetermined slope, which in turn increases of the internal pressure for a radial expansion of the expansion chamber is adapted to the tensile forces thus obtained.
  • the spiral shape of the individual chambers changes therefore steadily increasing the axial tensile forces that therefore be equalized accordingly.
  • Embodiments of an actuator with which a conversion the energy of a fluid into a mechanical force can be realized is the supply source to be provided for this not shown for the working fluid.
  • a working fluid For example, compressed air is used, which at the work site of the Actuator via a connected supply line is introduced.
  • the actuator of FIGS. 1 to 5 is tubular Expansion chamber 1 formed on both of them Ends through the axial middle part of two tie rods 2 and 3 is closed.
  • the two tie rods 2, 3 are with the Ends of the expansion chamber 1 are positively connected.
  • Each the two form-locking connections 4 and 5 are thus obtained that that over the axial middle part of the assigned Tie rod 2, 3 pushed tube end with a thread is wrapped several times so strongly that the relevant Working pressure of the expansion chamber 1 of the positive connection with the Tie rods 2,3 is not destroyed and tightness of the Expansion chamber 1 is guaranteed.
  • the positive connection for low working pressures also replaced by a frictional connection be, his special education also by others Measures can be realized.
  • the expansion chamber 1 gives the actual actuator of the actuator and consists of a resilient Material, which after the supply of the Compressed air or alternatively another working fluid one of the two tie rods 2, 3 through which to the Inner wall of the expansion chamber 1 mediated internal pressure undergoes a substantially radially oriented deformation.
  • This deformation is in Fig. 2 for an embodiment of the Actuator illustrated in which the expansion chamber 1 by pushed over ring body 6, which over the effective length of the expansion chamber 1 with the same mutual distance are lined up in each other communicating individual chambers 1 'is divided, the radial Widening to the axial space between the ring bodies 6 is limited.
  • a coil spring 7 is arranged, which between the two tie rods 2, 3 is braced and a core material 8 surrounds that arranged floating in the expansion chamber 1 is.
  • the core material 8 is in the starting position of the actuator by the spiral spring 7 without contact held with the inner wall of the expansion chamber 1.
  • the spiral spring 7 centers the core material 8 inside the expansion chamber 1 and ensures its floating arrangement the compressed air supply. Through a line touch the coil spring 7 with the inner wall of the expansion chamber it is also guaranteed that the working fluid evenly distributed into the individual chambers 1 'and thus these individual chambers 1 'a common expansion can experience.
  • the core material takes over 8 only the passive role of filling in a Dead space in the filling of the expansion chamber 1 with the working fluid for the deformation of the resilient Material is not needed.
  • the initial usable space should be appropriate to about 10 to 20% of the total Filling volume of the expansion chamber may be limited to one safe and economical operation of the actuator to guarantee.
  • the actuator is further completed by an outer force transmission sleeve 9, which surrounds the expansion chamber 1 and consists of a flexible, but not stretchable thread material.
  • This thread material is formed with an endless thread, which is deflected around the two tie rods 2 and 3 for a multi-layer covering of the expansion chamber 1 in the back and forth.
  • the endless thread is deflected via deflecting arms 10, which are radially aligned with the axial central part of each tie rod 2, 3.
  • the form-fitting connection of the tie rods 2, 3 at their axial middle part to the ends of the expansion chamber 1 is expediently such that the deflection arms 10 of the one tie rod 2 to the deflecting arms 10 of the other tie rod 3 are offset.
  • this arrangement ensures that the power transmission sleeve 9 obtained with the continuous thread is closed to form a tight package of longitudinal threads.
  • the longitudinal axis 11 thus results in a significant drive axis of the actuator, which can be connected to any actuator in this longitudinal axis 11.
  • an axial tensile force of about 6 kN can be generated with a working pressure of, for example, about 8 bar, at the same time only about 10 to 20% of the initial useful volume of the expansion chamber 1 having to be specified.
  • the expansion chamber 1 for the exercise of an internal pressure by the one Connection 2 'of a tie rod 2 supplied working fluid together with a core material 12 with the two tie rods 2, 3 positively connected.
  • the one positive connection 4 ' is obtained so that the associated axial ends of the expansion chamber 1 and of the core material 12 are connected to one another in a fluid-tight manner and in an axial bore of the axial middle part of the tie rod 2 pressed and glued therein.
  • a corresponding positive connection 5 ' thus obtained that the expansion chamber 1 and the core material 12 on their end faces with the end face of the Tie rods 3 are glued.
  • this positive connection 5 'but can also be designed in the same way as the positive connection 4 ', so with one in the axial Central part of the tie rod 3 formed bore, in which the ends of the Expansion chamber 1 and the core material 12 pressed and glued into it.
  • the core material 12 consists of the same or approximately same resilient material as that Expansion chamber 1. This allows in this embodiment dispenses with the arrangement of a special coil spring and the entire cavity of the expansion chamber with the Core material to be filled in so that its main length with the surrounding expansion chamber 1 kept in contact is.
  • an incorporated fluid channel in the formation of at least one longitudinal groove 13 provided that a central bore 13 'at the end of the Tie rod 2 connects to the connector 2 'of the fluid supply of the actuator. So if that Working fluid in this incorporated fluid channel 13, 13 ' of the core material 12 is supplied, then an im essentially radially oriented deformation of the expansion chamber 1 received, which to an outer power transmission sleeve 9 is transmitted.
  • the power transmission sleeve 9 consists of an endless thread, which is deflected in the back and forth over the two tie rods 2, 3 and surrounds the expansion chamber 1 in multiple layers. Because the core material 12 is held in contact with the expansion chamber 1 and is positively connected together with the expansion chamber 1 at the axial ends to the two tie rods 2, 3, this results in an output length l 0 of the actuator in the arrangement shown in FIG. 6 easier winding process of the continuous thread than in the first embodiment described above.
  • the force transmission sleeve 9 is surrounded by an inelastic cylindrical spiral 14 which is attached with its ends to the two tie rods 2, 3 so that it cannot rotate.
  • the communicating individual chambers 1 ′′ of the expansion chamber 1 receive a spiral course along the drive axis 11 of the actuator during the radially oriented deformation of the expansion chamber.
  • the incorporated fluid channel of the core material 12 can also have several such longitudinal grooves with an even distribution over the circumference of the core material.
  • the surface of the core material 12 can also be provided with scratches running parallel to the axis and equally spaced over the circumference of the core material. Such scoring can make the core material more supple if it is compressed from its initial length l 0 to the working length l 1 while the actuator is being shortened.
  • the expansion chamber 1 can also be surrounded by a sleeve 15.
  • This sleeve 15 is specially designed in the manner of a pipe clamp and consists of an elastically flexible material which wraps around the force transmission sleeve 9 and which is fastened to two clamping jaws 17 which can be tightened by means of adjusting screws 16.
  • the expansion chamber 1 is expanded radially by the internal pressure of the working fluid and thus the two tie rods 2, 3 are brought closer to one another by means of the force transmission sleeve 9, then the sleeve 15 follows the radial expansion of the individual chamber 1 ′′ surrounded by it until the working length l 1 is reached. If the clamping jaws 17 are then tightened against one another and thus the loop length of the sleeve 15 is shortened or its opening size is reduced, then a counterpressure counteracting the internal pressure is exerted on the individual chamber 1 ′′. This counterpressure increases the working length l 1 of the actuator again, and a fine adjustment of the axial tensile forces that have been set for the working length l 1 is obtained .
  • the outer transmission sleeve can reduce lateral forces be soaked with a lubricant, taking it for that then expediently with a tubular coating an elastic material is provided to prevent escape to prevent the lubricant.

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Abstract

Ein Stellantrieb zur Umwandlung der Energie eines Fluids in eine mechanische Kraft besteht aus einer inneren Expansionskammer (1) und einer äußeren Kraftübertragungshülle (9), welche die Expansionskammer umgibt und mit einem flexiblen, jedoch nicht streckbaren Endlosfaden ausgebildet ist, der für eine mehrlagige Umhüllung der Expansionskammer im Hin- und Hergang über zwei Zuganker (2,3) umgelenkt ist, die mit den beiden axialen Enden der inneren Expansionskammer (1) verbunden sind. Durch eine mit der Zuleitung des Fluids in die Expansionskammer erhaltene radiale Aufweitung werden die Zuganker unter Vermittlung der Kraftübertragungshülle (9) gegenseitig angenähert und erzeugen eine axiale Zugkraft. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stellantrieb zur Umwandlung der Energie eines Fluids in eine mechanische Kraft.
Aus der EP 0 261 721 A3 ist ein hydraulisch oder alternativ auch pneumatisch versorgter Stellantrieb der vorgenannten Art bekannt, bei welchem eine innere, im wesentlichen rohrförmige Expansionskammer aus einem elastisch-nachgiebigen Material besteht, das bei einer Beaufschlagung der Expansionskammer mit einem durch das Fluid vermittelten Innendruck eine im wesentlichen radial ausgerichtete Verformung erfährt. Diese Verformung der Expansionskammer wird durch eine äußere Kraftübertragungshülle begrenzt, welche die Expansionskammer umgibt und aus einem flexiblen, jedoch nicht streckbaren Fadenmaterial besteht, das an den axialen Enden der Expansionskammer verankert ist. Bei der radialen Aufweitung der Expansionskammer wirken daher als Folge der nicht streckbaren Materialeigenschaften der Kraftübertragungshülle auf die Enden der Expansionskammer axial gegeneinander ausgerichtete Kräfte ein, die somit in axiale Zugkräfte übersetzt werden. Bei dem bekannten Stellantrieb besteht das Fadenmaterial aus Einzelfäden oder auch aus Mehrfachfäden, die zu Strängen oder Litzen gebündelt sind. Diese Einfach- oder Mehrfachfäden sind mit gegenläufigen Spiralen unter einem Neigungswinkel von etwa 50° bis 80° gegen die Achse der Expansionskammer zu einem Netzwerk zusammengefaßt, das an den Fadenüberkreuzungen eine relative Winkelverschiebung der Fäden bei der Aufweitung
der Expansionskammer erlaubt. Die Fäden sind im übrigen mit ihren Enden an Zugankern befestigt, die mit den Enden der Expansionskammer kraftschlüssig verbunden sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stellantrieb der vorstehend abgehandelten Ausbildung bereitzustellen, bei welchem die bei der Erzeugung des Innendruckes erhaltene radiale Aufweitung der Expansionskammer präzise und damit unter Vermeidung einer Streuwirkung auf die Achse des Stellantriebes konzentriert wird, sodaß die Druckenergie des Fluids entsprechend optimal in die antriebsmäßig genutzten Axialkräfte übersetzt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Stellantrieb in der Ausbildung gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.
Bei einem Stellantrieb dieser Ausbildung stellt die Verwendung eines Endlosfadens als Fadenmaterial für die äußere Kraftübertragungshülle sicher, daß die radiale Aufweitung der Expansionskammer eine völlig vergleichmäßigte Verteilung über die gesamte Kraftübertragungshülle erfährt, auch wenn der Innendruck über die Länge der Expansionskammer unregelmäßig verteilt werden sollte oder sich ein örtlich unterschiedliches Materialverhalten ergibt. Ein abweichendes Materialverhalten ergibt sich insbesondere an den axialen Einspannenden der Expansionskammer im Verhältnis zu ihrem mittigen Bereich besonders im Dauerbetrieb des Stellantriebes. Jede örtliche Belastungsspitze wird jedoch durch das endlose Fadenmaterial unmittelbar ausgeglichen, wobei dieser Ausgleich über die formschlüssig ausgebildete Verbindung der endseitigen Zuganker mit der Expansionskammer eine Konzentration auf die Antriebsachse des Stellantriebes erfährt. Die mit der Zuleitung eines Fluids in die Expansionskammer erzeugte Druckenergie wird daher entsprechend optimal in die mit dem Stellantrieb genutzten axialen Zugkräfte übersetzt. Diese Übersetzung ergibt sich ab dem Beginn der radialen Aufweitung der Expansionskammer, weil sich wegen der axial verlaufenden Linienberührung des Fadenmaterials von Anfang an eine entsprechend günstige Kraftübersetzung ergibt.
Die Verwendung eines Endlosfadens als Fadenmaterial für die äußere Kraftübertragungshülle ergibt daneben den Vorteil einer einfachen Fertigungsmöglichkeit, da die Hin- und Herführung des Endlosfadens mit der abwechselnden Umlenkung an den beiden endseitigen Zugankern maschinell mit einfachsten Mitteln zu realisieren ist. Gleichzeitig kann bei dieser Hin- und Herführung des Endlosfadens die Dicke der für die Expansionskammer bereitgestellten mehrlagigen Umhüllung eine einfache Einstellung und Regulierung erfahren. Damit ist auch die Höhe der mit dem Stellantrieb zu übertragenden mechanischen Kraft im Verhältnis zu dem durch das Fluid vermittelten Innendruck optimal beeinflußbar, sodaß bei Vorgabe eines übereinstimmenden Sicherheitsfaktors Stellantriebe mit verschieden großen Leistungen garantiert werden können. Als Material für den Endlosfaden kommen hauptsächlich Kunststoffasern, wie bspw. Aramid- oder PE-Fasern, Kohlenstoffasern, Mischfasern usw. in Betracht, auch in der Ausbildung von Mehrfachfäden oder Litzen.
Der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Stellantriebes kann weiter mit den Maßnahmen optimiert werden, die in den abhängigen Patentansprüchen beansprucht sind.
So wird bspw. mit einer Unterteilung der Expansionskammer mittels übergeschobener Ringkörper aus einem unelastischen Material die radiale Aufweitung der Expansionskammer begrenzt und damit deren Sicherheitsfaktor erhöht. Gleichzeitig wird eine Vergrößerung des Freiheitsgrades bei der Auswahl des Fadenmaterials erhalten.
In Abhängigkeit von dem verwendeten Arbeitsfluid, wofür Druckluft oder ein anderes Druckgas und Hydrauliköl oder ein anderes flüssiges Medium in Betracht kommen, kann die Ansprech- und Taktzeit des Stellantriebes beeinflusst werden sowie damit auch die von der zu übertragenden Kraft abhängige, mit der äußeren Kraftübertragungshülle erzielbare Verkürzung der Arbeitslänge des Stellantriebes entlang der Antriebsachse. Die Verkürzung der Arbeitslänge des Stellantriebes kann bspw. bei etwa 10 bis 20 % liegen. Für diesen Wert wird berücksichtigt, daß die maximale Verkürzung der Arbeitslänge bei einem theoretischen Wert von etwa 36 % liegt. Wenn die Verkürzung der Arbeitslänge bspw. mit etwa 10 bis 20 % vorgegeben wird, dann kann die Ansprechzeit des Stellantriebes noch mit der Maßnahme weiter verkürzt werden, daß der ungenutzte Totraum der Expansionskammer mit entsprechend vorzugsweise etwa 90 bis 80 % mit einem schwimmend angeordneten Kernmaterial ausgefüllt wird, das an der Aufweitung der Expansionskammer nicht teilnehmen soll und dafür durch eine zwischen den Zugankern verspannte Spiralfeder zentriert wird.
Wenn für eine alternative Ausbildung des Stellantriebes die Kraftübertragungshülle anstelle der Ringkörper von einer Zylinderspirale umgeben ist, die endseitig an den beiden Zugankern befestigt sein kann, dann ergibt sich daraus bei der radialen Aufweitung der Expansionskammer eine längs der Antriebsachse völlig vergleichmäßigte Größenveränderung der miteinander kommunizierenden Einzelkammern. Die Einzelkammern passen sich hierbei an eine mit der Zylinderspirale vorgegebene Steigung an, die ihrerseits bei der Erhöhung des Innendruckes für eine radiale Aufweitung der Expansionskammer an die damit erhaltenen Zugkräfte angepasst wird. Der spiralförmige Verlauf der Einzelkammern verändert sich daher stetig bei der Erhöhung der axialen Zugkräfte, die deshalb entsprechend vergleichmäßigt werden.
Weitere Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Stellantriebes ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von zwei Ausführungsformen, die in der Zeichnung schematisch dargestellt sind. Es zeigt
Fig. 1
eine teilweise geschnittene Ansicht des Stellantriebes gemäß einer ersten Ausführungsform mit einer Darstellung seiner Ausgangsposition,
Fig. 2
eine Ansicht des Stellantriebes der Fig. 1 in seiner Arbeitsposition,
Fig. 3
eine Schnittansicht des Stellantriebes nach der Linie III-III in Fig. 1,
Fig. 4
eine Schnittansicht des Stellantriebes nach der Linie IV-IV in Fig. 2,
Fig. 5
eine Schnittansicht des Stellantriebes nach der Linie V-V in Fig. 2,
Fig. 6
eine teilweise geschnittene Ansicht des Stellantriebes gemäß einer zweiten Ausführungsform mit einer Darstellung seiner Ausgangsposition,
Fig. 7
eine Ansicht des Stellantriebes der Fig. 6 in seiner Arbeitsposition und
Fig. 8
eine Schnittansicht des Stellantriebes nach der Linie VIII-VIII in Fig. 6.
Für die beiden in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsformen eines Stellantriebes, mit dem eine Umwandlung der Energie eines Fluids in eine mechanische Kraft realisierbar ist, ist die dafür bereitzustellende Versorgungsquelle für das Arbeitsfluid nicht gezeigt. Als Arbeitsfluid wird bspw. Druckluft verwendet, die am Arbeitsort des Stellantriebes über eine angeschlossene Versorgungsleitung herangeführt wird.
Der Stellantrieb der Fig. 1 bis 5 ist mit einer rohrförmigen Expansionskammer 1 ausgebildet, die an ihren beiden Enden durch den axialen Mittelteil von zwei Zugankern 2 und 3 verschlossen ist. Die beiden Zuganker 2, 3 sind mit den Enden der Expansionskammer 1 formschlüssig verbunden. Jede der beiden Formschlußverbindungen 4 und 5 ist damit erhalten, daß das über dem axialen Mittelteil des zugeordneten Zugankers 2, 3 übergeschobene Rohrende mit einem Faden mehrfach so stark umwickelt ist, daß bei dem maßgeblichen Arbeitsdruck der Expansionskammer 1 der Formschluß mit den Zugankern 2,3 nicht zerstört wird und eine Dichtheit der Expansionskammer 1 gewährleistet wird. Der Formschluß für niedrige Arbeitsdrücke auch durch einen Kraftschluß ersetzt sein, wobei seine spezielle Ausbildung auch durch andere Maßnahmen verwirklicht werden kann.
Die Expansionskammer 1 ergibt das eigentliche Stellglied des Stellantriebes und besteht dafür aus einem elastischnachgiebigen Material, welches nach der Zuleitung der Druckluft oder alternativ eines anderen Arbeitsfluids über einen der beiden Zuganker 2, 3 durch den damit an die Innenwand der Expansionskammer 1 vermittelten Innendruck eine im wesentlichen radial ausgerichtete Verformung erfährt. Diese Verformung ist in Fig. 2 für eine Ausführungsform des Stellantriebes veranschaulicht, bei welcher die Expansionskammer 1 durch übergeschobene Ringkörper 6, die über die wirksame Länge der Expansionskammer 1 mit einem gleichen gegenseitigen Abstand aneinandergereiht sind, in miteinander kommunizierende Einzelkammern 1' unterteilt ist, deren radiale Aufweitung somit auf den axialen Zwischenraum zwischen den Ringkörpern 6 begrenzt ist. In der Expansionskammer 1 ist eine Spiralfeder 7 angeordnet, welche zwischen den beiden Zugankern 2, 3 verspannt ist und ein Kernmaterial 8 umgibt, das in der Expansionskammer 1 schwimmend angeordnet ist. Das Kernmaterial 8 wird in der Ausgangsposition des Stellantriebes durch die Spiralfeder 7 berührungsfrei mit der Innenwand der Expansionskammer 1 gehalten. Die Spiralfeder 7 zentriert das Kernmaterial 8 im Innern der Expansionskammer 1 und sichert seine schwimmende Anordnung bei der Zuleitung der Druckluft. Durch eine Linienberührung der Spiralfeder 7 mit der Innenwand der Expansionskammer wird gleichzeitig garantiert, daß sich das Arbeitsfluid gleichmäßig in die Einzelkammern 1' verteilt und somit diese Einzelkammern 1' eine gemeinsame Aufweitung erfahren können. Bei dieser Aufweitung übernimmt das Kernmaterial 8 lediglich die passive Rolle der Ausfüllung eines Totraumes, der bei der Füllung der Expansionskammer 1 mit dem Arbeitsfluid für die Verformung des elastisch-nachgiebigen Materials nicht benötigt wird. Der anfängliche Nutzraum sollte zweckmäßig auf etwa 10 bis 20 % des gesamten Füllvolumens der Expansionskammer beschränkt sein, um ein sicheres und wirtschaftliches Arbeiten des Stellantriebes zu garantieren.
Der Stellantrieb wird weiter vervollständigt durch eine äußere Kraftübertragungshülle 9, welche die Expansionskammer 1 umgibt und aus einem flexiblen, jedoch nicht streckbaren Fadenmaterial besteht. Dieses Fadenmaterial ist mit einem Endlosfaden gebildet, der für eine mehrlagige Umhüllung der Expansionskammer 1 im Hin- und Hergang um die beiden Zuganker 2 und 3 umgelenkt ist. Die Umlenkung des Endlosfadens ist über Umlenkarme 10 vorgenommen, welche zu dem axialen Mittelteil jedes Zugankers 2, 3 radial ausgerichtet sind. Um eine einfache Umwicklung der bei den beiden Zugankern 2 und 3 sternförmig angeordneten Umlenkarme 10 zu erhalten, ist die formschlüssige Verbindung der Zuganker 2, 3 an ihrem axialen Mittelteil mit den Enden der Expansionskammer 1 zweckmäßig so getroffen, daß die Umlenkarme 10 des einen Zugankers 2 zu den Umlenkarmen 10 des anderen Zugankers 3 auf Lücke versetzt sind. Diese Anordnung stellt gleichzeitig sicher, daß die mit dem Endlosfaden erhaltene Kraftübertragungshülle 9 zu einem dichten Paket aus längs verlaufenden Fäden geschlossen wird. Bei der Aufweitung der miteinander kommunizierenden Einzelkammern 1' wird die Dichte des Paketes beibehalten, wie es die Querschnitte der Fig. 3 und 4 verdeutlichen. Damit wird sichergestellt, daß bei der Aufweitung der Einzelkammern 1' durch die Kraftübertragungshülle 9 eine auf die Achse der Zuganker 2 und 3 konzentrierte Kraft übertragen wird, die eine Verkürzung der Ausgangslänge l0 zu einer Arbeitslänge l1 ergibt. Es wird folglich eine korrespondierende Annäherung der beiden Zuganker 2 und 3 entlang der gemeinsamen Längsachse 11 erhalten. Diese Annäherung erzeugt wegen des flexiblen, jedoch nicht streckbaren Fadenmaterials der Kraftübertragungshülle 9 axiale Zugkräfte. Die Druckenergie des Fluids, das in die Expansionskammer 1 zugeleitet wird, wird daher in solche axiale Zugkräfte übersetzt. Die Längsachse 11 ergibt damit eine maßgebliche Antriebsachse des Stellantriebes, der in dieser Längsachse 11 mit einem beliebigen Stellorgan verbunden werden kann. Bei einer pneumatischen Ausbildung des Stellantriebes kann so mit einem Arbeitsdruck von bspw. etwa 8 bar eine axiale Zugkraft von etwa 6 kN erzeugt werden, wobei gleichzeitig nur etwa 10 bis 20 % anfängliches Nutzvolumen der Expansionskammer 1 vorzugeben ist.
Bei der in den Fig. 6 bis 8 dargestellten zweiten Ausführungsform des Stellantriebes ist die Expansionskammer 1 für die Ausübung eines Innendruckes durch das über einen Anschluß 2' des einen Zugankers 2 zugeleitete Arbeitsfluid gemeinsam mit einem Kernmaterial 12 mit den beiden Zugankern 2, 3 formschlüssig verbunden. Bei dem Zuganker 2 wird die eine Formschlußverbindung 4' damit erhalten, daß die zugeordneten axialen Enden der Expansionskammer 1 und des Kernmaterials 12 fluiddicht miteinander verbunden und in eine axiale Ausbohrung des axialen Mittelteils des Zugankers 2 eingepreßt und darin verklebt sind. Bei dem Zuganker 3 ist eine entsprechende Formschlußverbindung 5' damit erhalten, daß die Expansionskammer 1 und das Kernmaterial 12 an ihren Stirnflächen mit der Stirnfläche des Zugankers 3 verklebt sind. Grundsätzlich kann diese Formschlußverbindung 5' aber auch gleich ausgebildet werden wie die Formschlußverbindung 4', also mit einer in dem axialen Mittelteil des Zugankers 3 ausgebildeten Ausbohrung, in welcher die miteinander fluiddicht verbundenen Enden der Expansionskammer 1 und des Kernmaterials 12 eingepreßt und darin verklebt sind.
Das Kernmaterial 12 besteht aus einem gleichen oder annähernd gleichen elastisch-nachgiebigen Material wie die Expansionskammer 1. Dadurch kann bei dieser Ausführungsform auf die Anordnung einer besonderen Spiralfeder verzichtet und der gesamte Hohlraum der Expansionskammer mit dem Kernmaterial ausgefüllt werden, sodaß dessen Hauptlänge mit der umgebendenen Expansionskammer 1 in Berührung gehalten ist. In dieser Berührungsfläche des Kernmaterials mit der umgebenden Expansionskammer ist ein eingearbeiteter Fluidkanal in der Ausbildung wenigstens einer Längsrille 13 vorgesehen, die über eine Mittelbohrung 13' an dem Ende des Zugankers 2 eine Verbindung mit dem Anschluß 2' der Fluidversorgung des Stellantriebes aufweist. Wenn daher das Arbeitsfluid in diesen eingearbeiteten Fluidkanal 13, 13' des Kernmaterials 12 zugeleitet wird, dann wird eine im wesentlichen radial ausgerichtete Verformung der Expansionskammer 1 erhalten, welche an eine äußere Kraftübertragungshülle 9 übertragen wird.
Die Kraftübertragungshülle 9 besteht aus einem Endlosfaden, welcher im Hin- und Hergang über die beiden Zuganker 2, 3 umgelenkt ist und die Expansionskammer 1 mehrlagig umgibt. Weil das Kernmaterial 12 mit der Expansionskammer 1 in Berührung gehalten und gemeinsam mit der Expansionskammer 1 an den axialen Enden mit den beiden Zugankern 2, 3 formschlüssig verbunden ist, ergibt sich dadurch bei der in Fig. 6 gezeigten Anordnung einer Ausgangslänge l0 des Stellantriebes ein einfacherer Wickelvorgang des Endlosfadens als bei der vorbeschriebenen ersten Ausführungsform.
Zur Begrenzung der radialen Aufweitung der Expansionskammer 1 und für deren Unterteilung in miteinander kommunizierende Einzelkammern 1'' ist die Kraftübertragungshülle 9 von einer unelastisch ausgebildeten Zylinderspirale 14 umgeben, die mit ihren Enden an den beiden Zugankern 2, 3 verdrehsicher befestigt ist. Durch die Zylinderspirale 14 erhalten die miteinander kommunzierenden Einzelkammern 1'' der Expansionskammer 1 während der radial ausgerichteten Verformung der Expansionskammer einen der Steigung der Zylinderspirale stetig folgenden spiralförmigen Verlauf längs der Antriebsachse 11 des Stellantriebes. Dadurch wird bei der Verkürzung der Ausgangslänge l0 zu einer Arbeitslänge l1 des Stellantriebes eine optimale Vergleichmäßigung der mit dem Innendruck auf die Antriebsachse 11 übersetzten axialen Zugkräfte erhalten.
Anstelle nur einer Längsrille kann der eingearbeitete Fluidkanal des Kernmaterials 12 auch mehrere solcher Längsrillen mit einer gleichmäßigen Verteilung über den Umfang des Kernmaterials aufweisen. Die Oberfläche des Kernmaterials 12 kann alternativ oder zusätzlich auch mit achsparallel verlaufenden, über den Umfang des Kernmatrials gleich beabstandeten Anritzungen versehen sein. Solche Anritzungen können das Kernmaterial geschmeidiger machen, wenn es während der Verkürzung des Stellantriebes von seiner Ausgangslänge l0 in die Arbeitslänge l1 eine Stauchung erfährt.
Um für die Arbeitslänge l1 des Stellantriebes eine Feinjustierung der axialen Zugkräfte zu erhalten, kann die Expansionskammer 1 noch von einer Manschette 15 umgeben sein. Diese Manschette 15 ist speziell nach Art einer Rohrschelle ausgebildet und besteht aus einem die Kraftübertragungshülle 9 umschlingenden elastisch-nachgiebigen Material, welches an zwei durch Stellschrauben 16 gegeneinander anziehbaren Klemmbacken 17 befestigt ist. Wenn somit durch den Innendruck des Arbeitsfluids die Expansionskammer 1 radial aufgeweitet wird und damit die beiden Zuganker 2, 3 unter Vermittlung der Kraftübertragungshülle 9 gegenseitig angenähert werden, dann folgt die Manschette 15 der radialen Aufweitung der von ihr umgebenen Einzelkammer 1'', bis die Arbeitslänge l1 erreicht ist. Wenn dann die Klemmbacken 17 gegeneinander angezogen werden und somit die Umschlingungslänge der Manschette 15 verkürzt bzw. ihre Öffnungsgröße verkleinert wird, dann wird auf die Einzelkammer 1'' ein dem Innendruck entgegenwirkender Gegendruck ausgeübt. Durch diesen Gegendruck wird die Arbeitslänge l1 des Stellantriebes wieder vergrößert und wird so eine Feinjustierung der axialen Zugkräfte erhalten, die für die Arbeitslänge l1 eingestellt wurden.
Um die im Arbeitsspiel des Stellantriebes auftretenden Querkräfte zu verringern, kann die äußere Kraftübertragungshülle mit einem Gleitmittel getränkt sein, wobei sie dafür dann zweckmäßig mit einem schlauchförmigen Überzug aus einem elastischen Material versehen wird, um ein Entweichen des Gleitmittels zu verhindern.

Claims (18)

  1. Stellantrieb zur Umwandlung der Energie eines Fluids in eine mechanische Kraft, bestehend aus
    einer inneren, im wesentlichen rohrförmigen Expansionskammer (1) aus einem elastisch-nachgiebigen Material, das bei einer Beaufschlagung der Expansionskammer mit einem durch das Fluid vermittelten Innendruck eine im wesentlichen radial ausgerichtete Verformung erfährt; und
    einer äußeren Kraftübertragungshülle (9), welche die Expansionskammer (1) umgibt und aus einem flexiblen, jedoch nicht streckbaren Fadenmaterial besteht und an den axialen Enden der Expansionskammer (1) für die Ausübung von axialen Zugkräften bei der radialen Aufweitung der Expansionskammer (1) verankert ist; wobei
    das Fadenmaterial der äußeren Kraftübertragungshülle (9) mit einem Endlosfaden gebildet ist, der für eine mehrlagige Umhüllung der Expansionskammer (1) im Hin- und Hergang über zwei Zuganker (2, 3) umgelenkt ist, die mit den beiden axialen Enden der Expansionskammer (1) verbunden sind.
  2. Stellantrieb nach Anspruch 1, bei welchem jeder Zuganker (2, 3) mit mehreren Umlenkarmen (10) versehen ist, die zu einem für die Übertragung der axialen Zugkräfte vorgesehenen axialen Mittelteil mit einer radialen Ausrichtung sternförmig angeordnet sind und über welche der Endlosfaden der Kraftübertragungshülle (9) bei der Umlenkung im Hin- und Hergang in der Umfangsrichtung einzeln aufeinanderfolgend sowie abwechselnd bei den Umlenkarmen (10) der beiden Zuganker (2, 3) geführt ist.
  3. Stellantrieb nach Anspruch 2, bei welchem die Vielzahl der Umlenkarme (10) des Zugankers (2) an dem einen Ende der Expansionskammer (1) zu der Vielzahl der Umlenkarme (10) des Zugankers (3) an deren anderem Ende auf Lücke angeordnet ist.
  4. Stellantrieb nach Anspruch 2, bei welchem die axialen Enden der Expansionskammer (1) über die axialen Mittelteile der beiden Zuganker (2, 3) übergeschoben und mit ihnen kraft- oder formschlüssig sowie fluiddicht verbunden sind.
  5. Stellantrieb nach Anspruch 2, bei welchem der Endlosfaden der Kraftübertragungshülle (9) für eine anfängliche, achsparallele Linienberührung mit der Expansionskammer (1) zwischen den Umlenkarmen (10) der beiden Zuganker (2, 3) hin- und hergeführt ist.
  6. Stellantrieb nach Anspruch 1, bei welchem der Endlosfaden der Kraftübertragungshülle (9) für eine Fixierung an den beiden Zugankern (2, 3) mit einem Kunstharz od.dgl. umgossen ist.
  7. Stellantrieb nach Anspruch 1, bei welchem die Expansionskammer (1) durch unelastische Ringkörper (6), die mit einem gleichen gegenseitigen Abstand über die äußere Kraftübertragungshülle (9) übergeschoben sind, in miteinander kommunizierende Einzelkammern (1') unterteilt ist, deren radiale Aufweitung zwischen den beiden endseitigen Zugankern (2, 3) auf den axialen Zwischenraum zwischen den Ringkörpern (6) begrenzt ist.
  8. Stellantrieb nach Anspruch 1, bei welchem in der Expansionskammer (1) eine zwischen den beiden Zugankern (2, 3) verspannte, den axialen Zugkräften entgegenwirkende Spiralfeder (7) angeordnet ist.
  9. Stellantrieb nach Anspruch 1, bei welchem in der Expansionskammer (1) ein deren Füllvolumen für das Fluid verringerndes, an der radialen Aufweitung der Expansionskammer nicht teilnehmendes und durch die Spiralfeder (7) zentriertes Kernmaterial (8) schwimmend angeordnet ist.
  10. Stellantrieb nach Anspruch 9, bei welchem das anfängliche Füllvolumen der Expansionskammer (1) zu wenigstens etwa 65 %, vorzugsweise zu etwa 90 - 80 %, mit dem Kernmaterial (8) ausfüllt ist.
  11. Stellantrieb nach Anspruch 1, bei welchem die Expansionskammer (1) durch eine die Kraftübertragungshülle (9) umgebende Zylinderspirale (14) in miteinander kommunizierende Einzelkammern (1'') unterteilt ist, wobei die Zylinderspirale (14) mit ihren Enden an den beiden Zugankern (2,3) verdrehsicher befestigt ist und bei der Aufweitung der Expansionskammer für die Einzelkammern einen der Steigung der Zylinderspirale folgenden spiralförmigen Verlauf längs der Antriebsachse (11) des Stellantriebes ergibt.
  12. Stellantrieb nach Anspruch 11, bei welchem die Expansionskammer (1) an wenigstens einer ihrer Einzelkammern (1'') von einer Manschette (15) umgeben ist, deren Öffnungsgröße für die Ausübung eines dem Innendruck des Fluids entgegenwirkenden Gegendruckes veränderbar ist, um bei der Arbeitslänge (l1) des Stellantriebes eine Feinjustierung der axialen Zugkräfte zu erhalten.
  13. Stellantrieb nach Anspruch 12, bei welchem die Manschette (15) aus einem die Kraftübertragungshülle (9) umschlingenden elastisch-nachgiebigen Material besteht, welches an zwei Klemmbacken (17) befestigt ist, die für eine Erhöhung des dem Innendruck entgegenwirkenden Gegendruckes durch Stellschrauben (16) gegeneinander anziehbar sind.
  14. Stellantrieb nach Anspruch 11, bei welchem in der Expansionskammer (1) ein Kernmaterial (12) aus einem gleichen oder annähernd gleichen elastisch-nachgiebigen Material wie die Expansionskammer angeordnet ist, das an seinen axialen Enden mit der Expansionskammer (1) fluiddicht verbunden ist und einen an die Fluidversorgung (2') des Stellantriebes angeschlossenen Fluidkanal (13,13') aufweist, der für die Ausübung des Innendruckes in der Expansionskammer (1) mündet.
  15. Stellantrieb nach Anspruch 11, bei welchem wenigstens der eine Zuganker (2) mit einer axialen Ausbohrung versehen ist, in welcher die miteinander fluiddicht verbundenen einen Enden der Expansionskammer (1) und des Kernmaterials (12) für einen Anschluß an die Fluidversorgung (2') des Stellantriebes fluiddicht und formschlüssig eingepreßt sind.
  16. Stellantrieb nach Anspruch 14, bei welchem eine Hauptlänge des Kernmaterials (12) mit der umgebenden Expansionskammer (1) in Berührung gehalten und der eingearbeitete Fluidkanal (13, 13') mit wenigstens einer in der Oberfläche des Kernmaterials mündenden Anschlußbohrung (13') an die Fluidversorgung (2') des Stellantriebes versehen ist.
  17. Stellantrieb nach Anspruch 16, bei welchem die Oberfläche des Kernmaterials (12) mit achsparallel verlaufenden Anritzungen versehen ist.
  18. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei welchem das Fadenmaterial der Kraftübertragungshülle (9) mit einem Gleitmittel getränkt ist, dessen Entweichen durch einen aus einem elastischen Material bestehenden schlauchförmigen Überzug der Kraftübertragungshülle verhindert wird.
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