EP1059459A1 - Fluidbetätigter Drehantrieb - Google Patents

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EP1059459A1
EP1059459A1 EP99111186A EP99111186A EP1059459A1 EP 1059459 A1 EP1059459 A1 EP 1059459A1 EP 99111186 A EP99111186 A EP 99111186A EP 99111186 A EP99111186 A EP 99111186A EP 1059459 A1 EP1059459 A1 EP 1059459A1
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EP
European Patent Office
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hose body
rotary drive
drive according
head pieces
support device
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EP99111186A
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EP1059459B1 (de
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Bernd Lorenz
Ansgar Kriwet
Dieter Dr.Ing. Bergemann
Axel Thallemer
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Festo SE and Co KG
Original Assignee
Festo SE and Co KG
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Priority to EP99111186A priority patent/EP1059459B1/de
Priority to US09/565,317 priority patent/US6360648B1/en
Priority to JP2000173781A priority patent/JP2001012414A/ja
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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
    • 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
    • F15B15/20—Other details, e.g. assembly with regulating devices
    • F15B15/24—Other details, e.g. assembly with regulating devices for restricting the stroke

Definitions

  • the invention relates to a fluid-operated rotary drive, with one extending between two head pieces Hose body, the one attacking the two head pieces Power transmission structure is associated with Fluid exposure to the interior of the hose body relative rotation between the two head pieces evokes.
  • US 3,638,536 already has a fluid-operated one Rotary drive of the type mentioned initially proposed in which the rotational movement by an axially between two headers extending and with an integrated Power transmission structure provided hose body is produced.
  • the tube body is there as a contraction tube designed for the application of internal pressure expands radially and at the same time via the power transmission structure pulls the two head pieces towards each other.
  • the is tapped Angle of rotation relatively small, so that the possible uses this known rotary actuator quickly set limits are and the practical technical benefit in question can be put.
  • the support device choose the axial relative movements between prevented the two head pieces in both axial directions.
  • the invention preferably rotary movements and torques with a defined assignment of operating pressure, Angle of rotation and torque while avoiding axial Movements generated as another dependent variable become.
  • the support device To ensure reliable operation of the rotary drive even then to ensure if the headers are not purely axial Applying forces, it is advantageous to use the support device to be interpreted as being between the two head pieces absorb transverse forces and / or bending moments can. To compensate for these loads, too external institutions are used, for example the objects to be rotated relative to each other, if they are stored accordingly. To a universal To enable the use of the rotary actuator is recommended However, there is also an integration of these support functions into the support device itself.
  • the support device not necessarily as an immediate component of the Rotary drive must be executed. Your function can be corresponding design of the relative to each other to twisted objects themselves or from other suitable external means.
  • the power transmission structure is preferably a strand structure running across a multitude themselves between flexible headers extending the head pieces has, which is in particular helical between extend the two headers and the for the relative Rotational movement when the internal pressure is applied Hose body are responsible. It would be conceivable that Tension strands through warp-like cross strands or through a whatever kind of networking in their relative position to fix. However, it has proven to be particularly beneficial proved the strand structure exclusively running side by side with the same longitudinal orientation To build train lines. Their position is convenient stabilized in that they are at least partially in the tube body are embedded, for example by Vulcanization.
  • the limiting means can be on the outer circumference of the hose body be placed, but will preferably be at least partially and especially completely in the tube body integrated.
  • the connection between the tubular body 2 and a respective one Head piece 3, 4 is designed to be fluid-tight.
  • the Hose body 2 therefore defines together with the two Headers 3.4 an interior 8, which if necessary with the actuating fluid pressure medium, e.g. Compressed air, can be acted upon.
  • the actuating fluid pressure medium e.g. Compressed air
  • the fluid supply is guaranteed by in the interior 8 flowing fluid channel means 12.
  • They contain in the embodiment, one of the two head pieces 3,4, in the present case the rear head piece 4, penetrating Fluid channel 12 ', the outer end of which is schematic indicated connection means 11 to a further Fluid line 13 is connected, via which both a supply as well as a discharge of the print medium with respect to the Interior 8 can be done. It is understood that for the Feeding and removal of the pressure medium if necessary separate fluid channels can be provided.
  • the strand structure 6 could be in relation to the tubular body 2 be formed separately, the latter on the outer circumference completely encloses, for example based on the model the EP 0 161 750 B1. However, this is also preferable in the exemplary embodiment realized design in which the Strand structure 6 at least partially and preferably completely is integrated in the hose body 2.
  • the Tension cords 7 are in the material of the hose body 2 embedded so that the hose body 2 and the power transmission structure 20 form a structural unit that together can be fixed to the head pieces 3.4. Through the attachment the hose body 2 also becomes the force transmission structure 20 fixed to the headers 3.4 so that they can exert 3.4 tensile forces with respect to these head pieces.
  • the support device 18 can thus be seen with regard to the direction of action of the support function assumed by it taking into account the work area of Strand structure 6 can be designed. Occur in operation only Sloping angle "s" above 54.7 °, the support can become preventing the headers from being removed from each other 3.4 limit. However, the angular range lies always below 54.7 °, the design can be made so that only a support to prevent one axial approach takes place. However, it is already over Because of the stability of the rotary drive 1 as such very much reasonable regardless of the helix angle that occurs during operation a support that is always effective in both axial directions to provide, as is the case with the embodiment is.
  • the support elements 22, 23 can also be used to stabilize the Contribute hose body 2 with rotary drive 1 deactivated.
  • the Hose body 2 in the depressurized state of its interior 8 bears coaxially on the outer surfaces of the support elements 22, 23.
  • Suitable channel connections 34 in the head pieces 3.4 ensure the desired fluid access despite everything to the inner surface of the hose body 2.
  • This form of implementation provides that the limitation means 35 around one or more ring-like or belt-like Elements are arranged coaxially to the tubular body 2 are. If there are several elements, one is created axially spaced distribution along the length of the Hose body 2 away. When pressurizing the Hose body 2 are thus only those between adjacent ones Limiting means 35 lying wall areas of the hose body 2 capable of radial expansion. On in this way the tubular body 2 is in the activated state over a bulged outer contour, whereby however the diameter increase compared to the deactivated Condition is much lower than in one Design without means to limit expansion.
  • hose body 2 To specify a certain maximum angle of rotation, you can in the interior 8 of the hose body 2 or radially outside the hose body 2 means may be provided (not shown), the radial deformation of the hose body 2 limit.
  • the means preferably assume a stop function and could therefore also be used as a sling be designated.

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Abstract

Es wird ein fluidbetätigter Drehantrieb vorgeschlagen, der zwei Kopfstücke (3,4) enthält, zwischen denen sich ein Schlauchkörper (2) und eine Kraftübertragungsstruktur (20) erstrecken. Die Kopfstücke (3,4) stützen sich über eine Abstützeinrichtung (18) unter Gewährleistung ihrer relativen Verdrehbarkeit derart aneinander ab, daß sie zur Beibehaltung ihrer axialen Relativposition an einer axialen Relativbewegung im Sinne einer gegenseitigen Annäherung und/oder einer gegenseitigen Entfernung gehindert sind. Bei Druckbeaufschlagung des Innenraumes (8) des Schlauchkörpers (2) wird eine relative Drehbewegung zwischen den beiden Kopfstücken (3,4) hervorgerufen. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen fluidbetätigten Drehantrieb, mit einem sich zwischen zwei Kopfstücken erstreckenden Schlauchkörper, dem eine an den beiden Kopfstücken angreifende Kraftübertragungsstruktur zugeordnet ist, die bei Fluidbeaufschlagung des Innenraumes des Schlauchkörpers eine relative Drehbewegung zwischen den beiden Kopfstücken hervorruft.
Bekannte fluidbetätigte Drehantriebe, wie sie insbesondere in der Pneumatik eingesetzt werden, verfügen beispielsweise über ein starres Gehäuse, in dem ein Kolben axial verschiebbar angeordnet ist, der über Führungsmittel derart mit dem Gehäuse zusammenwirkt, daß er bei der Axialbewegung gleichzeitig eine Drehbewegung ausführt. Diese Drehbewegung wird auf eine drehfest mit dem Kolben bewegungsgekoppelte Stange übertragen, an der somit eine Drehbewegung abgegriffen werden kann, die beispielsweise zur Betätigung eines Ventils herangezogen werden kann. Ein Drehantrieb dieser Art geht aus der DE 44 27 779 C2 hervor.
Nachteilig bei derartigen Drehantrieben ist der zu ihrer Realisierung notwendige hohe mechanische Aufwand, sei es im Zusammenhang mit der Führung des Kolbens oder mit dessen Abdichtung zum Gehäuse. Diese bekannten Drehantriebe sind daher relativ teuer und verschleißanfällig.
Man hat daher in der US 3,638,536 bereits einen fluidbetätigten Drehantrieb der eingangs genannten Art vorgeschlagen, bei dem die Drehbewegung durch einen sich axial zwischen zwei Kopfstücken erstreckenden und mit einer integrierten Kraftübertragungsstruktur versehenen Schlauchkörper erzeugt wird. Der Schlauchkörper ist dort als Kontraktionsschlauch ausgelegt, der sich bei Innendruckbeaufschlagung radial ausdehnt und gleichzeitig über die Kraftübertragungsstruktur die beiden Kopfstücke zueinander zieht. Aufgrund der Ausgestaltung der Kraftübertragungsstruktur als Strangstruktur mit zueinander parallelen, wendelförmig verlaufenden Zugsträngen, hat die axiale Kontraktion zugleich eine relative Drehbewegung zwischen den beiden Kopfstücken zur Folge, die sich zur Betätigung eines zu drehenden Gegenstandes abgreifen läßt. Allerdings ist der abgreifbare Drehwinkel relativ gering, so daß den Einsatzmöglichkeiten dieses bekannten Drehantriebes rasch Grenzen gesetzt sind und der praktische technische Nutzen in Frage gestellt werden kann.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen fluidbetätigten Drehantrieb der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem sich bei kompakten Längenabmessungen größere Drehwinkel realisieren lassen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, daß sich die beiden Kopfstücke über eine Abstützeinrichtung unter Gewährleistung ihrer relativen Verdrehbarkeit derart aneinander abstützen, daß sie zur Beibehaltung ihrer axialen Relativposition an einer axialen Relativbewegung im Sinne einer gegenseitigen Annäherung und/oder einer gegenseitigen Entfernung gehindert sind.
Es wurde festgestellt, daß sich bei einer Fixierung der axialen Relativposition der beiden Kopfstücke, bei gleichzeitiger Gewährleistung des Drehfreiheitsgrades bezüglich der Längsachse, wesentlich größere Drehwinkel realisieren lassen als bei einem als Kontraktionselement ausgelegten Schlauchkörper. Die Beibehaltung der axialen Relativposition gewährleistet eine zwischen den beiden Kopfstücken wirksame Abstützeinrichtung, deren axiale Wirkungsrichtung in Abhängigkeit von der Ausgestaltung der Kraftübertragungsstruktur gewählt werden kann. Es wurde festgestellt, daß sich in Abhängigkeit vom Aufbau der Kraftübertragungsstruktur und unter Berücksichtigung der axial wirksamen Druckbeaufschlagungsflächen der Kopfstücke gewisse Tendenzen zu einem voneinander Entfernen oder zu einem einander Annähern der Kopfstücke einstellen. Diesen Bewegungstendenzen kann dann durch entsprechende Ausgestaltung der Abstützeinrichtung entgegengewirkt werden. Zweckmäßigerweise wird man dabei eine Ausführungsform der Abstützeinrichtung wählen, die axiale Relativbewegungen zwischen den beiden Kopfstücken in beiden Axialrichtungen verhindert. Mit der Erfindung können vorzugsweise Drehbewegungen und Drehmomente mit definierter Zuordnung von Betriebsdruck, Drehwinkel und Drehmoment unter Vermeidung von axialen Bewegungen als weiterer abhängigen Variablen erzeugt werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Um einen zuverlässigen Betrieb des Drehantriebes auch dann zu gewährleisten, wenn auf die Kopfstücke nicht rein axiale Kräfte einwirken, ist es von Vorteil, die Abstützeinrichtung so auszulegen, daß sie zwischen den beiden Kopfstücken auftretende Querkräfte und/oder Biegemomente aufnehmen kann. Zwar könnten zur Kompensation dieser Belastungen auch externe Einrichtungen herangezogen werden, beispielsweise die relativ zueinander zu verdrehenden Gegenstände selbst, wenn diese entsprechend gelagert sind. Um einen universellen Einsatz des Drehantriebes zu ermöglichen, empfiehlt sich jedoch eine Integration auch dieser Abstützfunktionen in die Abstützeinrichtung selbst.
Im übrigen ist auch zu erwähnen, daß die Abstützeinrichtung nicht notwendigerweise als unmittelbare Komponente des Drehantriebes ausgeführt sein muß. Ihre Funktion kann bei entsprechender Ausgestaltung auch von den relativ zueinander zu verdrehenden Gegenständen selbst oder von sonstigen geeigneten externen Mitteln erfüllt werden.
Die Kraftübertragungsstruktur ist vorzugsweise als Strangstruktur ausgeführt, die über eine Vielzahl sich zwischen den Kopfstücken erstreckender biegeflexibler Zugstränge verfügt, die sich insbesondere schraubenwendelförmig zwischen den beiden Kopfstücken erstrecken und die für die relative Drehbewegung bei Innendruckbeaufschlagung des Schlauchkörpers verantwortlich sind. Es wäre denkbar, die Zugstränge durch kettfädenartige Querstränge oder durch eine wie auch immer geartete Vernetzung in ihrer Relativposition zu fixieren. Allerdings hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, die Strangstruktur ausschließlich aus mit gleicher Längsorientierung nebeneinander verlaufenden Zugsträngen aufzubauen. Deren Position wird zweckmäßigerweise dadurch stabilisiert, daß sie zumindest teilweise in den Schlauchkörper eingebettet sind, beispielsweise durch Vulkanisation.
Es wurde festgestellt, daß sich mit einem zylindrischen, nur in einer Richtung gewendelt strang- bzw. fadenverstärkten Elastomerschlauch, dessen Enden an Kopfstücken fixiert sind, welche wiederum in axialer Richtung fixiert und bezüglich der Schlauchlängsachse frei drehbar sind, dem Schlauchinnendruck und dem Schlauchinnenvolumen fest zuordenbare große Drehwinkel und Drehmomente realisieren lassen.
Es wurde festgestellt, daß bei einem anfänglichen, also im drucklosen Zustand des Schlauchkörpers betrachteten Schrägverlauf der Zugstränge von mehr als 54,7° bezüglich der Längsrichtung des Schlauchkörpers bei dessen Druckbeaufschlagung zumindest anfänglich eine Tendenz der Kopfstücke besteht, sich axial voneinander zu entfernen. In diesem Falle kommt eine Abstützeinrichtung zum Einsatz, die zumindest diese axiale Relativbewegung verhindert. Dagegen ist bei einem anfänglichen Schrägverlauf der Zugstränge von weniger als 54,7° bei Druckbeaufschlagung des Schlauchkörpers eine zumindest anfängliche Kontraktionsneigung festzustellen, so daß in einem solchen Falle die Abstützeinrichtung derart ausgeführt werden sollte, daß sie zumindest eine axiale Relativbewegung der beiden Kopfstücke im Sinne einer gegenseitigen Annäherung verhindert. Da sich der Schrägwinkel im Betrieb des Drehantriebes mit zunehmender Verdrehung verringert, empfiehlt sich vor allem dann wenn der anfängliche Schrägverlauf mehr als 54,7° entspricht und im Laufe des Betriebes unter diese Marke fällt, eine in beiden Axialrichtungen wirksame axiale Abstützung zwischen den beiden Kopfstücken.
Als besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, die Strangstruktur so auszulegen, daß der bezüglich der Längsrichtung des Schlauchkörpers gemessene anfängliche Schrägverlauf der Zugstränge im Bereich zwischen 55° und 65° liegt.
Prinzipiell wäre es möglich, die Abstützeinrichtung zumindest teilweise außerhalb des Schlauchkörpers zu installieren. Wesentlich vorteilhafter weil platzsparender ist jedoch eine Unterbringung der Abstützeinrichtung im Innenraum des Schlauchkörpers. Dies hat zudem einen Fluidspareffekt zur Folge, weil das mit Fluid zu befüllende Volumen des Innenraumes des Schlauchkörpers reduziert ist.
Um besonders hohe Drehwinkel zwischen den beiden Kopfstükken realisieren zu können, wird der Schlauchkörper einschließlich der Kontraktionsstruktur mit entsprechend großer Baulänge ausgeführt. Ohne besondere Zusatzmaßnahmen hätte dies jedoch im Betrieb eine meist nicht tolerable große Radialausdehnung des Schlauchkörpers zur Folge. Aus diesem Grund werden bei Drehantrieben mit relativ großer Schlauchkörperlänge dem betreffenden Schlauchkörper zweckmäßigerweise Mittel zugeordnet, die lokal das radiale Aufweiten des Schlauchkörpers bei Innendruckbeaufschlagung beeinflussen und insbesondere behindern und die vorliegend als Begrenzungsmittel bezeichnet seien. Diese Begrenzungsmittel können über die Länge des Schlauchkörpers verteilt angeordnet sein, wobei es sich beispielsweise um Einzelelemente handeln kann, die insbesondere ring- oder gurtartig ausgeführt und koaxial zum Schlauchkörper mit axialem Abstand zueinander angeordnet sind. Dabei kann es sich um starre Ringelemente aus Kunststoffmaterial oder Metall handeln. Denkbar wäre auch eine fadenartige Ausgestaltung aus zugfestem flexiblem Material, beispielsweise Textilmaterial.
Bei einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung sind die Begrenzungsmittel von zumindest einem koaxial zum Schlauchkörper angeordneten Wendelkörper gebildet, der sich gleichsinnig oder gegensinnig zur Strangstruktur schraubenwendelförmig entlang dem Umfang des Schlauchkörpers erstreckt und dessen Gestalt beispielsweise vergleichbar einer Schraubenfeder gewählt werden kann.
Die Begrenzungsmittel können am Außenumfang des Schlauchkörpers plaziert sein, werden jedoch vorzugsweise zumindest teilweise und insbesondere vollständig in den Schlauchkörper integriert.
Um einen vorbestimmten Drehwinkel realisieren zu können, sind ferner zweckmäßigerweise Mittel vorhanden, die die radiale Verformung des Schlauchkörpers begrenzen. Sie können im Innenraum des Schlauchkörpers oder außerhalb desselben plaziert sein und haben vorzugsweise eine Anschlagfunktion.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
Figur 1
in einer Längsschnittdarstellung eine erste Bauform des erfindungsgemäßen Drehantriebes im deaktivierten Zustand bei drucklosem Schlauchkörper, wobei gestrichelt eine mögliche Gestalt des Schlauchkörpers im aktivierten Zustand dargestellt ist, und
Figur 2
eine Seitenansicht des Drehantriebes aus Figur 1 mit blickgemäß Pfeil II in schematischer Darstellung und mit strichpunktierter Andeutung der in Figur 1 auch nur strichpunktiert angedeuteten Kraftübertragungsstruktur.
Der in der Zeichnung allgemein mit Bezugsziffer 1 bezeichnete Drehantrieb wird durch Fluidkraft betätigt, wobei sich als Druckmedium jedes gasförmige oder hydraulische Fluid eignet. Das Ausführungsbeispiel ist zum Betrieb mit Druckluft ausgelegt.
Der Drehantrieb 1 verfügt über zwei mit Abstand zueinander angeordnete Kopfstücke 3,4, die nachstehend zum Zwecke des besseren Verständnisses und ohne damit eine Einschränkung verbinden zu wollen, als vorderes und hinteres Kopfstück 3,4 bezeichnet werden. Zwischen diesen Kopfstücken 3,4 erstreckt sich axial ein flexibler und vorzugsweise gummielastischer Schlauchkörper 2, der zweckmäßigerweise aus Gummi besteht und der sich aus einer oder mehreren Materiallagen zusammensetzen kann.
Mit seinen beiden axialen Endabschnitten ist der Schlauchkörper 2 am jeweils zugeordneten Kopfstück 3,4 befestigt. Diese Befestigung kann an sich auf beliebige Weise erfolgen, wobei beim Ausführungsbeispiel geeignete Klemmvorrichtungen 9 vorgesehen sind. Dabei kann der axiale Endbereich des Schlauchkörpers durch jeweils eine Überwurfmutter 10 am betreffenden Kopfstück 3,4 festgelegt sein.
Die Verbindung zwischen dem Schlauchkörper 2 und einem jeweiligen Kopfstück 3,4 ist fluiddicht ausgeführt. Der Schlauchkörper 2 definiert daher zusammen mit den beiden Kopfstücken 3,4 einen Innenraum 8, der bei Bedarf mit dem zur Betätigung dienenden fluidischen Druckmedium, z.B. Druckluft, beaufschlagbar ist.
Die Fluidbeaufschlagung wird gewährleistet durch in den Innenraum 8 einmündende Fluidkanalmittel 12. Sie enthalten beim Ausführungsbeispiel einen das eine der beiden Kopfstücke 3,4, vorliegend das hintere Kopfstück 4, durchsetzenden Fluidkanal 12', dessen äußeres Ende über schematisch angedeutete Verbindungsmittel 11 an eine weiterführende Fluidleitung 13 angeschlossen ist, über die sowohl eine Zufuhr als auch eine Abfuhr des Druckmediums bezüglich des Innenraumes 8 erfolgen kann. Es versteht sich, daß für die Einspeisung und die Abfuhr des Druckmediums bei Bedarf auch getrennte Fluidkanäle vorgesehen sein können.
Dem Schlauchkörper 2 ist mit koaxialer Ausrichtung eine in Figuren 1 und 2 schematisch strichpunktiert angedeutete Kraftübertragungsstruktur 20 zugeordnet. Sie erstreckt sich axial zwischen den beiden Kopfstücken 3,4, an denen sie befestigt ist. Ihr Aufbau ist so gewählt, daß sie zum einen eine hohe Zugfestigkeit und zum anderen eine hohe Biegeflexibilität aufweist. Dies kann am besten dadurch erreicht werden, daß sie in Übereinstimmung mit dem Ausführungsbeispiel als eine hohlzylindrische Konfiguration einnehmende Strangstruktur 6 ausgeführt ist.
Die Strangstruktur 6 beinhaltet eine Vielzahl von biegeflexiblen, gleichzeitig aber zur Übertragung von Zugkräften zwischen den beiden Kopfstücken 3,4 geeigneten einzelnen Zugsträngen 7, die beispielsweise aus textilen oder metallischen Fasern oder auch aus Kunststoffmaterial bestehen können. Jeder Zugstrang 7 kann aus einer einzelnen Faser gebildet sein, möglich ist aber auch ein mehrfasriger Aufbau, insbesondere in Gestalt mehrerer zu einem Strang verdrillter Einzelfasern.
Die Strangstruktur 6 könnte bezüglich dem Schlauchkörper 2 separat ausgebildet sein, wobei sie letzteren am Außenumfang komplett umschließt, beispielsweise nach dem Vorbild der EP 0 161 750 B1. Vorzuziehen ist jedoch die auch beim Ausführungsbeispiel realisierte Bauform, bei der die Strangstruktur 6 zumindest teilweise und vorzugsweise vollständig in den Schlauchkörper 2 integriert ist. Die Zugstränge 7 sind in das Material des Schlauchkörpers 2 eingebettet, so daß der Schlauchkörper 2 und die Kraftübertragungsstruktur 20 eine Baueinheit bilden, die gemeinsam an den Kopfstücken 3,4 festlegbar ist. Durch die Befestigung des Schlauchkörpers 2 wird auch die Kraftübertragungsstruktur 20 an den Kopfstücken 3,4 fixiert, so daß sie bezüglich diesen Kopfstücken 3,4 Zugkräfte ausüben kann.
Die Kraftübertragungsstruktur 20 ist derart ausgelegt, daß sie bei Fluidbeaufschlagung des Innenraumes 8 eine relative Drehbewegung zwischen den beiden Kopfstücken 3,4 bezüglich der Längsachse 14 des Schlauchkörpers 2 hervorruft. Ferner ist eine Abstützeinrichtung 18 vorhanden, über die sich die beiden Kopfstücke 3,4 unter Gewährleistung ihrer relativen Verdrehbarkeit in axialer Richtung aneinander abstützen. Die Abstützfunktion ist so gewählt, daß die beiden Kopfstücke 3,4 ungeachtet des momentanen Betriebszustandes des Drehantriebes 1, also unabhängig vom Grad der Druckbeaufschlagung des Innenraumes 8, ihre axiale Relativposition beibehalten.
Beim Ausführungsbeispiel ist der Aufbau der Abstützeinrichtung 18 so gewählt, daß sie die beiden Kopfstücke 3,4 an jeglicher axial orientierten Relativbewegung hindert. Die Kopfstücke 3,4 können sich also weder gegenseitig annähern noch voneinander entfernen.
Im deaktivierten Zustand des Drehantriebes 1, also bei drucklosem Innenraum 8, nehmen der Schlauchkörper 2 und die Kraftübertragungsstruktur 20 die aus Figuren 1 und 2 ersichtliche hohlzylinderähnliche Konfiguration ein. Bei Einspeisung eines unter Überdruck stehenden Druckmediums in den Innenraum 8 weitet sich der gummielastische Schlauchkörper 2 radial auf, wie dies in Figur 1 bei 21 in gestrichelten Linien exemplarisch angedeutet ist. Dies hat gleichzeitig eine radiale Beaufschlagung der Kraftübertragungsstruktur 20 zur Folge, die aufgrund ihrer besonderen Strukturierung eine relative Drehbewegung zwischen den beiden Kopfstücken 3,4 um die Längsachse 14 hervorruft. Ist eines der Kopfstücke, wie vorliegend das hintere Kopfstück 4, an einer Haltung 15 drehfest fixiert, führt allein das andere, vorliegend das vordere Kopfstück 3, die Drehbewegung aus. An diesem Kopfstück 3 vorgesehene Kraftübertragungsmittel 25 ermöglichen die Befestigung eines beliebigen Gegenstandes 28, der verdreht werden soll. Der Gegenstand 28 kann beispielsweise ein Maschinenteil oder der Betätigungsschaft eines Drehventils sein.
Bedingt durch die axiale Abstützung der beiden Kopfstücke 3,4 lassen sich exakt reproduzierbar relativ große Drehwinkel realisieren.
Wird der Drehantrieb 1 durch Druckentlastung des Innenraumes 8 deaktiviert, stellen sich die Kopfstücke 3,4 bedingt durch die gummielastische Rückstellkraft des Schlauchkörpers 2 bei fehlendem Lastmoment wieder in die anfängliche relative Drehposition zurück. Es versteht sich, daß auch zusätzliche separate Rückstellmittel vorgesehen werden können, obgleich diese in der Regel nicht erforderlich sind.
Die beispielsgemäße und besonders vorteilhafte Strangstruktur 6 setzt sich ausschließlich aus Zugsträngen 7 zusammen, die sich schraubenwendelförmig mit bezüglich dem Schlauchkörper 2 koaxialer Anordnung und mit untereinander identischer Längs-orientierung zwischen den beiden Kopfstücken 3,4 erstrecken. In Seitenansicht gemäß Pfeil II oder in einer Abwicklung gesehen, ergibt sich somit zwischen der Längsrichtung der Zugstränge 7 und der Längsrichtung des Schlauchkörpers 2 ein Schrägverlauf, der in Figur 2 bei "s" als Schrägwinkel markiert ist. Dabei ist zweckmäßigerweise vorgesehen, daß der anfängliche Schrägverlauf, also der bei überdrucklosem Innenraum 8 und hohlzylindrischer Ausrichtung des Schlauchkörpers 2 auftretende Schrägwinkel "s", im Bereich zwischen 55° und 65° liegt.
Ausgehend von diesem anfänglichen Schrägverlauf reduziert sich der Schrägwinkel "s" bei zunehmender Druckbeaufschlagung des Innenraumes 8 infolge der radialen Verformung der Zugstränge 7. Daraus resultiert eine schräge Einleitung der Zugkräfte in die Kopfstücke 3,4, die folglich zueinander verdreht werden. Der Drehwinkel und das Drehmoment läßt sich über den im Innenraum 8 eingestellten Innendruck bzw. das in den Innenraum 8 eingeführte Fluidvolumen vorgeben.
Es wurde festgestellt, daß die auf die Kopfstücke 3,4 ausgeübten resultierenden Axialkräfte bei einem momentanen Schrägverlauf der Zugstränge 7 von 54,7° eine Richtungsumkehr unterliegen. Dies hat zur Folge, daß die Kopfstücke 3,4 beim Ausführungsbeispiel außer den die relative Drehbewegung verursachenden Kräften zunächst auch noch Axialkräfte erfahren, die sie im Sinne eines gegenseitigen Entfernens beaufschlagen. Eine dementsprechende Bewegung wird jedoch durch die Abstützeinrichtung 18 verhindert. Verringert sich im Laufe des Betriebes der aktuelle Schrägwinkel des "s" unter die Marke von 54,7°, erfahren die Kopfstücke 3,4 insgesamt eine Axialbeanspruchung im Sinne einer gegenseitigen Annäherung. Auch diese wird jedoch durch die Abstützeinrichtung 18 verhindert.
Gegenseitiges Entfernen resultiert aus dem fluidischen Innendruck und seiner konstanten Wirkfläche an den Schlauchstirnseiten. Gegenseitiges Annähern resultiert aus der Axialkomponente aller Strangzugkräfte an den Endstükken. Diese beiden Wirkungen heben sich auf, wenn der Schrägwinkel an der im Durchmesser dicksten Stelle des Schlauchkörpers jenen Wert 54,7° aufweist.
Ersichtlich kann somit die Abstützeinrichtung 18 hinsichtlich der Wirkungsrichtung der von ihr übernommenen Abstützfunktion unter Berücksichtigung des Arbeitsbereiches der Strangstruktur 6 ausgelegt werden. Treten im Betrieb nur Schrägwinkel "s" über 54,7° auf, kann sich die Abstützung auf ein Verhindern eines gegenseitigen Entfernens der Kopfstücke 3,4 beschränken. Liegt der Winkelbereich hingegen stets unterhalb 54,7°, kann die Auslegung so getroffen werden, daß lediglich eine Abstützung zum Verhindern einer axialen Annäherung stattfindet. Allerdings ist es schon aus Gründen der Stabilität des Drehantriebes 1 als solches sehr sinnvoll, ungeachtet der im Betrieb auftretenden Schrägwinkel eine stets in beiden Axialrichtungen wirksame Abstützung vorzusehen, wie dies beim Ausführungsbeispiel der Fall ist.
Zweckmäßigerweise erfolgt eine Auslegung der Abstützeinrichtung 18 auch dahingehend, daß sie zwischen den beiden Kopfstücken 3,4 auftretende Querkräfte und/oder Biegemomente aufnehmen kann. Die Abstützeinrichtung 18 läßt in diesem Falle zwischen den beiden Kopfstücken 3,4 nur einen einzigen Bewegungsfreiheitsgrad zu, nämlich eine relative Drehbewegung bezüglich der Längsachse 14. Der Drehantrieb 1 ist dann problemlos universell einsetzbar und für vielfältige in der Praxis auftretende Belastungsfälle geeignet.
Prinzipiell könnte die Abstützeinrichtung 18, insbesondere bei kleinen Durchmessern, auch außerhalb des Schlauchkörpers 2 installiert sein. Wesentlich vorteilhafter ist jedoch die auch beim Ausführungsbeispiel realisierte Lösung mit im Innenraum 8 des Schlauchkörpers 2 untergebrachter Abstützeinrichtung 18. Dies ermöglicht kompakte Außenabmessungen und gleichzeitig einen Fluidspareffekt, da das zur Aktivierung des Drehantriebes 1 mit Fluid zu füllende Volumen reduziert ist.
Beim Ausführungsbeispiel enthält die Abstützeinrichtung 18 zwei an jeweils einem der Kopfstücke 3,4 festgelegte und vorzugsweise integral mit diesen Kopfstücken 3,4 ausgebildete Stützelemente 22,23, die koaxial zueinander angeordnet sind und sich jeweils axial in Richtung zum anderen Kopfstück 3,4 erstrecken. Über eine zwischengefügte Lagereinrichtung 29 stützen sich die Stützelemente 22,23 unter Gewährleistung des Drehfreiheitsgrades aneinander ab. Die Lagereinrichtung 29 des Ausführungsbeispieles enthält eine Wälzlagereinrichtung 30 mit einem am einen Stützelement 22 festgelegten Innenring 31 und einem am anderen Stützelement 23 festgelegten Außenring 32, wobei zwischen diesen beiden Ringen insbesondere kugelartige Wälzelemente plaziert sind. Die Fixierung der Ringe 31,32 erfolgt durch geeignete Befestigungsmittel 33, vorliegend in Gestalt von Schraubelementen. Die Wälzlagereinrichtung 30 übernimmt die Funktion eines axialen Zug- und Drucklagers und kann ferner Querkräfte sowie Biegemomente aufnehmen. Lediglich eine Drehbewegung zwischen den beiden Stütz-elementen 22,23 bzw. den mit diesen verbundenen Kopfstücken 3,4 ist möglich.
Die Stützelemente 22,23 können auch zur Stabilisierung des Schlauchkörpers 2 bei deaktiviertem Drehantrieb 1 beitragen. Beim Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß der Schlauchkörper 2 im drucklosen Zustand seines Innenraumes 8 koaxial an den Außenflächen der Stützelemente 22,23 anliegt. Geeignete Kanalverbindungen 34 in den Kopfstücken 3,4 gewährleisten trotz allem den gewünschten Fluidzugang zur Innenfläche des Schlauchkörpers 2.
Der Drehantrieb 1 sollte möglichst so ausgelegt werden, daß die Durchmesserdifferenz des Schlauchkörpers 2 im Betrieb nicht mehr als 100 % beträgt. Andererseits läßt sich eine über das schon vorhandene hohe Winkelmaß hinausgehende Vergrößerung der realisierbaren Drehwinkel nur durch eine axiale Verlängerung des Schlauchkörpers 2 und der Kraftübertragungsmttel 25 erzielen. Um diese Bedingungen miteinander zu vereinbaren, können daher dem Schlauchkörper 2 Mittel zugeordnet sein, die sein radiales Aufweiten bei Druckbeaufschlagung lokal beeinflussen und insbesondere verhindern. Diese Mittel seien vorliegend als Begrenzungsmittel bezeichnet, sie sind in Figur 1 strichpunktiert bei 35 in einer möglichen Realisierungsform angedeutet.
Diese Realisierungsform sieht vor, daß es sich bei den Begrenzungsmitteln 35 um ein oder mehrere ring- oder gurtartige Elemente handelt, die koaxial zum Schlauchkörper 2 angeordnet sind. Sind mehrere Elemente vorhanden, erfolgt eine axial beabstandete Verteilung über die Länge des Schlauchkörpers 2 hinweg. Bei einer Druckbeaufschlagung des Schlauchkörpers 2 sind somit nur die zwischen benachbarten Begrenzungsmitteln 35 liegenden Wandbereiche des Schlauchkörpers 2 zu einer radialen Ausdehnung in der Lage. Auf diese Weise verfügt der Schlauchkörper 2 im aktivierten Zustand über eine mehrfach ausgebauchte Außenkontur, wobei jedoch die Durchmesservergrößerung im Vergleich zum deaktivierten Zustand wesentlich geringer ist als bei einer Bauform ohne Mittel zur Aufweitungsbegrenzung.
Bei einer nicht dargestellten Alternativ-Bauform können die Begrenzungsmittel mindesten einen sich koaxial zum Schlauchkörper 2 erstreckenden schraubenwendelförmig gestalteten Wendelkörper enthalten. Dieser Wendelkörper könnte die Gestalt einer Schraubenfeder haben, die koaxial zum Schlauchkörper 2 angeordnet ist.
Gleichsinnig zur Strangstruktur (aber mit deutlich größerer Steigung bzw. deutlich geringerem Schrägverlauf) gewundene Begrenzungsmittel 35 bewirken eine lokal reduzierte Aufweitung des Innenraumes, gegensinnig zur Strangstruktur (ebenfalls mit deutlich größerer Steigung bzw. deutlich geringerem Schrägverlauf) gewundene Begrenzungsmittel 35 bewirken eine lokale Einschnürung des Innenraumes.
Bei allen Ausführungsformen können die Begrenzungsmittel wie im Ausführungsbeispiel an der radialen Außenfläche des Schlauchkörpers 2 plaziert sein. Eine vorteilhaftere Bauform sieht jedoch eine zumindest teilweise und vorzugsweise vollständige Integration der Begrenzungsmittel 35 in die Wandung des Schlauchkörpers 2 vor. Es wäre auch denkbar, die Begrenzungsmittel 35 in die Kraftübertragungsmittel 25 zu integrieren und bei einer Ausgestaltung als Strangstruktur 6 eine geeignete Verknüpfung der Begrenzungsmittel 35 mit den einzelnen Zugsträngen 7 vorzusehen. Speziell in diesem Falle bietet es sich an, die Begrenzungsmittel 35 ebenfalls in Form biegeflexibler und beispielsweise fadenähnlicher Strangelemente auszuführen, wobei wie im Falle der Stangstruktur 6 ein textiler Aufbau denkbar wäre. Gleichwohl können die Begrenzungsmittel 35 auch aus einem insgesamt starren Material bestehen, beispielsweise aus entsprechend hartem Kunststoff oder aus Metall.
Um einen bestimmten maximalen Drehwinkel vorzugeben, können im Innenraum 8 des Schlauchkörpers 2 oder radial außerhalb des Schlauchkörpers 2 Mittel vorgesehen sein (nicht dargestellt), die die radiale Verformung des Schlauchkörpers 2 begrenzen. Die Mittel übernehmen vorzugsweise eine Anschlagfunktion und könnten daher auch als Anschlagmittel bezeichnet werden.
Denkbar wären Anschlagmittel zur Drehwinkelbegrenzung durch Begrenzung der Durchmesseraufweitung des Schlauchkörpers 6. Sind gegenläufig zur Strangstruktur 6 gewundene Begrenzungsmittel 35 vorhanden, kann die Anschlagfunktion durch gegenüber dem Innendurchmesser des Schlauchkörpers 2 reduziertem Außendurchmesser der Stützelemente 22,23 realisiert werden. Auch könnten, insbesondere bei kleinen Schlauchkörperdurchmessern, außerhalb des Schlauchkörpers 2 plazierte Anschlagmittel zur direkten Begrenzung der Durchmesseraufweitung herangezogen werden. In allen Fällen können die Anschlagmittel von einer entsprechend ausgestalteten Abstützeinrichtung 18 gebildet sein.

Claims (18)

  1. Fluidbetätigter Drehantrieb, mit einem sich zwischen zwei Kopfstücken (3,4) erstrecken Schlauchkörper (2), dem eine an den beiden Kopfstücken (3,4) angreifende Kraftübertragungsstruktur (20) zugeordnet ist, die bei Fluidbeaufschlagung des Innenraumes (8) des Schlauchkörpers (2) eine relative Drehbewegung zwischen den beiden Kopfstücken (3,4) hervorruft, dadurch gekennzeichnet, daß sich die beiden Kopfstücke (3,4) über eine Abstützeinrichtung (18) unter Gewährleistung ihrer relativen Verdrehbarkeit derart aneinander abstützen, daß sie zur Beibehaltung ihrer axialen Relativposition an einer axialen Relativbewegung im Sinne einer gegenseitigen Annäherung und/oder einer gegenseitigen Entfernung gehindert sind.
  2. Drehantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützeinrichtung (18) so ausgelegt ist, daß sie zwischen den beiden Kopfstücken (3,4) auftretende Querkräfte und/oder Biegemomente aufnehmen kann.
  3. Drehantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftübertragungsstruktur (20) als Strangstruktur (6) ausgeführt ist, die über eine Vielzahl sich zwischen den Kopfstücken (3,4) erstreckender biegeflexibler Zugstränge (7) verfügt.
  4. Drehantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Zugstränge (7) koaxial zum Schlauchkörper (2) schraubenwendelförmig mit untereinander gleicher Längsorientierung zwischen den beiden Kopfstücken (3,4) erstrecken.
  5. Drehantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem bezüglich der Längsrichtung des Schlauchkörpers (2) gemessenen anfänglichen Schrägverlauf der Zugstränge (7) von mehr als 54,7° die Abstützeinrichtung (18) so ausgeführt ist, daß sie zumindest eine axiale Relativbewegung der beiden Kopfstücke (3,4) im Sinne eines gegenseitigen Entfernens verhindert und vorzugsweise eine axiale Relativbewegung der beiden Kopfstücke (3,4) sowohl im Sinne eines gegenseitigen Entfernens als auch im Sinne einer gegenseitigen Annäherung verhindert.
  6. Drehantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem bezüglich der Längsrichtung des Schlauchkörpers (2) gemessenen anfänglichen Schrägverlauf der Zugstränge (7) von weniger als 54,7° die Abstützeinrichtung (18) so ausgeführt ist, daß sie zumindest eine axiale Relativbewegung der beiden Kopfstücke (3,4) im Sinne einer gegenseitigen Annäherung verhindert.
  7. Drehantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der bezüglich der Längsrichtung des Schlauchkörpers (2) gemessene anfängliche Schrägverlauf der Zugstränge (7) im Bereich zwischen 55° und 65° liegt.
  8. Drehantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Abstützeinrichtung (18) im Innenraum (8) des Schlauchkörpers (2) befindet.
  9. Drehantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützeinrichtung (18) mindestens zwei jeweils an einem der beiden Kopfstücke (3,4) vorgesehene und in Richtung zum jeweils anderen Kopfstück (3,4) ragende Stützelemente (22,23) aufweist, die sich in relativ zueinander verdrehbarer Weise aneinander abstützen.
  10. Drehantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß an mindestens einem der Kopfstücke (3,4) Kraftübertragungsmittel (25) vorgesehen sind, die mit einer zu einer Drehbewegung zu veranlassenden Einrichtung drehfest gekoppelt oder koppelbar sind.
  11. Drehantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftübertragungsstruktur (20) zumindest teilweise in die Wandung des Schlauchkörpers (2) integriert ist.
  12. Drehantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schlauchkörper (2) Begrenzungsmittel (35) zugeordnet sind, die sein radiales Aufweiten bei Druckbeaufschlagung seines Innenraumes (8) lokal beeinflussen und insbesondere lokal verhindern.
  13. Drehantrieb nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsmittel (35) über die Länge des Schlauchkörpers (2) verteilt angeordnet sind.
  14. Drehantrieb nach Anspruch 12 oder 13 , dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsmittel über koaxial zum Schlauchkörper angeordnete, ring- oder gurtartige Elemente verfügen.
  15. Drehantrieb nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsmittel (35) mindestens einen sich koaxial zum Schlauchkörper (2) erstreckenden Wendelkörper enthalten.
  16. Drehantrieb nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendelrichtung des Wendelkörpers bei als schraubenwendelförmiger Strangstruktur (6) ausgeführter Kraftübertragungsstruktur (20) gleichsinnig oder gegensinnig zur Wendelrichtung der Strangstruktur (6) verläuft.
  17. Drehantrieb nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsmittel (35) zumindest teilweise in die Wandung des Schlauchkörpers integriert sind.
  18. Drehantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 17, gekennzeichnet durch innerhalb und/oder außerhalb des Schlauchkörpers (2) angeordnete Mittel, die die radiale Verformung des Schlauchkörpers (2) zur Vorgabe eines bestimmten Drehwinkels begrenzen, zweckmäßigerweise indem sie eine Anschlagfunktion ausüben.
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