WO2005090831A1 - Reduktionsgetriebe eines elektrischen stellglieds - Google Patents

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WO2005090831A1
WO2005090831A1 PCT/CH2005/000126 CH2005000126W WO2005090831A1 WO 2005090831 A1 WO2005090831 A1 WO 2005090831A1 CH 2005000126 W CH2005000126 W CH 2005000126W WO 2005090831 A1 WO2005090831 A1 WO 2005090831A1
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gear
locking
self
reduction gear
primary
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PCT/CH2005/000126
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Andreas Furrer
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Belimo Holding Ag
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H57/00—General details of gearing
    • F16H57/02—Gearboxes; Mounting gearing therein
    • F16H57/033—Series gearboxes, e.g. gearboxes based on the same design being available in different sizes or gearboxes using a combination of several standardised units
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F13/00—Details common to, or for air-conditioning, air-humidification, ventilation or use of air currents for screening
    • F24F13/08—Air-flow control members, e.g. louvres, grilles, flaps or guide plates
    • F24F13/10—Air-flow control members, e.g. louvres, grilles, flaps or guide plates movable, e.g. dampers
    • F24F13/14—Air-flow control members, e.g. louvres, grilles, flaps or guide plates movable, e.g. dampers built up of tilting members, e.g. louvre
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    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
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    • Y10T74/00—Machine element or mechanism
    • Y10T74/19—Gearing
    • Y10T74/19949—Teeth
    • Y10T74/19963—Spur

Definitions

  • the invention relates to a reduction gear of an electrically operated actuator for regulating a gas or liquid volume flow, in particular in the field of HVAC, fire or smoke protection.
  • HVAC actuators for the motorization of actuators in heating, ventilation and air conditioning systems (HVAC systems) have been manufactured for more than 30 years. HVAC actuators ensure economical volume flow control of gases or liquids, especially air and water. As a compact unit, they include not only the drive, but also pressure sensors and controllers, all combined in one device.
  • Ventilation systems are increasingly used in buildings, especially residential, office, commercial and industrial buildings, usually combined with fire and smoke protection devices.
  • Volume control with swiveling air flaps plays an important role in ventilation systems.
  • the volume flow is measured with a suitable measuring instrument, for example with the NMV-D2M from Belimo Automation AG, CH-8340 Hinwil, which is designed as a compact unit of drive, pressure sensor and controller, and the measured values are passed on to electronics.
  • a DC24V power supply can be obtained directly, a separate power supply with transformer is no longer necessary.
  • CH 614507 A5 describes an actuator with an electric motor and a gearbox for a ventilation system. It can be plugged onto a flap or valve axis.
  • the last toothed gear element is designed as a toothed segment and is provided with an axially supported hollow axis which is rotatably mounted radially in a base plate of the actuator.
  • the electric motor can remain switched on after reaching end stops which limit the angle of rotation of the tooth segment.
  • the actuator described is used for air dampers, mixer taps and throttle valves in heating and ventilation systems.
  • the reduction or reduction gear described is device-specific.
  • the invention has for its object to provide a reduction gear of the type mentioned, which is more flexible, reduces manufacturing and storage costs, but provides the same performance at about the same operating costs.
  • a modular reduction gear comprises a primary gear with at least one drive motor and a secondary gear with an output, with self-locking being integrated, and the gear modules being releasably connected to one another.
  • 36 combinations of reduction gears for electrical actuators can be put together with 6 primary gears and 6 secondary gears, 30 combinations with 3 primary gears and 10 secondary gears.
  • Self-locking in the present sense occurs when an actuator, i.e. a flap, a valve, in particular a ball valve or a lift valve, has reached the end position and the electric motor is switched off. In this situation, the gear must remain stable and must not shift if the gas or liquid volume flow flows differently. This situation corresponds to a self-locking screw.
  • an actuator i.e. a flap, a valve, in particular a ball valve or a lift valve
  • the self-locking between the primary and secondary gear can be a non-switchable or switchable clutch.
  • the self-locking is preferably designed as a torque-limiting clutch, in particular as a friction clutch or other brake clutch.
  • a torque-limiting clutch in particular as a friction clutch or other brake clutch.
  • the self-locking in the axial direction is compressed in accordance with the friction force to be generated, while the torsionally rigid self-locking is relaxed with respect to a torque.
  • the torsionally rigid self-locking is tensioned; after turning by an angle of a few degrees, the self-locking begins to grind at the location of the slightest resistance until the drive motor is switched off, then the self-locking blocks immediately.
  • any other, equivalent one Be designed clutch in particular a corresponding magnetic clutch.
  • the term "grinding" is also used for a magnetic coupling.
  • the self-locking with respect to the axial direction can have a friction surface on both sides.
  • the resistance to torque is expediently not the same, but different. This is achieved by friction radii of different sizes from the axis of rotation of the gear wheels in question. It can be deduced from the lever law that, with the same coefficient of friction and the same pressure, the friction surface with the smaller radius r starts to grind in front of the friction surface with the larger radius R. The same applies - as already indicated - to a magnetic coupling.
  • the larger friction radius R is usually assigned to the primary gear, the smaller friction radius r to a housing part. Without further measures, the self-locking begins to grind on the housing part.
  • the self-locking is designed as an externally operated switchable clutch.
  • bolts or cams can be inserted in the area of the smaller friction radius r to lock the self-locking.
  • the self-locking begins to grind in the area of the larger friction radius R when the drive motor of the primary gear is switched on. This switching takes place when a higher resistance is required.
  • the first free-running gearwheel with the primary gear can be firmly connected to the self-locking device and have a housing part in the area of a small and a large friction radius, bearing surfaces for the self-locking device, but at different levels.
  • One friction surface is located on an axially displaceable lifting bolt, the other friction surface is arranged concentrically in a ring.
  • a spring plate can be lifted off the outer, annular friction surface and is now on the bolt itself. Because of the different friction radii R, r, the self-locking becomes much less.
  • the self-locking preferably comprises a torsionally rigid locking spring which can be tensioned in the axial direction of the gearwheels and which is preferably designed as a conical compression spring, coil spring or leaf spring.
  • the different friction radii R, r are achieved by spring legs of different lengths.
  • Self-locking i.e. the friction resistance can be increased by increasing the pressure in the axial direction.
  • the pressure is increased equally for both radii R, r, but has different effects due to the different length of the radius or lever arm.
  • the primary and secondary gears are expediently decoupled so that each can rotate freely. This is expediently carried out by decoupling a gearwheel which is in contact with the self-locking, preferably by pressing a disengaging button.
  • a potentiometer can be used for position feedback, which can be coupled in the last gear in the direction of the output.
  • a drive motor of known design is used to actuate the primary and thus also the secondary gear, in particular a DC motor, a brushless DC motor, a sensorless DC motor or a synchronous motor have proven themselves in use.
  • an energy store can be installed so that the actuator can still be operated in the event of a motor defect.
  • the energy store arranged in the primary transmission is preferably a mechanical spring, a battery or a capacitor.
  • the secondary gear is - also by means known per se - with a drive shaft of a flap, a ball valve or a linear motor for one Lift valve, in particular a plug valve, connected, expediently by means of a coupling module.
  • the other components of the actuator can also be modular, in particular the sensor and COM module, the electronics and the housing, which further increases the advantage of a large variety of devices with a small number of modules.
  • the large variety of devices also has a positive effect on covering a wide variety of applications.
  • the primary unit can be adapted to the electronics platform (large, motor technology).
  • FIG. 1 is a view of a modular primary and secondary transmission with self-locking
  • FIG. 5 is a plan view of a housing part with an inner friction surface. marriage
  • Fig. 6 is a plan view of a spur gear of a primary gear with an outer friction surface
  • Fig. 7 is a cutaway view of a channel with a lift valve.
  • the reduction gear 10 shown in FIG. 1, also called a reduction gear, essentially comprises a primary gear 12 and a secondary gear 14, which are modular and releasably connected to one another.
  • a self-locking device 16 is arranged between a first freely rotating spur gear F and a housing part 60 (FIG. 2), which in the present case comprises a torsionally stiff spring 18 made of spring steel.
  • a relatively underpowered drive motor 20 in the present case a DC motor, which is supported on a support 22, drives an elongated gearwheel E, which is called E-wheel for short, via a motor shaft 24.
  • E-wheel elongated gearwheel
  • This is in engagement with a narrow spur gear of large diameter, which is connected to a gear wheel of small diameter, a pinion, or is formed in one piece (F wheel).
  • F wheel gear wheel of small diameter
  • D-wheel is assigned to the primary gear 12.
  • Another reduction spur gear is assigned to the secondary gear 14, the common longitudinal axis Li is also the longitudinal axis of the escapement spring 18.
  • All gears A to E have parallel axes Li, L 2 , are designed according to the usual design, for example spur gears, worm gears, angular gears, and tooth geometry, they consist of a metal and / or an abrasion-resistant plastic of high mechanical strength. Due to the high reduction ratio, a relatively weak electric drive motor 20 is sufficiently strong.
  • the swivel angle in one way or another Direction, shown with a double arrow 26, can be set precisely. In practice, the maximum swivel angle is 90 °, with respect to the longitudinal axis L 2 the swivel range is in particular between 30 to 90 °.
  • the A-wheel is connected via a coupling module 28 in a non-positive and / or positive manner to a hollow shaft 30 which actuates a flap, a ball valve or a linear motor.
  • the longitudinal axis L 2 runs parallel to the longitudinal axis L ⁇ .
  • the hollow shaft 30 is pivotably mounted via an upper and lower bearing 32, 34 in the housing 58, 60 of a modular actuator indicated in FIG. 2 and is also referred to as an output 36.
  • module-like electronics 38 which, among other things. issued the necessary control commands to the drive motor 20 and an energy store 40 for emergency operation. These commands can also be entered via a manually operable control element 42.
  • An electrical connection 44 is also attached to the housing 58, 60 of the primary transmission 12, which in particular supplies the motor 20 and the energy store 40.
  • the module structure allows i.a. also that several secondary gears 14 can be driven with the same primary gear 12.
  • a manually actuated release button 54 is formed, which can be pressed down manually.
  • the F-wheel is shifted down along the axis Li, which is possible thanks to the spring 18 to the pinion of the F-wheel disengages from the D-wheel.
  • the fact that the spur gear 48 of the potentiometer 52 is also rotated when the secondary gear 14 is actuated in freewheeling is of no importance because of the low resistance.
  • the actuating pin 56 of the release button 54 runs outside the D-wheel.
  • the modular structure of the reduction gear 10 comprising the primary gear 12 and the secondary gear 14, but also the installation of a self-locking device 16.
  • the modular structure of the primary gear 12 and the secondary gear 14 is solved in such a way that the two have detachable fastening means, for example screws or a quick lock, connected modules 12, 14 can be quickly and easily separated from each other.
  • the pinion of the D wheel is disengaged from the C wheel. If a potentiometer 52 with a spur gear 48 is arranged, the latter is also lifted off the pinion of the B wheel.
  • an integrated self-locking device 16 is installed between the F-wheel and a housing part 60.
  • the torsionally rigid locking spring 18 prevents the two-part reduction gear 10 from being able to move out of the defined working position, in the present case due to a sufficient frictional force between the legs of the locking spring 18 and at least one inner surface of the C-wheel and the housing part 60 2, 3, 5 and 6 can be seen.
  • FIG. 2 shows a first detailed embodiment of a self-locking device 16 with a conical spring 18 made of spring steel in the area of the primary gear 12.
  • the gearwheel axis 62 of the F-wheel is held in two housing parts 58, 60, which is also the spring guide for the spring 18.
  • An upper, longer spring leg 64 and a lower, shorter spring leg 66 are formed.
  • the restraining spring 18 is tensioned in the direction of the axis Li, as a result of which the two spring legs 62, 64 are pressed onto the F-wheel or the housing part 60. be pressed, obviously both with the same force.
  • Both spring legs 62, 64 each form a friction surface 68, 70.
  • a bore 74 in the housing part 60 can be closed with a short switching cam 76 of a closure part 72, which corresponds at most to the thickness of the housing part 60.
  • the frictional force of the self-locking device 16 or the locking spring 18 can be increased by closing the bore 74 with a long switching cam 80 of a locking part 78. This protrudes from the housing part 60 and blocks the shorter spring leg 66.
  • the shorter spring leg 66 strikes the long switching cam 80 and cannot rotate any further. Therefore, the longer spring leg 64 must rotate on the friction surface 68, a higher resistance than when both spring legs 64, 66 are freely rotatable must be overcome. Thanks to the switchable self-locking 16, two different self-locking forces are available.
  • FIG. 2 can also be made inverse in that the shorter spring leg 66 rests on the wheel F and the longer spring leg 64 rests on the housing part 60.
  • a switchable self-locking 16 is also possible in this way.
  • the self-locking can also be changed, for example, by inserting spacers between the F-wheel and the housing part 58. Both spring legs 64, 66 are thereby pressed with greater or lesser force onto the F-wheel or onto the housing part 60, which influences the frictional resistance.
  • the self-locking can be changed by coating one or both friction surfaces 68, 70 and / or mechanically roughening, e.g. by corrugation.
  • the self-locking mechanism 16 could also be used for another gear be attached to the F-wheel, but the effect is greater the closer it is to the E-wheel of the drive motor 20.
  • FIG. 3 A self-locking is shown in FIG. 3, in which the helical spring 18 is attached to the wheel F. This can be done, for example, with a spring ring 82.
  • the escapement spring 18 is attached to a spring plate 84, which rests freely on the housing part 60 in the area of the bore 74 and defines the outer friction surface 68.
  • the spring plate 84 In the central area, the spring plate 84 has a coaxial pin 86 which projects downward.
  • a lifting pin 88 which is also coaxial with respect to the longitudinal axis Li, can be raised and lowered in the direction of the double arrow 90, for example by means of an eccentric lever, not shown.
  • the spring plate 84 can thus be lifted off the housing part 60, the inner friction surface 70 is now formed by the pin 86 and the lifting pin 88.
  • the escapement spring 18 also rotates, as does the turntable 84.
  • the frictional resistance is greater or smaller. This self-locking 16 is also switchable.
  • FIG. 4 illustrates the switching over of the self-locking device 16 from FIG. 2.
  • the escapement spring 18 is rotatable about the spring guide, which is the gear axis 62 of the wheel F.
  • the wheel F (FIG. 2) is actuated, the shorter spring leg 66 strikes the long switching cam 80 and thus blocks the rotation of the escapement spring 18, which due to its torsionally rigid design is only deformed by a few degrees. In view of the large reduction ratio, springing back when the drive motor 20 is switched off is therefore insignificant.
  • FIG. 5 shows an annular inner friction surface 70 with a smaller radius r on the housing part 60, of which a disk-shaped cutout is shown.
  • FIG. 6 shows an also annular outer friction surface 68 on the wheel F, which has a larger radius R.
  • FIG. 7 shows the closure of a channel 92 with a lift valve 94, which in the present case is designed as a cone valve.
  • the lift valve 94 can be actuated by means of a linear motor which displaces the valve in the direction of the double arrow 96 in the direction of the longitudinal axis L 3 .
  • the linear motor is not shown.
  • the regulation of an air flow 98 with an inventive reduction gear 10 (FIG. 1) is indicated. For this purpose, the rotary movement is converted into a linear movement.

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Abstract

Ein Reduktionsgetriebe (10) eines elektrisch betriebenen Stellglieds zur Regelung eines Gas- oder Flüssigkeitsvolumenstroms (98), insbesondere auf dem Gebiet HLK, Brand- oder Rauchschutz, umfasst ein modular aufgebautes Reduktionsgetriebe (10). Dieses besteht im wesentlichen aus einem Primärgetriebe (12) mit wenigstens einem Antriebsmotor (20) und einem Sekundärgetriebe (14) mit einem Abtrieb (36). Weiter ist eine Selbsthemmung (16) in das Primärgetriebe (12) integriert. Die Getriebemodule (12,14) sind lösbar Miteinander verbunden, insbesondere sind für das Primärgetriebe (12) verschiedene Sekundärgetriebe (14) einsetzbar. Ein erfindungsgemässes Reduktionsgetriebe (10) wird besonders vorteilhaft ergänzt durch ein modular aufgebautes Stellglied mit einem modularen Gehäuse, einer modularen Elektronik (38), einem Sensor- und COM-Modul und einem Koppelmodul (28).

Description

Reduktionsgetriebe eines elektrischen Stellglieds
Die Erfindung bezieht sich auf ein Reduktionsgetriebe eines elektrisch betriebenen Stellglieds zur Regelung eines Gas- oder Flüssigkeitsvolumenstroms, insbesondere auf dem Gebiet HLK, Brand- oder Rauchschutz.
Elektrische Stellantriebe für die Motorisierung von Stellgliedern in Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (HLK-Anlagen) werden seit mehr als 30 Jahren hergestellt. HLK-Stellglieder gewährleisten eine wirtschaftliche Volumenstromregelung von Gasen oder Flüssigkeiten, insbesondere von Luft und Wasser. Als kompakte Einheit umfassen sie nicht nur den Antrieb, sondern auch Druckfühler und Regler, alles in einem Gerät vereint.
Belüftungssysteme werden zunehmend in Gebäuden, insbesondere Wohn-, Büro-, Gewerbe- und Industriebauten, eingesetzt, in der Regel kombiniert mit Brand- und Rauchschutzeinrichtungen. In Belüftungsanlagen spielt die Volumenstromregelung mit schwenkbaren Luftklappen eine wesentliche Rolle. Der Volumenstrom wird mit einem geeigneten Messinstrument gemessen, beispielsweise mit dem als kompakte Einheit von Antrieb, Druckfühler und Regler ausgebildeten NMV-D2M der Belimo Automation AG, CH-8340 Hinwil, und die Messwerte an eine Elektronik weitergegeben.
In modernen Haustechnikanlagen stehen heute neben Wechselstrom- immer mehr Gleichstromgeräte im Einsatz. Eine DC24V-Stromversorgung kann direkt bezogen werden, eine separate Spannungsversorgung mit Trafo ist nicht mehr notwendig.
Zum Bewegen einer Klappe in einem Belüftungssystem oder eines Kugelhahns in einem Wasserleitungssystem müssen verhältnismässig schwache Motoren grossflächige oder grossvolumige Regelorgane betätigen. Eine präzise und stabile Verstellung ist nur mit einer überaus starken Untersetzung möglich. Für das Schwenken einer Klappe oder das Drehen eines Kugelhahns um einen spitzen oder rechten Winkel sind zahlreiche Umdrehungen der Welle des Elektromotors notwendig. Die Elektronik erarbeitet die Steuersignale und steuert den Elektromotor an.
In der CH 614507 A5 wird ein Stellantrieb mit einem Elektromotor und einem Getriebe für eine Belüftungsanlage beschrieben. Er ist auf eine Klappen- bzw. Ventilachse aufsteckbar. Das letzte gezahnte Getriebeelement ist als Zahn- segment ausgebildet und mit einer in einer Grundplatte des Stellantriebs drehbar radial gelagerten, axial gehalterten Hohlachse versehen. Der Elektromotor kann nach dem Erreichen von Endanschlägen, welche den Drehwinkel des Zahnsegments beschränken, eingeschaltet bleiben. Der beschriebene Stellantrieb findet Verwendung bei Luftklappen, Mischhähnen und Drosselklappen in Heizungs- und Lüftungsanlagen. Das beschriebene Reduktions- bzw. Untersetzungsgetriebe ist apparatespezifisch.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Reduktionsgetriebe der eingangs genannten Art zu schaffen, welches flexibler einsetzbar ist, die Herstellungs- und Lagerhaltungskosten vermindert, aber die gleiche Leistung zu etwa gleichen Betriebskosten erbringt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass ein modular aufgebautes Reduktionsgetriebe ein Primärgetriebe mit wenigstens einem Antriebs- motor und ein Sekundärgetriebe mit einem Abtrieb umfasst, wobei eine Selbsthemmung integriert ist, und die Getriebemodule lösbar miteinander verbunden sind. Spezielle und weiterbildenden Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Patentansprüchen.
Die beliebige Kombinierbarkeit von modular ausgebildeten Primär- und Sekundärgetrieben erlaubt nach den Regeln der Kombinatorik folgende Anzahl K von Kombinationen: K = n • m n = Anzahl Primärgetriebe m = Anzahl Sekundärgetriebe
So können beispielsweise mit 6 Primärgetrieben und 6 Sekundärgetrieben 36 Kombinationen von Reduktionsgetrieben für elektrische Stellglieder zusammengesetzt werden, mit 3 Primärgetrieben und 10 Sekundärgetrieben 30 Kom- binationen.
Eine Selbsthemmung im vorliegenden Sinne tritt ein, wenn ein Betätigungsorgan, d.h. eine Klappe, ein Ventil, insbesondere ein Kugelhahn oder ein Hubventil, die Endposition erreicht hat und der Elektromotor ausgeschaltet ist. In dieser Situation muss das Getriebe positionsstabil bleiben und darf sich nicht verschieben, wenn der Gas- oder Flüssigkeitsvolumenstrom unterschiedlich fliesst. Sinngemäss entspricht diese Situation einer selbsthemmenden Schraube.
Die Selbsthemmung zwischen dem Primär- und Sekundärgetriebe kann eine nicht schaltbare oder schaltbare Kupplung sein.
Die Selbsthemmung ist vorzugsweise als drehmomentbegrenzende Kupplung, insbesondere als Reibkupplung oder andere Bremskupplung, ausgebildet. In Ruhelage ist die in Axialrichtung elastische Selbsthemmung entsprechend der zu erzeugenden Reibkraft zusammengedrückt, die drehsteife Selbsthemmung ist dagegen bezüglich eines Drehmoments entspannt. Beim Einschalten des Antriebsmotors wird die drehsteife Selbsthemmung gespannt, schon nach einem Drehen um einen Winkel von wenigen Grad beginnt die Selbsthemmung am Ort des kleinsten Widerstandes zu schleifen, bis der Antriebsmotor ausgeschaltet wird, dann tritt sofort eine Blockierung durch die Selbsthemmung ein. Anstelle einer mechanischen Reibkupplung kann jede andere, gleichwirkende Kupplung ausgebildet sein, insbesondere eine entsprechende Magnetkupplung. Der Ausdruck „schleifen" wird einfachheitshalber auch für eine Magnetkupplung verwendet.
Nach einer zweiten Variante kann die Selbsthemmung bezüglich der Axialrichtung auf beiden Seiten eine Reibfläche haben. Zweckmässig ist der Widerstand gegen ein Drehmoment nicht gleich gross, sondern unterschiedlich. Dies wird erreicht durch unterschiedlich grosse Reibradien von der Drehachse der betreffenden Zahnräder. Aus dem Hebelgesetz kann abgeleitet werden, dass bei gleichem Reibungskoeffizienten und gleichem Druck die Reibfläche mit dem kleineren Radius r vor der Reibfläche mit dem grösseren Radius R zu schleifen beginnt. Entsprechendes gilt - wie bereits angetönt - für eine Magnetkupplung.
In der Praxis ist der grössere Reibradius R meist dem Primärgetriebe zugeord- net, der kleinere Reibradius r einem Gehäuseteil. Ohne weitere Massnahmen beginnt die Selbsthemmung auf dem Gehäuseteil zu schleifen.
Nach einer weiteren Variante der Erfindung ist die Selbsthemmung als fremdbetätigte schaltbare Kupplung ausgebildet. Zu diesem Zweck können im Be- reich des kleineren Reibradius r Bolzen oder Nocken zum Arretieren der Selbsthemmung eingeschoben werden. Nun beginnt die Selbsthemmung im Bereich des grösseren Reibradius R zu schleifen, wenn der Antriebsmotor des Primärgetriebes eingeschaltet ist. Dieses Umschalten erfolgt, wenn ein grösse- rer Widerstand erforderlich ist.
Nach einer weiteren Ausführungsform kann das erste freilaufende Zahnrad mit dem Primärgetriebe fest mit der Selbsthemmung verbunden sein und ein Gehäuseteil im Bereich eines kleinen und eines grossen Reibradius Auflageflächen für die Selbsthemmung, jedoch auf verschiedenem Niveau, haben. Die eine Reibfläche befindet sich auf einem axial verschiebbaren Hebebolzen, die andere Reibfläche ist konzentrisch ringförmig angeordnet. Mit dem Hebebolzen kann z.B. ein Federteller von der äusseren, ringförmigen Reibfläche abgehoben werden und liegt nun auf dem Bolzen selbst auf. Wegen der verschiedenen Reibradien R, r wird dadurch die Selbsthemmung wesentlich geringer.
Die Selbsthemmung umfasst bevorzugt eine in Axialrichtung der Zahnräder spannbare, drehsteife Hemmfeder, welche vorzugsweise als Kegeldruckfeder, Schraubenfeder oder Blattfeder ausgebildet ist. Die unterschiedlichen Reibradien R, r werden durch verschieden lange Federschenkel erreicht.
Die Selbsthemmung, d.h. der Friktionswiderstand, kann durch Erhöhung des Drucks in axialer Richtung erhöht werden. Der Druck wird bei beiden Radien R, r gleichermassen erhöht, wirkt sich jedoch wegen des verschieden langen Radius bzw. Hebelarms unterschiedlich aus.
Zweckmässig sind das Primär- und das Sekundärgetriebe entkoppelbar, damit jedes für sich frei drehen kann. Dies erfolgt zweckmässig durch Entkoppeln eines der Selbsthemmung anliegenden Zahnrades, vorzugsweise durch Drücken einer Ausrasttaste.
Für eine Stellungsrückmeldung kann beispielsweise ein Potentiometer einge- setzt werden, welches das in Richtung des Abtriebs letzte Zahnrad einkoppel- bar ist. Zur Betätigung des Primär- und damit auch des Sekundärgetriebes wird ein Antriebsmotor an sich bekannter Bauart eingesetzt, insbesondere ein DC- Motor, ein bürstenloser DC-Motor, ein sensorloser DC-Motor oder ein Synchronmotor haben sich im Einsatz bewährt.
Mit Blick auf die Betriebssicherheit kann ein Energiespeicher eingebaut werden, damit bei einem Motordefekt das Stellorgan dennoch betätigt werden kann. Vorzugsweise ist der im Primärgetriebe angeordnete Energiespeicher eine mechanische Feder, eine Batterie oder ein Kondensator.
Das Sekundärgetriebe wird - ebenfalls mit an sich bekannten Mitteln - mit einer Antriebswelle einer Klappe, eines Kugelhahns oder eines Linearmotors für ein Hubventil, insbesondere ein Kegelventil, verbunden, zweckmässig mittels eines Koppelmoduls.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung können kurz wie folgt zusammenge- fasst werden:
- Durch den modularen Aufbau des Reduktionsgetriebes aus Primärgetriebe, Sekundärgetriebe und Selbsthemmung kann bei geringer Baugruppenanzahl eine hohe Gerätevielfalt erzielt werden. - Auch die weiteren Bestandteile des Stellglieds können modular ausgebildet sein, insbesondere das Sensor- und COM-Modul, die Elektronik und das Gehäuse, wodurch der Vorteil einer hohen Gerätevielfalt bei geringer Baugruppenanzahl noch erhöht wird. - Die hohe Gerätevielfalt wirkt sich auch zur Abdeckung von unterschied- lichsten Anwendungen positiv aus. - Die Primäreinheit ist an die Elektronikplattform anpassbar (Grosse, Motorentechnologie).
Alle Vorteile der zu hoher Entwicklungsreife gebrachten elektrischen Stellglieder bleiben erhalten.
Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen, welche auch Gegenstand von abhängigen Patentansprüchen sind, näher erläutert. Es zeigen schematisch:
- Fig. 1 eine Ansicht eines modular aufgebauten Primär- und Sekundärgetriebes mit einer Selbsthemmung,
- Fig. 2 eine Selbsthemmung mit einer kegelförmigen Hemmfeder,
- Fig. 3 eine Selbsthemmung mit beiden Reibflächen in Richtung eines Gehäuseteils,
- Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Federführung,
- Fig. 5 eine Draufsicht auf einen Gehäuseteil mit einer inneren Reibflä- ehe,
- Fig. 6 eine Draufsicht auf ein Stirnrad eines Primärgetriebes mit einer äusseren Reibfläche, und
- Fig. 7 eine aufgeschnittene Ansicht eines Kanals mit einem Hubventil.
Das in Fig. 1 dargestellte Reduktionsgetriebe 10, auch Untersetzungsgetriebe genannt, umfasst im wesentlichen ein Primärgetriebe 12 und ein Sekundärgetriebe 14, welche modular ausgebildet und lösbar miteinander verbunden sind. Zwischen einem ersten freidrehenden Stirnrad F und einem Gehäuseteil 60 (Fig. 2) ist eine Selbsthemmung 16 angeordnet, welche vorliegend eine drehsteife Hemmfeder 18 aus Federstahl umfasst.
Ein verhältnismässig leistungsschwacher Antriebsmotor 20, vorliegend ein DC- Motor, welcher auf einem Support 22 abgestützt ist, treibt über eine Motorwelle 24 ein längliches Zahnrad E an, welches kurz E-Rad genannt wird. Dieses steht in Eingriff mit einem schmalen Stirnrad grossen Durchmessers, welche mit einem Zahnrad kleinen Durchmessers, einem Ritzel, verbunden oder einstückig ausgebildet ist (F-Rad). Schliesslich ist noch ein weiteres Untersetzungs-Zahnrad, das D-Rad, dem Primärgetriebe 12 zugeordnet.
Ein weiteres Untersetzungs-Stirnrad, das mit dem F-Rad koaxiale C-Rad, ist dem Sekundärgetriebe 14 zugeordnet, die gemeinsame Längsachse Li ist auch Längsachse der Hemmfeder 18. Über ein letztes axialsymmetrisches Untersetzungs-Stirnrad - das B-Rad - wird ein Segment angetrieben, welches auch als A-Rad bezeichnet wird.
Alle Zahnräder A bis E haben parallele Achsen L-i, L2, sind nach üblicher Bauart, z.B. Stirnzahnräder, Schneckenzahnräder, Winkelzahnräder, und Verzahnungsgeometrie ausgebildet, sie bestehen aus einem Metall und/oder einem abriebfesten Kunststoff hoher mechanischer Festigkeit. Durch das hohe Untersetzungsverhältnis ist ein verhältnismässig schwacher elektrischer Antriebsmotor 20 hinreichend stark. Der Schwenkwinkel in der einen oder anderen Richtung, mit einem Doppelpfeil 26 dargestellt, kann präzis eingestellt werden. Der maximale Schwenkwinkel liegt in der Praxis bei 90°, bezüglich der Längsachse L2 liegt der Schwenkbereich insbesondere zwischen 30 bis 90°.
Das A-Rad ist über ein Koppelmodul 28 kraft- und/oder formschlüssig mit einer Hohlwelle 30 verbunden, welche eine Klappe, einen Kugelhahn oder einen Linearmotor betätigt. Die Längsachse L2 verläuft parallel zur Längsachse L^ Die Hohlwelle 30 ist über ein oberes und unteres Lager 32, 34 im in Fig. 2 angedeuteten Gehäuse 58, 60 eines modular aufgebauten Stellglieds schwenkbar gelagert und wird auch als Abtrieb 36 bezeichnet.
Für die Ausbildung von Stellgliedern wird beispielsweise auf den Firmenprospekt NEWS VAV NMV-D2M der Firma Belimo Automation AG, CH-8340 Hinwil, verwiesen.
Im Gehäuse 60 des Primärget iebes 12 ist eine ebenfalls modulartige Elektronik 38 angeordnet, welche u.a. die notwendigen Steuerbefehle an den Antriebsmotor 20 und einen Energiespeicher 40 für den Notbetrieb erteilt. Diese Befehle können auch über ein manuell betätigbares Bedienelement 42 eingegeben werden. Am bereits erwähnten Gehäuse 58, 60 des Primärgetriebes 12 ist auch ein elektrischer Anschluss 44 angebracht, welcher insbesondere den Motor 20 und den Energiespeicher 40 versorgt. Der Modulaufbau erlaubt u.a. auch, dass mehrere Sekundärgetriebe 14 mit demselben Primärgetriebe 12 antreibbar sind.
Über ein Stirnrad 48, welches in das Ritzel des Zahnrads B eingreift, wird die Rotationsbewegung über eine Welle 50 zu einem Potentiometer 52 für die Stellungsrückmeldung an die Elektronik 38 übertragen.
Schliesslich ist eine manuell betätigbare Ausrasttaste 54 ausgebildet, welche manuell nach unten gedrückt werden kann. Dabei wird das F-Rad entlang der Achse Li nach unten verschoben, was dank der Hemmfeder 18 möglich ist, bis das Ritzel des F-Rades aus dem D-Rad ausrastet. Dabei entsteht für das Primärgetriebe 12 und das Sekundärgetriebe 14 ein Freilauf ohne Demontage der Module. Dass auch das Stirnrad 48 des Potentiometers 52 mitgedreht wird, wenn das Sekundärgetriebe 14 im Freilauf betätigt wird, ist wegen des geringen Widerstandes ohne Bedeutung. Selbstverständlich verläuft der Betätigungsstift 56 der Ausrasttaste 54 ausserhalb des D-Rades.
Von erfindungswesentlicher Bedeutung ist der modulartige Aufbau des Reduktionsgetriebes 10 aus dem Primärgetriebe 12 und dem Sekundärgetriebe 14, aber auch der Einbau einer Selbsthemmung 16. Der Modulaufbau des Primärgetriebes 12 und des Sekundärgetriebes 14 ist so gelöst, dass die beiden mit lösbaren Befestigungsmitteln, beispielsweise Schrauben oder einem Schnell- verschluss, verbundenen Module 12, 14 schnell und einfach voneinander getrennt werden können. Dabei wird das Ritzel des D-Rades vom C-Rad ausge- rastet. Falls ein Potentiometer 52 mit einem Stirnrad 48 angeordnet ist, wird auch das letztere vom Ritzel des B-Rades abgehoben.
Weiter ist von wesentlicher Bedeutung, dass zwischen dem F-Rad und einem Gehäuseteil 60 eine integrierte Selbsthemmung 16 eingebaut ist. Die drehsteife Hemmfeder 18 verhindert bei richtiger Federstärke und Einstellung, dass sich das zweiteilige Reduktionsgetriebe 10 aus der festgelegten Arbeitsstellung verschieben kann, vorliegend durch eine hinreichende Reibkraft zwischen den Schenkeln der Hemmfeder 18 und wenigstens einer Innenfläche des C-Rades und des Gehäuseteils 60. Details sind aus den Fig. 2, 3, 5 und 6 ersichtlich.
Fig. 2 zeigt eine erste detaillierte Ausführungsform einer Selbsthemmung 16 mit einer kegelförmigen Hemmfeder 18 aus Federstahl im Bereich des Primärgetriebes 12. In zwei Gehäuseteilen 58, 60 ist die Zahnradachse 62 des F-Rades gehaltert, welche gleichzeitig Federführung für die Hemmfeder 18 ist. Es ist ein oberer längerer Federschenkel 64 und ein unterer kürzerer Federschenkel 66 ausgebildet. In Richtung der Achse Li ist die Hemmfeder 18 gespannt, wodurch die beiden Federschenkel 62, 64 auf das F-Rad bzw. den Gehäuseteil 60 ge- drückt werden, offensichtlich beide mit gleicher Kraft. Beide Federschenkel 62, 64 bilden je eine Reibfläche 68, 70. Wenn das E-Rad des Antriebsmotors 20 (Fig.1 ) ein Drehmoment auf das F-Rad ausübt, schleift die Hemmfeder 18 mit dem kürzeren Federschenkel 66 auf der Reibfläche 70. Dies ist mit Blick auf das Hebelgesetz offensichtlich.
In Fig. 2 werden zwei Varianten angedeutet. Eine Bohrung 74 im Gehäuseteil 60 kann nach einer ersten Variante mit einem kurzen Schaltnocken 76 eines Verschlussteils 72, welcher höchstens der Dicke des Gehäuseteils 60 ent- spricht, verschlossen werden. Die Reibkraft der Selbsthemmung 16 bzw. der Hemmfeder 18 kann erhöht werden, indem die Bohrung 74 mit einem langen Schaltnocken 80 eines Verschlussteils 78 verschlossen wird. Dieser übersteht den Gehäuseteil 60 und blockiert den kürzeren Federschenkel 66. Bei einer Betätigung des Primärgetriebes 12 schlägt der kürzere Federschenkel 66 am langen Schaltnocken 80 an und kann nicht weiterdrehen. Deshalb muss der längere Federschenkel 64 auf den Reibfläche 68 drehen, ein höherer Widerstand als bei freier Drehbarkeit beider Federschenkel 64, 66 muss überwunden werden. Dank der schaltbaren Selbsthemmung 16 stehen zwei unterschiedliche Selbsthemmkräfte zur Verfügung.
Offensichtlich kann Fig. 2 auch invers ausgebildet sein, indem der kürzere Federschenkel 66 auf dem Rad F, der längere Federschenkel 64 auf dem Gehäuseteil 60 aufliegt. Eine schaltbare Selbsthemmung 16 ist auch so möglich. Weiter kann die Selbsthemmung geändert werden, indem beispielsweise Dis- tanzhalter zwischen das F-Rad und den Gehäuseteil 58 eingelegt werden. Beide Federschenkel 64, 66 werden dadurch mit grösserer oder kleinerer Kraft auf das F-Rad bzw. auf den Gehäuseteil 60 gedrückt, was den Reibwiderstand beeinflusst. Schliesslich kann die Selbsthemmung dadurch geändert werden, dass eine oder beide Reibflächen 68, 70 beschichtet und/oder mechanisch auf- gerauht werden, z.B. durch eine Riffelung.
Die Selbsthemmung 16 könnte im Prinzip auch bei einem andern Zahnrad als dem F-Rad angebracht sein, die Wirkung ist jedoch umso grösser, je näher sie dem E-Rad des Antriebsmotors 20 benachbart ist.
In Fig. 3 ist eine Selbsthemmung dargestellt, bei welcher die schraubenlinien- förmig ausgebildete Hemmfeder 18 am Rad F befestigt ist. Dies kann beispielsweise mit einem Federring 82 erfolgen. Im unteren Bereich ist die Hemmfeder 18 an einem Federteller 84 befestigt, welcher im Bereich der Bohrung 74 frei auf dem Gehäuseteil 60 aufliegt und die äussere Reibfläche 68 festlegt. Im zentralen Bereich weist der Federteller 84 einen nach unten abste- henden koaxialen Zapfen 86 auf. Ein ebenfalls bezüglich der Längsachse Li koaxialer Hebebolzen 88 ist in Richtung des Doppelpfeils 90 heb- und absenkbar, beispielsweise mittels eines nicht dargestellten Excenterhebels. So kann der Federteller 84 vom Gehäuseteil 60 abgehoben werden, die innere Reibfläche 70 wird nun vom Zapfen 86 und Hebebolzen 88 gebildet. Beim Drehen des Rades F dreht die Hemmfeder 18 mit, ebenfalls der Drehteller 84. Je nach Position des Hebebolzens 88 ist der Reibwiderstand grösser oder kleiner. Diese Selbsthemmung 16 ist ebenfalls schaltbar.
Fig. 4 veranschaulicht die Umschaltung der Selbsthemmung 16 von Fig. 2. Die Hemmfeder 18 ist drehbar um die Federführung, welche die Zahnradachse 62 des Rades F ist, geschlungen. Beim Betätigen des Rades F (Fig. 2) schlägt der kürzere Federschenkel 66 am langen Schaltnocken 80 an und blockiert so die Drehung der Hemmfeder 18, welche dabei dank ihrer drehsteifen Ausbildung nur um wenige Grad deformiert wird. Mit Blick auf die grosse Untersetzung fällt deshalb ein Zurückfedern beim Ausschalten des Antriebsmotors 20 nicht ins Gewicht.
Ebenfalls mit Blick auf Fig. 2 zeigt Fig. 5 eine ringförmige innere Reibfläche 70 mit einem kleineren Radius r auf dem Gehäuseteil 60, von welchem ein schei- benförmiger Ausschnitt gezeigt ist.
Fig. 6 zeigt eine ebenfalls ringförmige äussere Reibfläche 68 auf dem Rad F, welche einen grösseren Radius R hat.
In Fig. 7 wird der Verschluss eines Kanals 92 mit einem Hubventil 94 gezeigt, welches vorliegend als Kegelventil ausgebildet ist. Das Hubventil 94 ist mittels eines Linearmotors betätigbar, welcher das Ventil in Richtung des Doppelpfeils 96 in Richtung der Längsachse L3 verschiebt. Einfachheitshalber ist der Linearmotor nicht gezeigt. Es wird die Regelung eines Luftstroms 98 mit einem er- findungsgemässen Reduktionsgetriebe 10 (Fig.1) angedeutet. Dazu wird die Drehbewegung in eine Linearbewegung umgesetzt.

Claims

Patentansprüche
1. Reduktionsgetriebe (10) eines elektrisch betriebenen Stellglieds zur Regelung eines Gas- oder Flüssigkeitsvolumenstroms (98), insbesondere auf dem Gebiet HLK, Brand- oder Rauchschutz, dadurch gekennzeichnet, dass ein modular aufgebautes Reduktionsgetriebe (10) ein Primärgetriebe (12) mit wenigstens einem Antriebsmotor (20) und ein Sekundärgetriebe (14) mit einem Abtrieb (36) umfasst, wobei eine Selbsthemmung (16) integriert ist, und die Getriebemodule (12,14) lösbar miteinander verbunden sind.
2. Reduktionsgetriebe (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebemodule (12,14) gegenseitig austauschbar sind, wobei insbesondere für dasselbe Primärgetriebe (12) verschiedene Sekundärgetriebe (14) einsetzbar sind.
3. Reduktionsgetriebe (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vorzugsweise am ersten freilaufenden Zahnrad (F) angeordnete Selbsthemmung (16) als drehmomentbegrenzende Kupplung, insbesondere als Reibkupplung, ausgebildet ist.
4. Reduktionsgetriebe (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Selbsthemmung (16) als einfache oder doppelte mechanische Reibkupplung, Magnetkupplung oder andere Bremskupplung ausgebildet ist.
5. Reduktionsgetriebe (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Selbsthemmung (16) eine äussere Reibfläche (68) mit einem grossen Radius (R) und eine innere Reibfläche (70) mit einem kleinen Radius (r) aufweist, wodurch mit derselben Einrichtung zur Selbsthemmung unterschiedliche Werte einstellbar sind.
6. Reduktionsgetriebe (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die äussere Reibfläche (68) am Stirnrad (F) des Primärgetriebes (12), die innere Reibfläche (70) an einen Gehäuseteil (60), oder umgekehrt, ausgebildet ist.
7. Reduktionsgetriebe (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Selbsthemmung (16) als fremdbetätigt schaltbare Kupplung ausgebildet ist.
8. Reduktionsgetriebe (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Selbsthemmung (16) im Bereich der inneren Reibfläche (70) mit einem überstehenden Schaltnocken (8O) arretierbar ist.
9. Reduktionsgetriebe (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad (F) des Primärgetriebes (12) fest mit der Selbsthemmung (16) verbunden ist, ein Gehäuseteil (60) eine ringförmige äussere Reibfläche (68) mit dem grossen Radius (R) und ein in axialer Richtung (L-i) verstellbarer Hebebolzen (88) die innere Reibfläche (70) bildet.
10. Reduktionsgetriebe (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Selbsthemmung (16) eine in Axialrichtung (Li) spannbare, drehsteife Hemmfeder (18) umfasst, welche vorzugsweise als Kegeldruckfeder, Schraubenfeder oder Blattfeder ausgebildet ist.
11. Reduktionsgetriebe (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit der Selbsthemmung (16) in Eingriff stehendes Zahnrad (F, D) entkoppelbar ist, vorzugsweise über eine Ausrasttaste 54 auf dem Gehäusedeckel (46).
12. Reduktionsgetriebe (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch ge- kennzeichnet, dass ein Potentiometer (52) für eine Stellungsrückmeldung in das Ritzel des in Richtung des Abtriebs (36) letzten Zahnrads (B) über ein Zahnrad (48) mit einer Welle (50) einkoppelbar ist.
13. Reduktionsgetriebe (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor (20) als DC-Motor, bürstenloser DC- Motor, sensorloser DC-Motor oder Synchronmotor ausgebildet ist.
14. Reduktionsgetriebe (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mit Blick auf die Betriebssicherheit ein Energiespeicher (40) eingebaut ist, vorzugsweise eine mechanische Feder, eine Batterie oder ein Kondensator im Gehäuse (46) des Primärgetriebes (12).
15. Reduktionsgetriebe (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Sekundärgetriebe (14) mit einer Hohlwelle (30) zum Antrieb einer Klappe, eines Kugelhahns oder eines Linearmotors für ein Hubventil (94), insbesondere ein Kegelventil, gekoppelt ist.
16. Verwendung eines Reduktionsgetriebes (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 15 in einem modular aufgebauten Stellglied mit einem modularen Gehäuse, einer modularen Elektronik (38), einem Sensor- und COM-Modul und einem Koppelmodul (28).
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