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Die
vorliegende Erfindung betrifft in erster Linie eine Vorrichtung
zur einseitig gerichteten Blockierung eines zylindrischen Schaftes
eines linearen Stellorgans nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
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Aus
WO 97/30291 ist eine Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs
1 bekannt, bei der sich die konkaven Mittelstücke der spindelförmigen Rollen
auf einem zylindrischen Schaft des Stellorgans abwälzen.
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Bei
dieser bekannten Vorrichtung bestehen die Klemmflächen, die
in dem äußeren Körper des Stellorgans
ausgebildet sind, aus konvergierenden, ebenen Flächen, auf denen die zylindrischen
Endabschnitte der Rollen abrollen. Bei dieser bekannten Anordnung
belasten die Klemmkräfte
die Rollen auf Biegung wie bei einem an beiden Enden (den zylindrischen
Abschnitten der Rollen) abgestützten
Balken, der in seinem Mittelabschnitt (dem konkaven Mittelstück der Rollen)
belastet wird. Diese Biegebeanspruchung führt bei Testanwendungen manchmal zu
Rissbildungen und einem Bruch der Rollen im schwächsten Abschnitt ihrer Spindelform.
Diese Rissbildungen und Brüche
können
vermieden werden, wenn die Rollen aus Stahl mit einer entsprechenden
Härtebehandlung
hergestellt werden, was jedoch hohe Kosten verursacht, die möglichst
verringert werden sollten.
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In
Kenntnis der Rissbildungs- und Bruchgefahr der Rollen ist es erforderlich,
diese vor dem Einbau einer teuren Qualitätskontrolle zu unterziehen, um
bereits von Anfang an diejenigen Rollen auszusondern, die auf der
Oberfläche
ihres Mittelabschnittes Risse oder andere Beschädigungen aufweisen, die zu
einem Bruch führen
können.
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Der
Erfindung liegt daher die hauptsächliche Aufgabe
zugrunde, eine Blockiervorrichtung der angegebenen Bauart zur Verfügung zu
stellen, die den Einsatz von spindelförmigen Rollen aus kostengünstigem
Werkstoff erlaubt, der selbst kein Stahl sein muß, beispielsweise Kunststoff,
weil die Rollen nicht auf Biegung beansprucht werden.
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Gemäß der Erfindung
wird diese Aufgabe durch eine Blockiervorrichtung der beanspruchten Bauart
gelöst.
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Bei
einer Blockiervorrichtung gemäß der Erfindung
werden die Rollen nur durch diametrale Druckkräfte belastet, die zwischen
den beiden konvexen Klemmflächen
angreifen, und zwar auf einer Seite durch den Schaft und auf der
anderen Seite durch die entsprechende Klemmfläche an der Innenseite des festen, äußeren Körpers.
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Es
ist ersichtlich, daß ein
Wälzkörper, der durch
Klemmkräfte
auf Druck beansprucht wird, welche auf diesen Körper nur diametral wirken,
in der Lage ist, diesen Kräften
wesentlich besser standzuhalten als derselbe Körper, wenn dieser bei gleichen Kraftbedingungen
einer Biegebeanspruchung unterworfen wäre. Damit ist es möglich, bei
gleichen Klemmkräften
für die
Rollen einen Stahl mit geringerer Qualität oder in bestimmten Fällen einen
Kunststoff einzusetzen, der eine gute Widerstandskraft sowohl gegen
Druck als auch gegen Abnutzung hat, beispielsweise ein Polytetrafluorethylen.
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Wenn
für die
Rollen derselbe Stahlwerkstoff wie für die Rollen des Standes der
Technik eingesetzt wird, kann mit der Anordnung gemäß der Erfindung eine
Blockiervorrichtung konzipiert werden, die einen wesentlich besseren
Sicherheitsfaktor aufweist.
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Da
mögliche
Oberflächendefekte
der Rollen keinen Einfluß auf
ihre Widerstandsfähigkeit
bei Druckbeanspruchung haben, wird überdies erreicht, daß die Qualitätskontrollen,
die in jedem Fall an den Rollen vor ihrem Einbau durchgeführt werden
müssen,
einen geringeren Kostenanteil haben.
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Die
Erfindung betrifft ferner eine Einheit für die Blockierung der Verschiebung
eines Schaftes eines linearen Stellorgans in beiden Richtungen,
die aus einem Paar der beanspruchten Vorrichtungen besteht, sowie
ein lineares Stellorgan mit einem dieser Vorrichtungen oder Einheiten.
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In
der gesamten Beschreibung und in den Ansprüchen beziehen sich die Angaben "axial", "radial", "chordal" sowie ihre Ableitungen
und ähnlichen Ausdrücke auf
die Richtungen bezüglich
der Achse des Schaftes des Stellorgans.
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Die
Erfindung wird nachstehend näher
erläutert
anhand der Beschreibung der Zeichnung, die sich auf nicht einschränkende Beispiele
bezieht; darin zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
in der Diametralebene I-I der 2 einer
Vorrichtung zur einseitig gerichteten Blockierung nach einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung in der entriegelten Stellung,
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2 in
vergrößertem Maßstab einen
Querschnitt in der Ebene II-II der 1,
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3 eine
perspektivische Explosionsdarstellung der Vorrichtung,
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4 einen
der 1 entsprechenden Längsschnitt, bei dem die Vorrichtung
in der blockierten Stellung dargestellt ist, und
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5 einen
den 1 und 4 ähnlichen Längsschnitt einer Einheit für die Blockierung
in beiden Richtungen.
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In
den 1 und 4 ist ein lineares Stellorgan 10 zu
sehen, von dem lediglich ein Ende dargestellt ist, an dem eine Blo ckiereinrichtung
gemäß der Erfindung
befestigt ist, die nachstehend näher
erläutert
wird.
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Das
Stellorgan 10 kann ein hydraulisches oder pneumatisches
Fluid-Stellorgan oder ein elektromagnetisches Stellorgan sein.
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Der
Zylinder oder das Gehäuse
des Stellorgans 10 ist mit 12 bezeichnet, während die
sogenannte "Nase" des Zylinders 12 mit 14 bezeichnet
ist. Die "Nase" 14 ist
von einem Distanzring 16 umgeben. Mit 18 ist ein
beweglicher Schaft des Stellorgans bezeichnet, der sich von der "Nase" 14 erstreckt.
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Mit 20 ist
die gesamte Einheit gemäß der Erfindung
für die
einseitig gerichtete Blockierung des Schaftes 18 bezeichnet.
Die Blockiereinrichtung 20 hat einen festen, äußeren Körper 22,
der aus einer Aufeinanderfolge von Bauteilen besteht, die zusammen
mit dem Distanzring 16 durch Gewindezugstangen 26 als
Paket zusammengehalten werden.
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Wie
die 3 im Zusammenhang mit den 1 und 4 zeigt,
umfaßt
das Bauelementepaket des Körpers 22 ein
Paar prismatischer Blöcke 28, 30,
die zwei einander gegenüberliegende
Kopfstücke bilden,
sowie einen Distanzring 32, der als Zylinder wirkt. Zwischen
den Zylinder 32 und den Block 30 ist ein ringförmiger Einsatz 34 eingebaut,
dessen Form und Funktion nachstehend noch näher erläutert werden.
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In
dem Zylinder 32 ist ein ringscheibenförmiger Kolben 36 verschiebbar
gelagert. Eine Seite des Kolbens 36 (in 1 die
linke Seite) kann mit einem Druckmedium beaufschlagt werden, das
aus einer Öffnung 38 in
dem Block 28 zuströmt.
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Wie
die 2 und 3 näher zeigen, sind in dem Einsatz 34 Klemmflächen 40 ausgebildet,
im dargestellten Ausführungsbeispiel
drei Klemmflächen
mit einem Winkelabstand 120° voneinander. Die
Klemmflächen 40 sind
radial nach innen gerichtet und konvergierern in Richtung auf die
Längsachse des
Körpers 22 und
des Schaftes 18. Der bevorzugte Konvergenzwinkel der Klemmflächen 40 liegt
zwischen 9° und
15°.
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Zwischen
jede Klemmfläche 40 und
den Schaft 18 sind klemmende Wälzkörper eingesetzt, die aus spindelförmigen Rollen 42 bestehen,
deren Achsen einen chordalen (sehnenförmigen) Verlauf haben. Jeder
Klemmkörper 42 hat
zwei zylindrische Endabschnitte 44 und ein konkaves Mittelstück 46.
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Die
konkaven Mittelstücke 46 haben
eine Erzeugende in Form eines Kreisbogens, dessen Durchmesser dem
Durchmesser des Schaftes 18 entspricht, sodass sie auf
diesem Schaft abrollen können.
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Die
konvergierenden Klemmflächen 40 des Einsatzes 34 haben
ihrerseits einen kreisbogenförmigen
Querschnitt mit einem Krümmungsradius,
der dem Krümmungsradius
des bogenförmigen
Längsprofils
der konkaven Mittelstücke 46 jeder
Rolle sowie dem halben Durchmesser des Schaftes 18 entspricht.
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Das
konkave Mittelstück 46 jeder
Klemmrolle 42 befindet sich in ausschließlichem
Eingriff mit der Zylinderfläche
des Schaftes 18 einerseits und der entsprechenden, konvexen
Klemmfläche 40 andererseits.
Obwohl die zylindrischen Endabschnitte 44 der Klemmrollen 42 keinerlei
Klemmfunktion haben, da sie weder in Eingriff mit der zylindrischen
Oberfläche des
Schaftes 18 noch mit den kovexen Klemmflächen 40 sind,
haben sie dennoch zwei spezifische Funktionen, die nachstehend noch
erläutert
werden.
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Wie
die 1 bis 4 weiter zeigen, hat die Blockiervorrichtung
ferner elastische Rückführmittel,
die dazu neigen, die Klemmrollen 42 in eine Klemmstellung
(in den 1 und 4 nach links) zu
drücken.
Diese Klemmstellung ist in 4 dargestellt.
Wie gezeigt, haben die Rückführmittel
vorzugsweise eine Buchse 48 mit einem Hülsenabschnitt 50, der
in Längsrichtung
auf dem Schaft 18 verschiebbar ist, sowie eine Radialwand, die
aus einem Flanschteil 52 besteht. Der scheibenförmige Flanschteil 52 hat eine
radiale Stirnfläche 54,
an der die zylindrischen Endabschnitten 44 der Klemmrollen 42 anliegen,
was hinsichtlich der Funktion nachstehend noch erläutert wird.
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Die
Rückführmittel
haben ferner elastische Rückdruckmittel,
die zwischen eine Ringfläche 56 in dem
Block 30 und eine gegenüberliegende,
radiale Ringfläche 55 eingesetzt
sind (1 und 4), welche an dem Flanschteil 52 auf
der Seite ausgebildet ist, die von der ringförmigen Stirnfläche 54 abgewandt
ist, an der sich die zylindrischen Endabschnitte 44 der
Rollen 42 abstützen.
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Wie 3 zeigt,
bestehen die elastischen Rückführmittel
aus einer schraubenförmigen
Druckfeder 58, die aus einem flachen Draht gewickelt ist und
durch die Firma Smalley Steel Ring Company, Wheeling, Illinois,
U.S.A. hergestellt wird.
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Die
zylindrischen Endabschnitte 44 der Rollen 42 haben
auch eine weitere Funktion, was nachstehend noch erläutert wird.
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Eine
Vorrichtung, wie sie in den 1 bis 4 dargestellt
ist, kann als Anbaugerät
für Stellorgane
unterschiedlicher Typen zur Verfügung
gestellt werden.
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Wenn
die Blockiereinrichtung 20 nicht an ein Stellorgan angebaut
ist, ist der Raum zwischen den Rollen 42 leer, weil der
Schaft 18 nicht vorhanden ist. Ohne eine besondere Maßnahme könnten dann
die Rollen 42 nicht an ihrem Platz bleiben, so daß der Anbau
der Blockiervorrichtung an das Stellorgan sehr erschwert würde. Um
zu verhindern, daß sich die
Rollen 52 wegen des fehlenden Schaftes 18 nach innen
verschieben, haben der Kolben 36 und der Flanschteil 52 der
Buchse 48 radial innere Vorsprünge 60 bzw. 62 mit
einem im wesentlichen dreieckigen Schnabelprofil. Diese Vorsprünge 60 und 62 erfassen
die zylindrischen Endabschnitte 44 der Rollen 42 an
beiden Seiten, wodurch sie eine Schulter bilden, die die konkaven
Mittelabschnitte 46 auch bei nicht vorhandenem Schaft 18 in
Eingriff mit den konvexen Klemmflächen 40 halten.
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In
den 1, 3 und 4 ist ein
Näherungsschalter 64 dargestellt,
der radial in den Block 30 eingesetzt ist und die Stellung
der Hülse 50 der Buchse 48 erfaßt und dann
ein elektrisches Signal abgibt, das die blockierte oder gelöste Stellung
der Vorrichtung anzeigt.
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Es
sei angenommen, daß sich
die Vorrichtung anfänglich
in der in 1 gezeigten, gelösten Stellung
befindet. In dieser Stellung wirkt ein Druck auf die von den Rollen 46 abgewandte
Seite des Kolbens 36, wodurch der Kolben 36 in
dieser Figur vollständig
nach rechts verschoben ist. Auf diese Weise hält der Kolben 36 die
Rollen 42 und die Buchse 48 gegen die Kraft der
Federn 58 in der nach rechts verschobenen Stellung. Die
Rollen 42 werden dabei nicht verklemmt, so daß der Schaft 18 frei
ist, sich nach vorn und zurück
zu verschieben.
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Wenn
gemäß 4 verhindert
werden soll, daß sich
der Schaft 18 am Ende eines bestimmen Ausschubweges in
Richtung des Pfeiles B in Richtung des Pfeiles A zurückbewegt,
wird der auf den Kolben 36 über die Öffnung 38 einwirkende
Druck weggenommen, so daß sich
der Kolben 36 in Richtung des Pfeiles C zurückbewegt,
und zwar aufgrund des Druckes, der durch die Feder 58 über den Flanschteil 52 und
die Rollen 42 ausgeübt
wird.
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Durch
die Wirkung der Feder 48 drückt der Flanschteil 52 der
Buchse 48 die jeweiligen Rollen 48 in die Klemmstellung
der 4, in der diese sowohl auf den konvergierenden
Klemmflächen 40 als
auch auf der Außenfläche des
Schaftes 18 abrollen.
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Der
Schaft 18 wird nicht an einer Auswärtsbewegung in Richtung des
Pfeiles B gehindert, da diese Bewegung dazu neigt, die Klemmung
der Rollen 42 aufzuheben. Wenn diese Bewegung jedoch aufhört, hat
jeder Versuch des Schaftes 18, sich in der Gegenrich tung
zu bewegen, die durch den Pfeil A angegeben ist, zur Folge, daß die Klemmwirkung der
Rollen 42 verstärkt
wird, so daß eine
Verschiebung in Richtung des Pfeiles A nicht möglich ist.
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Um
den Schaft 18 freizugeben, reicht es aus, über die Öffnung 38 die
Seite des Kolbens 36 mit Druck zu beaufschlagen, die von
den Rollen abgewandt ist, so daß sich
der Kolben 36 in der entgegengesetzten Richtung verschiebt,
die in 4 mit dem Pfeil D eingezeichnet ist. Das hat zur
Folge, daß der Kolben 36 die
Rollen 42 gegen die Kraft der Feder 58 in die
Lösestellung
der 1 verschiebt.
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Wie
bereits erwähnt
wurde, erfasst der Näherungssensor 64,
der die Stellung des Hülsenteils 50 der
Buchse 48 fühlt,
den Zustand der Klemmung bzw. Freigabe der Vorrichtung.
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In
den 1 und 4 ist die Vorrichtung in einer
Stellung gezeigt, in der sie eine Einwärtsbewegung des Schaftes 18 blockiert.
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Dieselbe
Vorrichtung eignet sich zum Anbau an ein Stellorgan in einer Anordnung,
in der sie jedoch dazu dient, die Ausschubbewegung des Schaftes
zu blockieren.
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Wie
die 1 und 4 zeigen, haben beide Blöcke 28 und 30 an
den voneinander wegweisenden Enden einen ringförmigen Positioniervorsprung 66 bzw. 68.
In den 1 und 4 greift der Vorsprung 66 in
einen ringförmigen
Sitz ein, der durch eine ringförmige
Stirnfläche 70 der "Nase" 14 und durch
eine ringförmige,
radial innenliegende Umfangsfläche 72 des
Distanzringes 16 gebildet wird.
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Um
die Blockiervorrichtung in eine Stellung zu bringen, in der sie
die Ausschubbewegung des Schaftes 18 blockieren kann, genügt es, die
Stellung der Vorrichtung umzudrehen, so daß der Vorsprung 68 in
den Sitz 70, 72 eingreift.
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Die
nachstehenden Ausführung
beziehen sich auf 5 zur Erläuterung einer Einheit gemäß der Erfindung
für die
Blockierung der Verschiebebewegung des Schaftes eines linearen Stellorganes
in beiden Richtungen.
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Die
Einheit zur zweiseitigen Blockierung gemäß 5 besteht
aus einem Paar von einseitig wirkenden Blockiervorrichtungen, wie
sie in den 1 bis 4 dargestellt
sind und die in entgegengesetzte Axialrichtungen wirken.
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Der
Körper 22a der
Vorrichtung gemäß 5 besteht
aus einem Paket von Bauelementen, darunter ein Paar von Blöcken oder
Kopfstücken 30a, 30b,
die beide dem Block 30 der 1, 3 und 4 entsprechen,
ein Paar von Einsätzen 34a, 34b mit
Klemmflächen,
die in entgegengesetzten Richtungen geneigt sind, und ein Distanzring 32a.
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Die
wesentlichen Elemente dieser beiden Vorrichtungen sind mit denselben
Bezugsziffern wie in den 1 bis 4 versehen.
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Es
ist zu erkennen, daß der
Distanzring 32a die Funktion eines Zylinders für zwei Lösekölben 36 bildet,
die in entgegengesetzten Richtungen wirken und mit einem Druckmedium
beaufschlagt werden, um gleichzeitig die beiden Vorrichtungen über einen gemeinsamen
Kanal 38a zu lösen,
der in dem ringförmigen
Einsatz 28a ausgebildet ist und dessen Funktion der Funktion
des Kopfstückes 28 der 1, 3 und 4 entspricht.
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Bezüglich 5 genügt es, darauf
hinzuweisen, daß zur
Blockierung der Bewegung des Schaftes 18 in beiden Richtungen
der über
den Kanal 38a auf die Kolben 36 wirkende Druck
abgenommen wird, so daß die
Federn 58 die Rollen 42 in die Klemmstellung drücken können. Um
den Schaft 18 zu lösen, wird über die Öffnung 38a Druck
auf die Kolben 36 geleitet, so daß diese die Rollen 42 gegen
die Kraft der Federn 58 in die gelöste Stellung zurückdrücken.
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In
einer alternativen Ausführungsform
einer zweiseitig wirkenden Blockiereinheit, die nicht dargestellt
ist, kann diese so ausgebildet sein, daß sie entweder die eine oder
die andere Vorrichtung blockiert oder löst. In diesem Fall wird die Öffnung 38a für jede Position
durch zwei voneinander getrennte Öffnungen ersetzt.