-
Gebiet der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Antriebsmechanismen zum Übertragen
einer Antriebskraft von einem treibenden drehenden Element auf ein
angetriebenes drehendes Element und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, auf
Mechanismen, die zur Betätigung
von Ventilen, Absperrgliedern, Druckleitungen und dergleichen zum
Steuern des Durchflusses von Fluiden verwendet werden. Der Ausdruck „Fluide" umfasst in diesem
Zusammenhang Flüssigkeiten,
Gase und Dampfe sowie Fluide mit Mehrfachzustand, beispielsweise
Flüssigkeiten,
die Feststoffe in Suspension enthalten.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Bei
einem typischen Beispiel für
einen Stellantrieb, der für
die Betätigung
eines motorisierten Ventils ausgelegt ist, ist das treibende Element
ein Elektromotor und der Untersetzungsantrieb für die angetriebene Welle hat
die Form einer Schnecke und eines Schneckenrads, wobei letzteres
auf der Stellgliedabtriebswelle oder „Säule" aufgekeilt oder auf andere Weise befestigt
ist, die das sich bewegende Element des Ventils betätigt.
-
In
der Ventilstellgliedtechnologie ist es üblich, das Antriebssystem so
anzuordnen, dass nur von dem treibenden drehenden Elementen oder
den Elementen des Stellglieds erzeugte Kräfte und ein davon hervorgerufenes
Drehmoment durch das Getriebe auf das angetriebene drehende Element übertragen
werden können,
um das Problem auszuschließen,
das entstehen kann, wenn für
das treibende Element keine Leistung bereitgestellt wird und die
nicht ausgeglichenen Kräfte,
die von dem Druckfluid in dem Ventil erzeugt werden, beim Einwirken
auf das das Ventil bewegende Element ausreichen, das Stellgliedgetriebe „rückwärts" anzutreiben, was
dazu führt,
dass das Ventilelement aus seinem Sitz oder aus seiner letzten Stellung
in dem Fluidweg verschoben wird, die durch die letzte Betätigung des
Ventilstellglieds festgelegt wurde.
-
Ein übliches
Verfahren, das dazu verwendet wird, die Möglichkeit eines Rückwärtsantriebs
in einem Stellgliedgetriebezug auszuschließen, besteht darin, ein beträchtliches
Untersetzungsverhältnis
bei dem Zahneingriff von Schnecke und Schneckenrad zu verwenden,
so dass der sich ergebende niedrige Wert des Schneckensteigungswinkels
kombiniert mit dem normalen Reibungskoeffizienten an den kämmenden
Oberflächen,
den Antrieb zu einem Verriegeln veranlasst, wenn ein Drehmoment
an der Schneckenradseite des Antriebs angelegt wird.
-
Bei
einem motorisierten Ventil kann dieses „eingeblockte" Drehmoment, das
nach einem leistungsgespeisten Zyklusvorgang verbleibt, insbesondere
bei Ventilen, beträchtlich
sein, wobei das sich bewegende Element auf einen Sitz gedrückt wird,
um einen Fluidleckstrom zwischen dem stromaufseitigen und stromabseitigen
Ventilkanälen
zu beseitigen.
-
Damit
das Ventil im Falle eines Leistungsausfalls oder dann betätigt werden
kann, wenn die Rohrleitungsausrüstung
installiert oder gewartet wird, werden eine Zweistellungskupplung
und ein handbetätigtes
Rad vorgesehen. Die Elemente sind normalerweise an der Stellgliedabtriebswelle
vorgesehen, die das Schneckenrad trägt. Die Kupplung wird von einem
Handhebel betätig.
Der Hebel ist in eine Parkposition vorgespannt und der Normalzustand
des Antriebsmechanismus wird in den Motorantriebsmodus gekoppelt.
Ein Betätigen
des Hebels über
seinen ganzen Bewegungsbogen entkuppelt das die Kupplung bewegende
Element aus der Motorantriebsposition und bewegt es in die Handantriebsposition.
Gleichzeitig betätigt
der Hebel einen Rastmechanismus, der gewährleistet, dass die Kupplung
in dem Handantriebsmodus bleibt, wenn der Hebel freigegeben wird
und in seine Parkposition zurückkehrt.
Der Rastmechanismus ist so ausgelegt, dass er das Stellglied in
dem Handantriebszustand hält,
bis der Motorantrieb wieder aktiviert ist. Eine Drehung des entkuppelten
Elements des Antriebszugs gibt dann automatisch den Rastmechanismus frei
und ermöglicht
die Rückkehr
des die Kupplung bewegenden Elements unter Federvorspannung in seine
Motorantriebsposition.
-
Die
automatische Umschaltung auf den Motorantriebsmodus ist eine übliche Maßnahme in
der Ventilbetätigungstechnologie
und wurde entwickelt, um die Notwendigkeit zu vermeiden, Betriebspersonal
manchmal über
weite Entfernungen zu nicht besetzten Stellen zu schicken, um Ventilstellglieder
zu bedienen, die nach einem Wartungsbesuch usw. versehentlich im
Handantriebsmodus belassen wurden.
-
Das
hohe Drehmoment, das in der Stellgliedabtriebswelle erzeugt wird
und das in der Welle aufgrund des nicht zurücktreibenden Eingriffs zwischen Schnecke
und Schneckenrad eingeblockt geblieben ist, erzeugt starke Kräfte an den
Kupplungseingriffselementen, wenn die Kupplungselemente an der Abtriebwelle
angebracht und somit Teil des Kraft-/Drehmomentwegs zwischen dem am Sitz
befindlichen Ventil und den rastgesicherten kämmenden Zähnen an dem Schneckerad werden.
Diese relativ hohen Drehmomente und Kräfte können zum Entstehen von Schwierigkeiten
führen,
wenn versucht wird, den Kupplungseingriff aus der Motorantriebsstellung
zu lösen.
-
Ferner
muss bei Ventilen mit großer
Bohrung, wo beträchtliche
Kräfte
verwendet werden müssen,
um das Ventil in den Sitz zu bringen und vom Sitz zu lösen, das
an der Abtriebswelle angebrachte Handrad sowie der Hebel, der dazu
verwendet wird, die Kupplung aus dem Motorantriebsmodus zu entkuppeln
und in den Handantriebsmodus zu bewegen, eine starke Ganzmetallkonstruktion
aufweisen, was beträchtlich
zur Größe und zum
Gewicht des Stellglieds beiträgt.
-
Eine
teilweise Lösung
für dieses
Problem ist in dem
US-Patent
4 370 902 gezeigt, bei welchem zwischen die Schneckenradwelle
und die Stellgliedabtriebswelle oder Säule ein zusätzlicher Stirnzahnraduntersetzungszug
eingefügt
ist. Dies verringert die Torsion an der Schneckenradwelle annähernd proportional
zu den jeweiligen Zähnezahlen
an den zusätzlich
kämmenden
Stirnzahnrädern,
jedoch bleibt das durch das Zahnradantriebsverhältnis verringerte Drehmoment
aus einer am Sitz befindlichen Ventilspindel in die Motorantriebsseite
der Stellgliedkupplung eingeblockt.
-
Mit
der vorliegenden Erfindung soll das eingeblockte Drehmoment für die Motorantriebsseite der
Kupplungsanordnung beseitigt und das Arbeitsdrehmoment weiter verringert
werden, das an dem Handrad erforderlich ist, so dass zusätzlich dazu, dass
eine geringere manuelle Anstrengung zur Betätigung des Hebels und des Handrads
erforderlich ist, die Komponenten, die die Kupplung, den Hebel und die
Handradanordnungen bilden, in der Größe reduziert und gewünschtenfalls
aus Formstücken
aus Kunststoff oder aus verstärkten
Kunststoffmaterialien hergestellt werden können.
-
Ein
typisches vorhandenes Verfahren, das in der Ventilbetätigungstechnologie
verwendet wird, um den Stellgliedantrieb im Handmodus nach Betätigen des
Hebels zu halten, jedoch um automatisch auf den Leistungsantrieb
umzuschalten, sobald der Antriebsmotor zu drehen beginnt, wird dadurch
erreicht, dass zwischen einer Fläche
des Schneckenrads und dem die Kupplung bewegenden Element ein Abstützmechanismus
vorgesehen wird. Dieser Mechanismus hält das die Kupplung bewegende
Element in seiner Handantriebsstellung und drückt die Federeinrichtung zusammen,
die das die Kupplung bewegende Element in seine Motorantriebsstellung
drückt.
Das wesentliche Merkmal des Abstützmechanismus
ist ein angelenktes Einrastelement, welches das Ende der Abstützung angrenzend
an das Schneckenrad bildet. Das Einrastelement ist mit einer schwachen zentrierenden
Feder versehen, die das Element im rechten Winkel zu der Schneckenradfläche hält, wenn
der Handbetriebsmodus ausgewählt
worden ist.
-
Sobald
sich das Schneckenrad bei Motorantrieb zu drehen beginnt, überwinden
die sich bewegende Flächen
der Schnecke und der Fuß des
Einrastelements die leichte zentrierende Federeinrichtung und veranlassen
das Einrastelement, sich um etwa 90° zu einer hinteren parallelen
Position an der Schneckenradfläche
zu drehen. Die sich ergebende Bewegung der Einrastelementverschwenkung
in Axialrichtung bezüglich
der Schneckenradwelle reicht aus, dass das bewegliche Kupplungsteil
in Eingriff mit dem Motorantrieb kommt.
-
Obwohl
dieser vorhandene automatische Wiedereingriff auf die Motorantriebsanordnung
zufrieden stellend ist, verlässt
sie sich auf die Verwendung kleiner zentrierender Drahtfedern, die
defekt werden können.
Auch die Notwendigkeit, sich auf die Oberflächenreibung zwischen dem Verriegelungselement
und der Schneckenradfläche
zu verlassen, um den Mechanismus zu betreiben, führt dazu, dass die Einrastung
im Handbetriebsmodus „nicht
zwangsverriegelt" ist.
-
Ein
anderes bekanntes System, das rückwärts antreibbar
ist und gegenüber
dem sich die vorliegende Erfindung auszeichnet, ist in der
US 4 429 591 offenbart.
Andere bekannte Systeme sind in der
US
4 474 078 ,
DE 35 21
398 und
US 4 546 671 offenbart.
-
Es
ist ein weiteres Ziel dieser Erfindung, einen Einrastmechanismus
für den
automatischen Wiedereingriffsbetrieb der Kupplung bereitzustellen, der
sich für
die Freigabe der Einrastung nicht auf Reibungskräfte verlässt und bei welchem das Einrastelement
mit den drehenden Elementen des Antriebs nicht in Kontakt steht,
wenn sich die Kupplung im Motorantriebsmodus befindet.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein motorisierter
Ventilstellantrieb bereitgestellt, der einen alternativen manuellen
Antrieb aufweist, welcher ein Handrad und einen Kupplungsmechanismus
sowie einen Hebel zum Wechseln vom Motorantriebs- auf einen Handantriebsmodus
hat, und der weiterhin eine Zwischenwelle zwischen dem Motor und
einer Abtriebswelle aufweist, wobei das Handrad funktionsmäßig mit
der Zwischenwelle für
deren Antrieb verbunden ist und wobei die Zwischenwelle zwischen
dem Motor und einem Zahnradantrieb angeordnet ist, wodurch, wenn der
Hebel zum Überführen des
Stellantriebs in den Handbetriebsmodus betätigt ist, der Kupplungsmechanismus
im Wesentlichen frei arbeitet, wobei das Abtriebswellendrehmoment,
das durch den vorhergehenden Lauf im Motorbetrieb erzeugt wurde
und in die Abtriebswelle durch den Zahnradantrieb eingeblockt wurde,
nicht in den Kupplungsmechanismus eingeblockt wird, und wobei sich
der Ventil-Stellantrieb
dadurch auszeichnet, dass der Antrieb von dem Motor zu der Abtriebswelle
des Stellantriebs über
den Zahnradantrieb erfolgt, der nicht rückwärts antreibbar ist, und dass
der Kupplungsmechanismus ein bewegliches Kupplungselement und ein
damit zusammenwirkendes Kupplungsbetätigungselement aufweist, die
zusammenwirkende konische Flächen
aufweisen.
-
Zweckmäßigerweise
weist der nicht rückwärts antreibbare
Zahnradantrieb eine Baugruppe aus einer Schnecke und einem Schneckenrad
auf und vorzugsweise ist der Kupplungsmechanismus der Zwischenwelle
zugeordnet/auf ihr angebracht.
-
Vorzugsweise
weist der Stellantrieb weiterhin einen Zahnrad-Untersetzungsantrieb
auf, der der Zwischenwelle zugeordnet ist, um die Einfachheit weiterhin
zu steigern, mit der die Abtriebswelle des Stellantriebs manuell
angetrieben werden kann.
-
Da
der Stellantrieb der vorliegenden Erfindung kein an der Kupplung
eingeblocktes Drehmoment aufweist, das zum Lösen der Kupplung vom Motor überwunden
werden muss, um stattdessen den Handantrieb in Eingriff zu bringen,
und da das erforderliche Eingangsdrehmoment für den Handantrieb durch Vorsehen
des zusätzlichen
Untersetzungsantriebs zwischen der Zwischenwelle und der Schnecke
verringert ist, kann zumindest eines der aus Handrad, Hebel und
einem oder mehreren Kupplungsmechanismus-Komponenten bestehenden
Elemente aus geformtem Kunststoff hergestellt werden.
-
Als
Ergebnis seiner einzigartigen Antriebsausgestaltung kann so der
Stellantrieb der vorliegenden Erfindung kosteneffektiv sowie weniger kompakt,
leichter und einfacher für
den Einsatz als bestehende Stellglieder gebaut werden.
-
Gemäß weiteren
Verbesserungen an dem Stellantrieb werden das bewegliche Kupplungselement
und das damit zusammenwirkende Kupplungsbetätigungselement mit zusammenwirkenden
konischen Flächen
ausgebildet, wodurch die Kupplung noch einfacher von dem Motorantriebseingriff
zu dem Handantriebseingriff bewegt werden kann. Die sich verschiebenden
konischen Flächen
an dem beweglichen Kupplungselement und an dem Kupplungsbetätigungselement
sind vorzugsweise so gestaltet, dass die konische Fläche des
Kupplungsbetätigungselements
die konische Fläche
des beweglichen Kupplungselementes zumindest teilweise umschließt, so dass
sich ein relativ großer
Flächenkontakt
zu Beginn eines Auskupplungsvorgang ergibt, wobei sich die Fläche sehr
schnell zu einem Linienkontakt hin verringert, wenn das bewegliche
Kupplungselement auf die Handantriebsposition angehoben wird. Zweckmäßigerweise
umschließt
die konische Fläche
des Kupplungsbetätigungselements
die konische Fläche des
beweglichen Kupplungselements bis zu 180°.
-
Vorzugsweise
hat der Stellantrieb ein drehbares Nockenelement, das von dem Hebel
angetrieben wird und das mit dem Kupplungsbetätigungselement zusammenwirkt,
um die mechanische Kraftverstärkung
zwischen der Bewegung des Hebels und dem beweglichen Kupplungselement über die
sich verschiebenden konischen Flächen
zu ändern.
Dieses Nockenelement bietet zweckmäßigerweise eine größere mechanische
Kraftverstärkung
zu Beginn eines Auskopplungsvorgangs, um die höheren statischen Reibungskoeffizienten
zu überwinden,
und stellt ein niedrigeres mechanisches Kraftverstärkungsverhältnis bzw.
-verhältnisse
für die
restliche Bewegung des Hebels bereit, wenn er gegen die relativ
niedrigen dynamischen Reibungskoeffizienten arbeitet, wobei das
geringere mechanische Kraftverstärkungsverhältnis oder
die -verhältnisse
eine kleinere Gesamtwinkelbewegung des Hebels erzeugen.
-
Besonders
bevorzugt ist, dass die Drehachse des Hebels parallel zur Drehachse
des Handrands und angrenzend dazu angeordnet ist und dass der Hebel
zweckmäßigerweise
eine gekrümmte
Form aufweist und so gestaltet ist, dass er unter dem Kreisumfang
das Handrad verschwenkt und die Nabe des Handrads teilweise umgibt,
wobei diese beiden Merkmale dazu verwendet werden, den Raum zu verringern,
der erforderlich ist, um das Stellglied beim Installieren am Ventil
aufzunehmen.
-
Vorzugsweise
hat der Stellantrieb weiterhin ein Einrastelement zum Einrasten
der Kupplung in Eingriff für
den Handantrieb, wobei das Einrastelement mit Zähnen versehen ist, die mit
Zähnen
eines Zahnrads des Antriebsstrangs des Stellantriebs zum Einrasten
des Stellantriebs in seinen Handantriebszustand in Eingriff stehen,
wodurch ein Zwangseingriff im Handbetriebsmodus und ein zwangsangetriebener
Auskupplungsvorgang bei der Rückkehr
zum Motorantriebsmodus besteht.
-
Vorzugsweise
wird das Zahnrad von dem Motor angetrieben und ist der Zwischenwelle
zugeordnet/auf ihr angebracht, wobei das Zahnrad durch die Betätigung der
Kupplung selektiv mit der Zwischenwelle für deren Antrieb in Eingriff
bringbar ist.
-
Vorteilhafterweise
ist das Einrastelement angelenkt und weist eine zu ihm benachbarte
Blattfedereinrichtung auf, mit der das Einrastelement zusammenwirkt,
wobei die Blattfedereinrichtung dazu dient, das Einrastelement für ein Verschwenken
zu seiner Einrastposition für
den Eingriff mit dem Handantrieb vorzuspannen.
-
Vorzugsweise
ist das Einrastelement mit einem facettierten Vorsprung versehen,
der mit der Blattfedereinrichtung so zusammenwirkt, dass in einer „nachlaufenden" ausgekuppelten Stellung
das Einrastelement zwangsweise außer Kontakt mit dem Element
gehalten wird, mit dem es sonst in der Einraststellung für den Eingriff
mit dem Handantrieb in Eingriff steht.
-
Zweckmäßigerweise
wirkt das Einrastelement mit der Blattfeder zusammen, um drei Parkpositionen
für das
Einrastelement bereitzustellen, was die beiden „nachlaufenden" Positionen, die
von der Drehrichtung des Zahnrads abhängig sind, und die zentrale
Eingriffsposition sind, wenn der Mechanismus in den Handbetriebsmodus
eingerastet ist.
-
Der
facettierte Vorsprung ist vorzugsweise im Wesentlichen rechteckig/im
Wesentlichen quadratisch.
-
Zweckmäßigerweise
ist das Einrastelement schwenkbar und hat der Einrastmechanismus
des Stellglieds weiterhin wenigstens eine ortsfeste Pfosteneinrichtung,
um das Einrastelement für
ein Zwangsverschwenken aus einer ausgekuppelten „nachlaufenden" Position im Wesentlichen
in die Einrastposition abzulenken, wobei vorzugsweise ein Paar solcher
beabstandeter ortsfester Pfosteneinrichtungen vorgesehen ist, zwischen
denen das Einrastelement bewegt wird, wenn der Hebel betätigt wird,
um das Einrastelement aus einer der beiden nachlaufenden Positionen
zu bewegen.
-
Während die
Kupplung ein bewegbares Kupplungselement aufweist, hat die Zwischenwelle zweckmäßigerweise
Ritzelzähne
für einen
zusammenwirkenden Eingriff mit einem damit zusammenwirkenden Zahnrad
an einer Welle zum Antrieb der Schnecke/des Schneckenrades und zweckmäßigerweise
weiterhin Keile, die mit dem bewegbaren Kupplungselement zusammenwirken,
wodurch das bewegbare Kupplungselement längs der Zwischenwelle gleitend
verschiebbar ist, jedoch damit dreht, und sind die Ritzelzähne besonders
bevorzugt in Längsrichtung
der Zwischenwelle verlängert,
wodurch die Keile von diesen Längsverlängerungen
der Ritzelzähne
gebildet werden.
-
Vorzugsweise
sind die längsgerichteten
Verlängerungen
der Ritzelzähne
auf der Zwischenwelle auf einen reduzierten Durchmesser zurückgeschnitten.
Der reduzierte Durchmesser der Verlängerungen bildet eine Stelle
auf der Zwischenwelle, um die das von dem Antriebsmotor angetriebene
Zahnrad frei drehen kann, und eine Anschlagschulter, die als eine axiale
Stellung für
das motorgetriebene Zahnrad oder für eine dazwischen angeordnete
Druckscheibe dient.
-
Bei
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein motorisierter
Ventil-Stellantrieb
in der Bauweise bereitgestellt, die einen alternativen Handantrieb,
welcher ein Handrad und eine Kupplung sowie einen Hebel zum Umschalten
vom Motorantriebs- auf den Handantriebsmodus aufweist, wobei der
Stellantrieb ein Einrastelement zum Einrasten der Kupplung in den
Eingriff für
den Handantrieb oder Motorantrieb aufweist, und das Einrast element
mit Zähnen
versehen ist, die mit Zähnen
eines Zahnrads des Antriebszugs des Stellantriebs in Eingriff stehen, um
im Handantriebsmodus einen Zwangseingriff und einen zwangsangetriebenen
Auskupplungsvorgang bei dem Motorantrieb bereitzustellen.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
Es
werden nun beispielsweise Hintergrundtechnologie und bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben, wobei auf die beiliegenden Zeichnungen
und Darstellungen Bezug genommen wird, in denen
-
1 die
wesentlichen Antriebsstrangmerkmale eines motorisierten Ventil-Stellantriebs
unter Verwendung der bekannten Technologie veranschaulicht,
-
2 die
Antriebsstrangmerkmale eines Ventilstellantriebs nach dem
US-Patent 4 370 902 zeigt,
wobei in der Zeichnung in vereinfachter Form der automatische Kupplungsmechanismus
für den Wiedereingriff
dargestellt ist, den der vorhandene Stand der Technik verwendet,
-
3 eine
Schnittansicht eines erfindungsgemäßen motorisierten Ventil-Stellantriebs
ist, der die prinzipiellen Antriebsstrangkomponenten mit der Kupplung
und mit dem Kupplungsbetätigungsmechanismus
zeigt, wobei zur Klarheit einige der drehenden Bauelemente in einer
einzigen Ebene gezeigt sind,
-
4 eine
teilweise auseinander gezogene isometrische Darstellung ist, die
einige der Bauelemente zeigt, zu denen die Zwischenwelle mit dem
angrenzenden Kupplungsbetätigungsmechanismus
gehört,
-
5 die
Stellantriebskomponenten mit der Einrastung und der automatischen
Freigabe der Kupplung zeigt, wobei die relativen Positionen der Komponenten
dem Stellantrieb im Motorantriebsmodus entsprechen,
-
6 die
gleichen Komponenten wie 5 zeigt, wobei jedoch ihre relativen
Positionen dem Stellantrieb im Handantriebsmodus entsprechen,
-
7 eine
auf die Fläche
des Handrads gerichtete Ansicht ist, wobei der benachbarte Kupplungsbetätigungshebel
sowohl in seiner geparkten als auch in seiner Betriebsstellung gezeigt
ist, und
-
8 eine
Ausführungsform
mit der Zwischenwelle zeigt, bei der das integrale Antriebsritzel auf
der Welle verlängert
ist und weiter spanend so verarbeitet ist, dass die Keile gebildet
werden, die das bewegbare Kupplungselement radial positionieren.
-
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
-
Beginnend
mit dem Stand der Technik zeigt zunächst 1 eine vereinfachte
Ansicht eines Antriebsstrangs eines gegenwärtig gebauten Ventil-Stellantriebs,
bei welchem ein Elektromotor 1 ein Schneckenrad 2 mit
Hilfe einer Schnecke 3 antreibt. Das Schneckenrad 2 kann
sich frei auf der Abtriebswelle 4 des Stellantriebs drehen.
Auf der Abtriebswelle 4 kann ein bewegbares Kupplungselement 5 axial frei
bewegt werden, ist jedoch radial auf der Welle durch die Verkeilung
oder Keile 6 festgelegt.
-
An
der Abtriebswelle 4 ist auch ein Handrad 7 so
angebracht, dass es sich unabhängig
von der Welle frei drehen kann. Das bewegbare Kupplungselement 5 kann
entweder mit dem Schneckenrad 2 mit Hilfe von Mitnehmern 8 und
Schlitzen 9 oder mit dem Handrad 7 mit Hilfe von
Mitnehmern 10 und Schlitzen 11 in Eingriff bewegt
werden.
-
Der
Steigungswinkel an der Schnecke 3, die mit den Schneckenradzähnen kämmt, ist
normalerweise ausreichend klein, um einen Rückwärtsantrieb des Mechanismus
zu verhindern, wenn ein Drehmoment an der Welle 4 anliegt.
In diesem Nichtantriebsmodus, in welchem das bewegliche Kupplungselement 5 auch
in Eingriff mit den Mitnehmern 8 an dem Schneckenrad 2 steht,
wird das in die Abtriebswelle 4 eingeblockte Drehmoment
auf den Arretiereingriff des Schneckenrads und der Schnecke über die
Mitnehmer 8 und die Schlitze 9 übertragen.
Dies führt
zu einer beträchtlichen
Axialkraft, die für
das Lösen
der Kupplung aus dem Motorantriebsmodus erforderlich ist.
-
Nach
dem Auskuppeln aus dem Motorantrieb und nach dem Bewegen in den
Handantriebsmodus ist das Handrad 7 dann in der Lage, das
Ventil über
die Abtriebswelle 4 des Stellantriebs zu betätigen. Das
erforderliche Handraddrehmoment ist äquivalent zu dem vom Motorantrieb
gelieferten. Aus diesem Grund muss bei mittleren und großen Ventilinstallationen
mit Motorantrieb das Handrad mit langen Speichen 12 versehen
sein, damit die Bedienungsperson damit ein beträchtliches manuelles Drehmoment
erzeugen kann, das zur Betätigung
des Ventils von Hand erforderlich ist.
-
2 zeigt
eine bekannte Teillösung
für das Problem
einer Reduzierung des Handraddrehmoments, indem der Handradantrieb
mit dem zugehörigen
Kupplungsmechanismus und dem Schneckenrad auf einer Zwischenwelle 13 angeordnet
wird, die ein Ritzel 14 trägt, das mit dem Zahnrad 15 kämmt, das
auf der Abtriebswelle 16 des Stellantriebs angebracht ist. 2 zeigt
auch eine Form des bekannten Mechanismus, die zum automatischen
Wieder-in-Eingriff-Bringen
des Motorantriebs verwendet wird, wenn der Motor aktiviert wird.
-
Bei
diesem Mechanismus wird ein axial bewegbarer Schaft 17 von
dem Hebel 8 angehoben, um das bewegliche Kupplungselement 19 aus
dem Eingriff mit dem Schneckenrad 2 und in einen Eingriff
mit dem Handrad 20 zu drücken und die Feder 21 zusammenzudrücken.
-
Am
unteren Ende der Welle 17 ist ein Einrastelement 22 angelenkt,
das in seinem nacheilenden Zustand gezeigt ist, wobei die Kupplung
noch in das Schneckenrad eingreift. Dieses Einrastelement wird entweder
von einer linken oder von einer rechten Hand-Nachlaufposition aus
(abhängig
von der Drehrichtung des Schneckenrads) mit Hilfe einer selbst zentrierenden
Torsionsdrahtfeder (nicht gezeigt), die den Drehzapfen 23 umgibt,
in eine vertikale Position gedrückt.
-
Wenn
der Elektromotor 1 stationär ist und der Hebel 18 betätigt wird,
um den Stellantrieb in den manuellen Antrieb zu bringen, wird der
Schaft 17 angehoben, so dass das Einrastelement 22 in
seine zentrale Position in axialer Ausrichtung zu dem Schaft 17 drehen
kann. In diesem Zustand wirkt das Einrastelement 22 als „Strebe", die das bewegliche Kupplungselement 19 in
seinem Handantriebsmodus über
dem Schaft 17 hält.
-
Beim
Neustart des Motors 1 reicht die Reibungskraft zwischen
dem distalen Ende des Einrastelements 22 und der Drehfläche des
Schneckerads 2 aus, um das zentrierende Drehmoment zu überwinden,
das von der selbstzentrierenden Feder am Drehzapfen 23 erzeugt
wird, wodurch das Rastelement in eine seiner beiden „Nachlauf"-Positionen (abhängig von
der Drehrichtung des Schneckerads) gedreht wird und somit der Schaft 17 und
das bewegliche Kupplungselement 9 sich in die Motorantriebsposition
unter der Wirkung der Feder 21 absenken können.
-
Die
verschiedenen Verbesserungen bei der Anordnung des Antriebsstrangs
des Stellantriebs sind in 3 und 4 gezeigt,
wobei 3 eine halbschematische Schnittansicht durch die
Hauptwellenmitten des Antriebs und 4 eine isometrische
vertikal auseinander gezogene Ansicht einiger der Komponenten sind,
die den Kupplungsmechanismus bilden und weiter erläutert werden
müssen.
Bei dem geschnittenen Aufbau trägt
die Zwischenwelle das sich bewegende Kupplungselement 25 und
ist mit einem integralen Ritzel 26 versehen. Die Motorwelle 27 hat
ein integrales Ritzel 28, welches das Zahnrad 29 antreibt,
das auch auf der Zwischenwelle 24 festgelegt ist, sich
jedoch unabhängig
von der Welle 24 frei drehen kann.
-
Das
bewegliche Kupplungselement 25 ist mit Nuten 30 versehen,
die mit Federn 31 zusammenwirken, die es dem beweglichen
Kupplungselement erlauben, sich frei auf der Welle 24 zu
verschieben, jedoch drehfest bezüglich
der Welle. In der Schnittansicht von 3 befindet
sich das bewegliche Kupplungselement 25 in seiner abgesenkten
Motorantriebposition, wobei ein vorstehender Bolzen 32 mit einem
kreisfömigen
Loch oder einen bogenförmigen Blindschlitz 33 zusammenwirkt,
das/der in dem Zahnrad 29 ausgebildet ist. Bei diesem Modus
ist der Motor 1 in der Lage, die Zwischenwelle 24 über das mit
dem Zahnrad 29 kämmende
Ritzel 28 anzutreiben, wobei das Drehmoment auf die Welle 24 über den
Bolzen 32 übertragen
wird, der mit dem Loch oder Blindschlitz 33 zusammenwirkt,
wobei die Nuten 30 an dem beweglichen Kupplungselement 25 mit den
die Verlängerungen
bildenden Federn 31 an der Welle 24 in Eingriff
stehen.
-
Die
Zwischenwelle ist mit der Abtriebswelle 4 des Stellantriebs
antriebsmäßig permanent über das Ritzel 26 gekoppelt,
das mit dem Zahnrad 34 kämmt, das seinerseits auf die
Welle 35 aufgekeilt ist, an der die Schnecke 3 spanend
ausgearbeitet ist. Die Schnecke kämmt mit dem Schneckenrad 2,
das an der Abtriebswelle 4 des Stellantriebs permanent durch
Verkeilung oder auf andere Weise festgelegt ist.
-
Ein
merklicher Vorteil des Stellantriebs, wie er in 3 offenbart
ist, ergibt sich durch das Entfernen der Kupplungsanordnung von
der Schnecke oder Schneckenradwelle zu einer Zwischenwelle, die die
Schneckenwelle 35 in geeigneter Weise in einen Zwischenuntersetzungs getriebezug
(Ritzel 26 und Zahnrad 34) antreibt. Im Gegensatz
zu den Stellantrieben von 1 und 2 wird
das aus der nicht rückwärts treibenden
Schnecke und dem damit kämmendem
Schneckenrad eingeblockte Drehmoment nicht über die Kupplungsmitnehmer
und Schlitze übertragen.
Da der Untersetzungsantrieb von dem Motor zur Zwischenwelle über die
Evolventenzähne (an
dem Ritzel 28 und dem Zahnrad 29) erfolgt, die rückwärts angetrieben
werden können
und den Anker des Motors 1 drehen, kann also ein treibendes Drehmoment,
das im Motorantriebsmodus übertragen
wird, in die Kupplungsmitnehmer und Schlitze eingeblockt sein, wenn
die Leistung zum Motor abgeschaltet ist.
-
Das
Auskuppeln der Kupplung aus dem Motorantriebsmodus in den Handantriebsmodus
kann deshalb ausgeführt
werden, ohne dass irgendwelche eingeblockten Kräfte in dem Zahnradzug überwunden
werden müssen,
die sich aus dem vorhergehenden Motorlaufzyklus ergeben. Als Folge
können
die Kupplungsanrodung und der zugehörige Betätigungshebel 36 leicht
gebaut werden und insbesondere können
Kunststoffformkörper
anstelle von relativ schweren Metallkörpern verwendet werden, wie sie
bei den Konstruktionen von 1 und 2 vorgesehen
sind. Der zusätzliche
Zahnraduntersetzungsantrieb über
die Zwischenwelle ermöglicht
es weiterhin, dass die Handradanordnung leichter als bei den Konstruktionen
von 1 gebaut werden kann, so dass ein Austausch der
langen Speichen 12 und des großen Handrads 7 durch
ein ausgeformtes Rad 37 und einen Drehhandgriff mäßiger Größe möglich ist.
-
Um
das Stellantriebgehäuse
auf den kleinstmöglichen
Abmessungen zu halten und um mit den reduzierten Größen vergleichbar
zu sein, die von dem Handrad und Hebel erreicht werden, ist in 3 und 4 eine
neue kompakte Konstruktion einer Anordnung aus Kupplung und Hebel
gezeigt. Ein wichtiger Schritt zum Erreichen dieser kompakten Konstruktion
besteht darin, die Drehachse des Hebels 36 so anzuordnen,
dass sie parallel und benachbart zu der Achse des Handrades 37 ist,
wobei die Mittenabstände
der Achsen so bemessen sind, dass, falls erforderlich, die Hebelachse
innerhalb des Umfangsdurchmessers des Handrades angeordnet werden
kann, wie es in 7 gezeigt ist. Die gekrümmte Form
des Hebels ist ein weiteres Merkmal der kompakten Auslegung, wobei
das Hebelprofil in seiner Parkposition sich um die Handradnabe so
krümmt, dass
er teilweise unter dem Handrad versteckt ist.
-
Die
Mittel, mit denen die Drehung des Hebels 36 das bewegliche
Kupplungselement 25 aus seiner federbelasteten Antriebsstellung
anhebt, sind die folgenden.
-
Das
bewegliche Kupplungselement 25 ist mit einer konischen
Außenfläche 39 versehen,
die mit einer verlängerten
inneren konischen Fläche 40 des Kupplungsbetätigungselements 41 zusammenwirkt. Wie
in 3 gezeigt ist, beträgt der Konushalbwinkel etwa
45°, wie
in 4 gezeigt ist, ist die konische Innenfläche 40 des
Kupplungsbetätigungselements weggeschnitten,
so dass der „Umschlingungs"-Winkel, der das
bewegliche Kupplungselement 25 umgibt, gleich oder kleiner
als 180° ist,
so dass das Kupplungsbetätigungselement 41 sich
in Horizontalrichtung in 3 nach rechts bewegen kann.
-
Das
Kupplungsbetätigungselement
wird durch das umgebende Gehäuse
dahingehend beschränkt,
dass es sich nur in einer einzigen horizontalen Ebene bewegt, wobei
die Bewegung in einen äquivalenten
vertikalen Hub des sich bewegenden Kupplungselements 25 durch
die Gleitwirkung der verlängerten
konischen Fläche 40 an
der Fläche 39 ungewandelt
werden kann, wobei die vertikale Bewegung dem Motorantrieb auskuppelt
und den Satz von Radialflächenzähnen 42 an
dem beweglichen Kupplungselement 25 mit einem zusammenwirkenden Satz
von Zähnen 43 an
der Handradschaftanordnung einkuppelt.
-
Die
Bewegung des Hebels 36 (in 7 im Uhrzeigersinn)
aus seiner Parkposition in seine Arbeitsposition 44 führt dazu,
dass sich das Kupplungsbetätigungselement 41 in
seiner beschränkten
horizontalen Richtung durch die Wirkung des Profilschlitzes 45 in
dem drehenden Nockenelement 46 an dem integralen Pfosten 47 bewegt,
der an dem Kupplungsbetätigungselement 41 ausgeformt
ist. Das Nockenelement 46 ist auf die Welle 48 des
Hebels 36 aufgekeilt oder auf andere Weise befestigt. Der
Profilschlitz 45 ist so geformt, dass aus seiner Parkposition
ein beträchtlicher
Teil der Bewegung des Hebels 46 dazu benutzt wird, eine
kleine Anfangsablenkung des Pfostens 47 herbeizuführen, um
die mechanische Kraftverstärkung
des Hebel-/Nockenprofils zu steigern und so die höhere statische
Reibungskraft zwischen den konischen Funktionsflächen 39 und 40 zu
Beginn eines Auskuppelvorgangs zu überwinden.
-
Wenn
die Bewegung einmal beginnt, nimmt der Reibungskoeffizient zwischen
den geschmierten konischen Flächen
auf einen Wert ab, gewöhnlich
auf etwa den halben statischen Wertkoeffizienten, was die Verwendung
einer geringeren Kraftverstärkung für den Rest
der Bewegung des Hebels 36 ermöglicht.
-
Natürlich stehen
die männliche
Konusfläche 39 und
die mit ihr zusammenwirkende halbe kreisförmige Fläche 40 nur zu Beginn
eines Motorauskuppelvorgangs in vollem Oberflächenkontakt. Dies ermöglicht den
Einsatz des maximalen verfügbaren
Kontaktflächenbereichs
mit einem darauf folgenden minimalen Flächenkontaktdruck, wenn die
Kraft überwunden
wird, die von der höheren
statischen Reibung erzeugt wird. Sobald das Kupplungsbetätigungselement 41 sich
zu bewegen beginnt und das bewegliche Kupplungselement hochsteigt,
beginnt sich die in Kontakt stehende Fläche schnell zu verringern,
da Horizontalschnitte (wie in 3 gezeigt) durch
die Kontaktkegel in der Theorie Kreise mit unterschiedlichen Durchmessern
in Linienkontakt sind. In der Praxis ergibt die Flächenbiegung,
die von den Betriebskräften
erzeugt werden, eine Kontaktfläche mit
schmaler Breite anstelle des theoretischen Linienkontakts der beiden
sich bewegenden konischen Flächen.
-
Der
Hebel 36 ist so federvorgespannt, dass er bei Freigabe
in die Parkposition zurückkehrt
und teilweise durch das überhängende Handrad 37 abgeschirmt
wird. Gemäß 4 wird
dies gewöhnlich
mit Hilfe einer Schraubenzugfeder 49 erreicht, deren eines
Ende an dem Stellantriebsgehäuse
und deren anderes Ende an dem Nockenelement 46 an einer solchen
Position befestigt ist, dass die Federzugkraft das Rückstelldrehmoment
an dem Nockenelement 46 und so für den Hebel 36 über die
Hebelwelle 48 erzeugt.
-
Die
in 3 und 4 gezeigten Hauptkomponenten
des Einrastsystems sind in der neuen Bauweise in 5 und 6 veranschaulicht,
die die relativen Positionen der Einrastkomponenten in ihrem Ausrastzustand
(Motorantrieb) bzw. ihrem Einrastzustand (Handantrieb) zeigen.
-
Der
Pfosten 47 ist in seiner Basis mit einem Loch versehen,
in das ein kleiner Schaft 50 eingeführt ist, der als Schwenkzapfen
für das
Einrastelement 51 der neuen Bauweise wirkt. Dieses letztere Bauelement
wirkt genauso wie das bekannte Bauelement 22 in 2,
ergibt jedoch merkliche Verbesserungen.
-
In
dem nicht eingerasteten Motorantriebsmodus (5) wird
das Einrastelement 51 frei von dem Zahnrad 29 durch
die Wirkung der Blattfeder 52 gehalten, die das Einrastelement
in einer von drei Winkelstellungen mit 90° Abstand hält, indem sie mit den Seiten
eines quadratischen Vorsprungs 53 zusammenwirkt, der das
Schwenkzentrum umgibt. Diese Anordnung stellt drei bestimmte Parkpositionen
mit Intervallen von 90° bereit,
wobei die zentrale Position der „Einrast"-Zustand ist.
-
Die
Blattfedern werden von Schlitzen oder anderen Einrichtungen in dem
Kupplungsbetätigungselement 41 aufgenommen
und bleiben deshalb in der gleichen Position bezüglich der Schwenkachse und
des Schaftes 50 eines Auskuppelvorgangs. Während dieses
Vorgangs wird das Einrastelement 41 zwangsweise über etwa
90° dadurch
gedreht, dass es zwischen die Pfosten 54 zurückgezogen wird,
die in dem Stellantriebgehäuse
festgelegt sind. Die abschließende
Winkelbewegung in die Einraststellung wird dadurch erreicht, dass
zuerst die Blattfeder 52 durch die Ecke des drehenden quadratischen
Vorsprungs 53 ausgelenkt wird, was in 5 strichpunktiert
gezeigt ist, und dann in ihre flache Ausgangsposition zurückkehrt
und das Einrastelement um die abschließenden wenigen Grade in die
in 6 gezeigte Position drückt. Um diese abschließende Einrastposition
zu erreichen, muss die horizontale Bewegung etwas größer als
der Abstand zwischen der Einrast- und Ausraststellung sein. Dadurch wird
es möglich,
dass die Zähne 45 an
dem Einrastelement über
die Zähne
an dem Zahnrad 29 vor dem in Eingriff Kommen passieren.
-
Die
Rückkehr
in den Motorantriebsmodus wird durch die Drehung des Zahnrads 29 eingeleitet, das
vom Motor 1 angetrieben wird. Das Einrastelement 51,
das mit den Zähnen
des Zahnrads kämmt, dreht
sich nun und ermöglicht
es so dem Kupplungsbetätigungselement 41 zu
der Motorantriebsmodusposition zurückzukehren. Die abschließenden Drehgrade
bringen das Einrastelement 51 zum „Springen" in die in 5 gezeigte
Position, in der alle Einrastzähne 55 frei
von den Zahnradzähnen
gehalten werden.
-
Wesentliche
Vorteile dieser Auslegung des Rastmechanismus mit dem zugehörigen Merkmal der
automatischen Freigabe gegenüber
den bekannten Mechanismen, die bei der Ventil-Stellantriebstechnologie verwendet wird,
sind nachstehend aufgelistet.
- 1) Das Einrastelement 51 ist
zwangsweise an dem Zahnrad 29 dem Einrastzustand (Handantrieb)
angeordnet und wird zwangsweise in seine Ausrastposition bewegt,
wenn das Zahnrad zu drehen beginnt. Es gibt somit keine Abhängigkeit für eine eine
Reibwirkung erzeugenden Komponente, um eine Änderung vom Handantrieb in
den Motorantrieb zu erreichen.
- 2) Beim Motorantrieb und bei arbeitendem Motor wird das Einrastelement 51 frei
von dem drehenden Zahnrad 29 gehalten. Dies ist eine beträchtliche
Verbesserung gegenüber
den bekannten Mechanismus, bei dem der Nachlauf-Einrasthebel in andauerndem
Federkontakt mit dem Schneckenrad steht, der etwas zur Motorantriebsreibung
beiträgt,
jedoch, was wesentlicher ist, Verschleißteilchen erzeugt, die schließlich das
Schmieröl über einer
langen Laufzeit verunreinigen können.
- 3) Die Drehung des Einrastelements 51 aus dem Motorantriebsmodus
in den (eingekuppelten) Handantriebsmodus wird hauptsächlich durch
die Anordnung erreicht, bei der das Einrastelement zwischen den
zwei Pfosten 54 hindurchgeht und gebogen wird. Dies ist
ein stärkerer
Zwangsvorgang als das Verlassen auf die bekannten Verfahren, bei
welchem eine selbstzentrierende Drahtfeder benutzt wird, um die Änderung
in Einraststellung zu erreichen. Die Verwendung der Feder 52, um
die letzten wenigen Grade der 90-Grad-Drehung
des Einrastelements zu vervollständigen, schließt den Zwangseinrastvorgang
ab, und schützt
gegen die Gefahr eines „Verriegelns" des Einrastelements
im Handantrieb durch die Pfosten 54.
-
Eine
alternative Ausgestaltung der Erfindung ist auf das Verringern der
Herstellungskosten für
die Zwischenwelle 24 gerichtet, was, in 8 veranschaulicht
ist.
-
Kehrt
man zu 3 zurück,
so dreht die dort gezeigte Welle 24 ein integrales kämmendes
Ritzel 26, das Zähne
in der Standardevolventenform und, wie gezeichnet, einen oberen ähnlichen
Keilabschnitt 31 aufweist, der mit der Keilbohrung des
beweglichen Kupplungselements 25 zusammenwirkt. Neben den zusätzlichen
Werkzeugbearbeitungskosten aufgrund der unterschiedlichen Sätze von
Zähen (Ritzel
und Keile) verhindert der vergrößerte zentrale
Durchmesser, auf dem die Welle 24 bezüglich des Zahnrads 29 (im
Handantrieb) drehen kann, die Verwendung eines Durchstechvorgangs
beim Ausbilden der Zähne.
-
Gemäß 8 trägt die Zwischenwelle 56 nur einen
Satz von Zahnradzähnen,
die verlängert
sind, um das das Treibritzel am unteren Ende der Welle, wie gezeigt,
zu bilden. An der Welle ist eine Anschlagschulter 58 dadurch
ausgebildet, dass die Zähne
spanend nach unten bearbei tet werden, gewöhnlich bis zu einem Durchmesser 59,
der annähernd äquivalent
zu dem Evolventenzahnteilkreisdurchmesser ist, d. h. dass der Zahnzusatz
spanend entfernt wird.
-
Nun
kann die Bohrung des beweglichen Kupplungselements 25 ausgearbeitet
werden, um ein Keilloch für
ein Zusammenwirken durch Gleiten auf den nach unten geschnittenen
Zähnen
an der Welle 56 auszubilden, wie es in dem oberen Querschnitt
gezeigt ist. Das Zahnrad 29 kann über die ausgeschnittenen Zähne drehen,
wie es im mittleren Querschnitt von 8 gezeigt
ist. Zwischen der Anschlagschulter 58 und dem beweglichen
Kupplungselement 25 kann eine Druckscheibe 60 angeordnet werden.
Die Welle 56 dreht mit einer relativ geringen Geschwindigkeit
in dem Zahnrad 29 und ohne irgendein Drehmoment auf das
Rad zu übertragen, wenn
der Stellantrieb sich im Handantrieb befindet, so dass kein merklicher
Verschleiß aufgrund
der unterbrochenen Kreiskontakte zwischen dem Zahnrad und der Welle
vorhanden ist.