DE69113967T2

DE69113967T2 - Drehantrieb mit Ringkolbenstange.

Info

Publication number: DE69113967T2
Application number: DE69113967T
Authority: DE
Inventors: Patrick F-27950 St Marcel Garceau
Original assignee: Societe Europeenne de Propulsion SEP SA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1990-12-28
Filing date: 1991-12-11
Publication date: 1996-03-21
Anticipated expiration: 2011-12-12
Also published as: US5235900A; CA2057486A1; FR2671145B1; EP0493167B1; EP0493167A1; DE69113967D1; FR2671145A1

Description

Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehantriebsvorrichtung mit Ringkolbenstange mit mindestens einem Kolbenkopf, der mit Dichtvorrichtungen versehen ist und mit einer Ringkolbenstange zusammenwirkt, die so montiert ist, daß sie sich in einer ringförmigen Kammer bewegen kann, und Vorrichtungen zum selektiven Anwenden eines unter Druck stehenden Fluids in dieser ringförmigen Kammer.
Die Erfindung betrifft genauer "Hochleistungs-" Drehzylinder mit einer torischen Kammer für pneumatische und hydraulische Anwendungen bei mittleren und hohen Drücken, beispielsweise bis zu Drücken einer Größenordnung von 100.10&sup5; Pascal.

Stand der Technik

Es sind insbesondere bereits aus dem Dokument US-A- 3 446 120 Drehantriebsvorrichtungen mit einem ringförmigen Kolbenkopf bekannt, der durch die Druckwirkung eines Fluids in Bewegung versetzt wird.
Fig. 2 stellt schematisch eine solche Art Drehzylinder mit torischer Kammer dar, mit dem, wie bei Drehschieberzylindern, direkt ein Moment hergestellt werden kann (ohne Mechanismus zum Umwandeln der Bewegung), und der dabei hinsichtlich der Dichtwirkung dem Linearzylinder ähnlich ist.
Der Drehzylinder der Fig. 2 umfaßt eine torische Zylinderstange 3', die über eine radiale Verbindung 4' mit einer Mittelwelle 5' verbunden ist und so eine Art Anker bildet. Die Zylinderstange 3' ist an ihren freien Enden mit Kolbenköpfen 2' versehen, die selbst mit Dichtvorrichtungen wie O-Ringen 10' versehen sind. Der Kolben 2', 3' bewegt sich in einer torischen Kammer 8', die von einem Außenkörper 1' und einer Innenwand 7' begrenzt wird, die selbst mit dem Außenkörper über eine radiale Verbindung 6' verbunden ist, nahe derer ein Hydraulik- oder Pneumatikfluiddruck in die ringförmige Kammer 8' gebracht werden kann, und zwar von der einen oder anderen Seite der Kolbenköpfe 2' aus durch Öffnungen 9', die den Außenkörper 1' durchqueren.
Die Kolbenstange 3' ist konstruktionsbedingt gebogen, damit sie sich innerhalb der Kammer 8' mit einem Achsendrehungsradius bewegen kann, der an jedem Punkt im wesentlichen konstant ist. Dadurch wird die Kolbenstange 3' biege- und nicht zug-/druckbeansprucht, wie dies bei einem linearen Zylinder der Fall ist.
Die Existenz eines der Wirkungsweise dieser Art Vorrichtung selbst inhärenten Biegemoments geht einher mit einer Verformung des Endes 2' der Stange 3' in den Phasen, in denen sie die durch den Druck auf den Kolben ausgeübte Kraft aufnimmt und überträgt. Diese Verformung, die quer auf die Bewegung des Kolbens in der Kammer 8' ausgeübt wird, wirkt sich nachteilig auf das Erreichen hoher Leistungen und die Zuverlässigkeit der Dichtwirkung aus, insofern, als sie ganz oder teilweise auf den Kolbenkopf 2' übertragen wird, der die Dichtung 10' trägt.
Bei einem gegebenen Zylinder gestaltet sich das Ausmaß der Verformung proportional zum Betriebsdruck, wobei die daraus resultierende Begrenzung entweder von der Beanspruchung in der Stange 3' und der Welle 5', die im allgemeinen eine starre Einheit bilden und manchmal aus einem Stück sind, oder daher rühren, daß die Dichtung 10' diese Verformung nicht absorbieren kann.
Die Schwierigkeit, eine angemessene Dichtigkeit im Bereich eines Kolbenkopfs 2' eines Drehzylinders mit ringförmiger Kolbenstange zu erreichen, wird bei Betrachtung der Fig. 3 besser verständlich, welche die jeweiligen Stellungen eines O-Rings 10' eines Kolbenkopfs 2' eines Drehzylinders und der Wände der von den Elementen 1' und 7' gebildeten torischen Kammer 8' zueinander zeigt.
Durch die Krümmung des Torus, in dem sich der Kolben bewegt, um die Bewegung herzustellen, wechselt die Form des Kontakts zwischen der Dichtvorrichtung (Dichtung 10') und der Torusoberfläche, welche die Kammer 8' bildet, kontinuierlich zwischen konvex-konvex (Bereich A) auf der inneren Erzeugenden, zu konvex-konkav (Bereich B) auf der äußeren Erzeugenden.
Diese Asymmetrie bewirkt:
a) einerseits, daß die Ausgestaltung des Bereichs A eine Berührungsbreite d1 zwischen Dichtring und Torus aufweist, die geringer ist als die Berührungsbreite d2 zwischen Dichtring und Torus der Ausgestaltung des Bereichs B,
b) andererseits, daß der Angriffswinkel β1 zwischen den Tangenten an der Berührungsgrenze im Bereich A unter ansonsten gleichen Bedingungen größer ist als der Angriffswinkel Beta 2 zwischen den Tangenten an der Berührungsgrenze im Bereich B.
Diese beiden lokalen Parameter d und ß beeinflussen den Leistungsgrad hinsichtlich der Dichtheit - der statischen und dynamischen beim ersten, der vorwiegend dynamischen beim zweiten - erheblich, d.h., wenn der Zylinder in Bewegung ist, und im Bereich A begünstigt und im Bereich B nicht begünstigt bezüglich der auf der mittleren Erzeugenden erreichten "neutralen" Ausgestaltung sind.
Hierbei ist es angebracht, das oben beschriebene, verschlimmernde Phänomen zu überlagern, das sich auf die durch die mechanische Verformung des Ankers 3' ausgeübte und auf die Dichtung in Form einer nach außen orientierten, radialen Resultierenden übertragene Kraft bezieht.
Diese letztere Wirkung betrifft ebenso die statische wie die dynamische Dichtigkeit. Sie wird insbesondere bei einem schnellen Unterdrucksetzen gefürchtet, aufgrund der geringen ''Ansprechzeit" der meisten herkömmlichen Dichtungen (wobei die Zeitkonstante von der Technologie und dem Dichtungsmaterial abhängt).
Schließlich sollte nicht vergessen werden, daß bei großen Bewegungsgeschwindigkeiten die zusätzliche Wirkung der Zentrifugalkraft auf die beweglichen Teile die Dichtheitsbedingungen noch verschlechtert und somit die Dynamik des Zylinders begrenzen kann.
Es wurde bereits versucht, beispielsweise bei einer in dem Dokument FR-A-2 345 607 beschriebenen Ausführungsform, die Verformungen der Zylinderstange 2' zu begrenzen. Dies führt jedoch zu komplizierten Strukturen, die schwierig ins Werk zu setzen sind.
Ebenso ist aus dem Dokument EP-A-0 181 971, das den Stand der Technik nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 veranschaulicht, eine Drehantriebsvorrichtung mit einer ringförmigen Kolbenstange bekannt, bei welcher der Kolbenkopf mit der Kolbenstange über ein schwebendes Gelenk zusammenwirkt, das einen Bewegungsfreiheitsgrad in Radialrichtung aufweist. Mit einer solchen Vorrichtung ist keine ausreichend präzise Steuerung der Position des Kopfes möglich, ebensowenig garantiert sie die Aufrechterhaltung einer ausreichenden Dichtigkeit bei hohen Drücken.
Bei den meisten bekannten Vorrichtungen, die zur gewerblichen Nutzung bestimmt sind (ölhaltige Luft mit einem Druck in der Größenordnung von maximal 10&sup6; Pascal), hat man versucht, einen Freiheitsgrad zwischen dem Kolben 2' und der Stange 3' zu schaffen, um dem Kolben 2' zu ermöglichen, sich selbst in der Kammer 8' zu positionieren und die Montage zu erleichtern.
Diese Freiheitsgrade zielen darauf ab, die Führungsund Kraftübertragungsfunktion des Kolbens 2' voneinander zu trennen, damit sie die Dichtigkeitsfunktion nicht stören. Bei den Anwendungen mit niedrigen Drücken ist dies kaum entscheidend, doch wird es zum Problem, sobald der Druck aufgrund der entwickelten mechanischen Kräfte größer wird, aufgrund der Selektion, die er der Dichtheitstechnologie auferlegt.
Die Erweiterung des Anwendungsgebiets dieses vielversprechenden Konzepts hinsichtlich Druck und Temperatur auf die Leistungsaspekte - Kapazität - Zuverlässigkeit, fand ihre Grenzen vor allem in den unvollkommenen, bis dahin verwendeten technischen Lösungen.

Gegenstand und Kurzbeschreibung der Erfindung

Die Erfindung zielt auf die Herstellung einer Drehantriebsvorrichtung mit ringförmiger Kolbenstange ab, die den vorgenannten Nachteilen abhilft und vor allem eine gute Dichtigkeit an den Kolbenköpfen gewährleistet, selbst in relativ hohen Druckbereichen von beispielsweise etwa 70.10&sup5; bis 100.10&sup5; Pascal, und zwar auch unter Tiefsttemperaturbedingungen, beispielsweise unter etwa 150ºK, und bei sehr flüchtigen Fluiden wie beispielsweise kaltem Heliumgas.
Die Erfindung zielt des weiteren darauf ab, eine Drehantriebsvorrichtung mit einer ringförmigen Kolbenstange herzustellen, bei der sich die natürliche Verformung der Teile, die das Antriebsdrehmoment übertragen, positiv auf Dichtheit, Leistung und Lebensdauer auswirkt.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, die Reibungen in einer torischen Antriebsvorrichtung ohne jegliche Schmierung in der torischen Kammer zu optimieren.
Diese Ziele werden mit einer Drehantriebsvorrichtung mit Ringkolbenstange erreicht, die mindestens einen Kolbenkopf aufweist, der mit Dichtvorrichtungen versehen ist und mit einer Ringkolbenstange zusammenwirkt, die so montiert ist, daß sie sich in einer ringförmigen Kammer bewegen kann, und Vorrichtungen zur selektiven Anwendung eines unter Druck stehenden Fluids in der ringförmigen Kammer, wobei der Kolbenkopf mit der Kolbenstange über ein Gelenk mit mindestens einem Translationsfreiheitsgrad zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß das Gelenk einen Drehfreiheitsgrad und einen Translationsfreiheitsgrad aufweist und ein Element in Form eines Messers umfaßt, dessen Schneide mit einer Bodenschneide bzw. -kante eines Einsteckbereichs mit dreieckigem Profil zusammenwirkt, wobei die Schneide des Messers und die Bodenkante parallel zur Drehachse der Kolbenstange angeordnet sind, in der Weise, daß die Translation entlang einer Achse erfolgt, die zur Drehachse der Kolbenstange (3) parallel ist und von der Schneide (21) des Messers (22) dargestellt wird, und daß die Drehung um geanu diese Achse erfolgt.
Der Abstand zwischen der Schneide des Messers und der Drehachse der Kolbenstange wird abhängig von den Verformungen unter Belastung bestimmt, um die auf die Kolbenstange ausgeübte Radialkraft zu kompensieren oder sogar geringfügig unter- oder überzukompensieren, damit die Dichtheit am ganzen Umfang der Dichtung gewährleistet ist.
Aufgrund der Verbindung Kolbenkopf-Kolbenstange der "Messerart" mit Kanten, die entlang einer zur Drehachse der Kolbenstange parallelen Achse positioniert sind, kann der Kolbenkopf ein echter schwenkbarer Dichtkopf mit zwei Freiheitsgraden sein, der danach strebt, die Dichtheit auf der Innenseite der torischen Kammer, die in der Regel am geringsten ist, in natürlicher Weise zu verstärken.
Der Abstand der von der Stange getragenen Messerschneide zur Drehachse ist so bestimmt, daß im Betrieb ein geringes Kippmoment hergestellt wird, damit eine Restradialkraft auf den Dichtkopf ausgeübt wird, die nach innen wirkt.
Die Einstellung der Kraft berücksichtigt im wesentlichen zwei Parameter, mit dem Ziel, diese zu kompensieren:
- die Winkelgeschwindigkeit, die eine Zentrifugalkraft auf den Dichtkopf ausübt,
- die konvex-konvexe Ausgestaltung zwischen der Dichtfläche der Dichtung und der Innenseite des Torus, die für die Dichtigkeit einen etwas höheren Berührungsdruck erfordert als den, der im Außenbereich notwendig ist, in dem die Krümmungsmittelpunkte auf der gleichen Seite des Kontakt bereichs liegen.
Nach einer besonderen Ausführungsform ist das Messer fester Bestandteil des Kolbenkopfes und ist der Einsteckbereich mit dreieckigem Profil am Ende der Kolbenstange ausgebildet.
Dieser Einsteckbereich mit dreieckigem Profil weist einen Öf fnungswinkel auf, der im wesentlichen größer ist als der Winkel der Messerspitze, die selbst einen dreieckigen Querschnitt aufweist, um den Drehfreiheitsgrad zu gewährleisten.
Die Vorrichtung weist vorzugsweise Befestigungsvorrichtungen auf, die zwischen dem Kolbenkopf und der Kolbenstange angeordnet sind, um zu verhindern, daß sich der an die Kolbenstange angelenkte Kolbenkopf löst.
Die Befestigungsvorrichtungen bergen trotz der beiden Freiheitsgrade des die Dichtungen tragenden Kolbenkopfes keine Loslösungsgefahr oder das Risiko eines Drehens von Kolbenkopf und Kolbenstange zueinander, und zwar selbst dann nicht, wenn die Kolbenstange beispielsweise von Hand bewegt wird.
Nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung umfassen die Befestigungsvorrichtungen einen Stift, der durch das Messer und den Einsteckbereich mit dreieckigem Profil geführt wird, und zwar quer zu der Schneide.
Nach einer zweiten Ausführungsform weisen die Befestigungsvorrichtungen mindestens eine Klammer auf, die im wesentlichen quer zu der Schneide ausgerichtet ist, wobei diese Klammer in Auskehlungen eingeführt wird, die in dem Messer vorgesehen sind, und umgebogene Enden aufweist, die selbst in Aussparungen geführt sind, die in der Kolbenstange gebildet sind.
Die am Kolbenkopf angeordneten Dichtvorrichtungen können eine Ringkontakt-Dichtung umfassen, deren radiale Starrheit an den in der Ringkammer angewandten Betriebsdruck angepaßt ist.
Ein ähnliche Lösung ist die konventionelle Dichtungslösung mit Runddichtring der Art "O-Ring" aus Elastomer, die in den Fällen gängiger Anwendung einsetzbar ist.
Nach einer weiteren Ausführungsform umfassen die Dichtvorrichtungen eine Lippendichtung, einen Ansatz und einen Dehner, die eine selbsttätige mechanische Zentrierung gewährleisten.
Nach noch einer weiteren Ausführungsform umfassen die Dichtvorrichtungen eine Lippendichtung und einen Ansatz mit Autoklavwirkung, die eine pneumatische Starrheit gewährleisten.
Die beiden letzteren Ausführungsformen entsprechen Hochleistungslösungen, die insbesondere für eine Verwendung unter Hochdruckbedingungen oder im Tiefsttemperaturbereich geeignet sind.
Die beiden letzteren Ausführungsformen, die ihre volle Wirkung in Kombination mit dem Vorhandensein eines Messergelenks der vorgenannten Art entfalten, sind außerdem wegen ihres hervorragenden Verhaltens, das die Dichtheit optimiert und gleichzeitig Reibungen begrenzt, besonders gut zur Proportionalsteuerung und zum Regeln für jegliche Fluide, auch Tief sttemperaturfluide, geeignet.
Allgemein kann im Vergleich zu den Ausführungsformen des Stands der Technik, die in einem Einsatzdruckbereich von nicht über 10&sup6; Pascal eingesetzt werden, die Antriebsvorrichtung der Erfindung nicht nur den Anwendungsbereich erheblich ausdehnen, beispielsweise bis zu Drücken, die sich problemlos in der Größenordnung von 10&sup7; Pascal bewegen können, sondern trägt sie ebenso dazu bei, den Parameter "Drehmoment pro Masse" zu erhöhen, der beispielsweise von 15 Nm/kg auf 30 Nm/kg mit einem Platzbedarf erhöht werden kann, der einem zehnmal geringeren Volumen entspricht.
Die Erfindung ist auf Mittel- oder Hochdruckzylinder pneumatischer oder hydraulischer Art anwendbar.

Kurzbeschreibung der Abbildungen

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung besonderer Ausführungsformen hervor, die beispielhaft und nicht erschöpfend gegeben sind und sich auf die beiliegenden Abbildungen beziehen.
Fig. 1 ist ein Halbschnitt einer Drehbetätigungsvorrichtung mit Schwenkkopf der Erfindung entlang einer zur Drehachse quer verlaufenden Mittelebene und der Linie I-I der Fig. 5,
- Fig. 2 ist ein Querschnitt nach einer zur Drehachse quer verlaufenden Mittelebene einer Drehantriebsvorrichtung mit ringförmiger Kolbenstange nach einer Ausführungsform des Stands der Technik,
- Fig. 3 ist eine Detailansicht im Schnitt nach einer ersten, zur Drehachse quer verlaufenden Mittelebene, welche die Berührungspunkte zwischen einem O-Ring eines Kolbenkopfes einer Drehantriebsvorrichtung wie der der Fig. 2 und den Wänden der torischen Kammer zeigt, in der sich der Kolbenkopf bewegt,
- Fig. 4 ist ein Diagramm, das die Beschreibung der durch einen Schwenkkopf einer Antriebsvorrichtung der Erfindung ausgeübten Kräfte zeigt,
- Fig. 5 ist eine Schnittansicht entlang der Linie V-V der Fig. 1,
- Fig. 6 ist eine Schnittansicht des Endes der Kolbenstange einer Vorrichtung der Erfindung quer zu den Schwenkkanten, die eine erste Verbindungsform von Kolbenkopf und Kolbenstange zeigt,
- Fig. 7 ist eine explodierte Perspektivansicht der Verbindungsform des Kolbenkopfes und der Kolbenstange nach Fig. 6,
- Fig. 8 ist eine Schnittansicht des Kolbenkopfes und des Endes der Kolbenstange einer Vorrichtung der Erfindung entlang der Linie VIII-VIII der Fig. 9 quer zu den Schwenkkanten, die eine zweite Verbindungsform von Kolbenkopf und Kolbenstange zeigt,
- Fig. 9 ist eine Schnittansicht entlang der Linie IX- IX der Fig. 8,
- Fig. 10 ist ein Schnitt quer zur Messerschneide eines schwenkbaren Kolbenkopfes mit Messer nach der Erfindung, ausgestattet mit einem O-Ring,
- Fig. 11 ist ein ebenfalls quer zur Messerschneide vorgenommener Halbschnitt eines schwenkbaren Kolbenkopfes der Erfindung, der mit einer Lippendichtung und einem Ansatz versehen ist, wobei ein Dehner für eine selbsttätige mechanische Zentrierung sorgt, und
- Fig. 12 ist ein Halbschnitt quer zur Messerschneide, der einen schwenkbaren Kolbenkopf der Erfindung zeigt, der mit einer Lippendichtung und einem Ansatz mit Autoklavwirkung versehen ist, der eine pneumatische Starrheit gewährleistet.

Genaue Beschreibung besonderer Ausführungsformen

Fig. 1 zeigt einen Teil einer pneumatischen oder hydraulischen Drehantriebsvorrichtung mit torischer Kammer 8 entsprechend der Erfindung, die bezüglich einer Ebene X'X wie bei den bekannten Antriebsvorrichtungen der in Fig. 2 dargestellten Art symmetrisch sein kann.
Der Zylinder der Fig. 1 umfaßt im wesentlichen eine ringförmige Kolbenstange 3, die über einen radialen Verbindungsbereich 4 mit einer Mittelwelle 5 verbunden ist, die auf diese Weise durch den in der torischen Kammer 8 angewandten Druck ohne zusätzliche mechanische Vorrichtung zum Umwandeln der Bewegung direkt drehend angetrieben werden kann. Die Verwendung einer Kolbenstange 3, die an ihren beiden freien Enden wie in Fig. 2 mit Kolbenköpfen 2 versehen ist, ermöglicht den selektiven Antrieb der Welle 5 in die eine oder andere Richtung. Die torische Kammer 8 kann wie in der aus Fig. 2 bekannten Ausführung aus einem Stück bestehen und ist von einem Außenkörper 1 und einem Innenteil 7 begrenzt, die in Höhe einer mittleren Erzeugenden des Torus zusammentreffen.
Der Zylinder der Fig. 1 unterscheidet sich von dem der Fig. 2 im wesentlichen dadurch, daß der Kolbenkopf 2, auf den der in der Kammer 8 angewandte Fluiddruck ausgeübt wird und der mit Dichtvorrichtungen 10 versehen ist, die beispielsweise aus einem klassischen O-Ring aus Elastomer bestehen, weder starr am Ende der Kolbenstange 3 in Ankerform befestigt ist noch einfach nur mit einer radialen, ebenen Fläche mit der Abschlußseite der Kolbenstange 3 in Berührung steht.
Im Gegenteil, wie in Fig. 1 und 5 zu sehen ist, wirkt der Kolbenkopf 2 mit der Kolbenstange 3 über ein Spezialgelenk zusammen, das einen Drehfreiheitsgrad um eine zur Drehachse 0 der Kolbenstange 3 des Zylinders parallele Achse und einen Translationsfreiheitsgrad entlang dieser parallelen Achse hat, die zum einen von einer Kante 21 eines Steckerteils 22 in Form eines mit dem Dichtkopf 2 fest zusammenhängenden Messers und zum anderen von einer Bodenkante 31 eines Einsteckteils mit dreieckigem Profil dargestellt wird, der am Ende der Kolbenstange 3 gebildet ist.
Der ein Messer bildende Steckerteil 22 kann aus einem Stück mit dem Körper 20 des Kolbenkopfes 2 sein. Wie man in Fig. 6 bis 8 sehen kann, weist der Teil 22 in Messerform an der Spitze einen Winkel auf, der im wesentlichen kleiner ist als der öf fnungswinkel des Einsteckteils mit dreieckigem Querschnitt, der von den beiden Seiten 32, 33 und der Bodenkante 31 am Ende der Kolbenstange 3 gebildet wird, um genau einen Drehfreiheitsgrad entlang einem Winkel Delta Theta um die von den Kanten 21, 31 definierte Achse zu bieten, die einander berühren.
Um eine Lösung von Kolbenkopf 2 und Kolbenstange 3 beispielsweise bei manueller Bedienung der Kolbenstange 3 von der Welle 5 aus zu verhindern, sind Befestigungsvorrichtungen vorgesehen, die dafür sorgen, daß die Kanten 21 und 31 miteinander in Kontakt bleiben, um das Gelenk des Schwenkkopfes 2 an der Kolbenstange 3 zu bilden, ohne daß die Bewegungen des Kolbenkopfes 2 gemäß den beiden Freiheitsgraden davon betroffen wären.
Nach einer ersten möglichen Ausführungsform, die in Fig. 6 und 7 dargestellt ist, weisen die Befestigungsvorrichtungen einen Stift 36 auf, der quer zu den Kanten 21, 31 durch das Messer 22 und den Einsteckteil mit dreieckigem Profil 32, 33 geführt wird. Die in dem Messer 22 für das Durchstecken des Stifts 36 vorgesehene Öffnung 24 weist ein größeres Spiel auf als die Öffnungen 34, 35, die in den Wänden vorgesehen sind, welche die Seiten 32, 33 des Einsteckteils bilden, der das Messer 22 aufnimmt, um das notwendige Ausfedern des Messers 22 durch Drehung um die Achsen 21, 31 während des Betriebs zu ermöglichen.
Nach einer weiteren, in Fig. 8 und 9 dargestellten Ausführungsform umfassen die Befestigungsvorrichtungen zwei Klammern 37, 37a, die quer zur Schneide 21 des Messers 22 ausgerichtet sind. Jede Klammer 37, 37a ist mit relativ großem Spiel in Auskehlungen 25, 26 eingeführt, die in den schmalen Längsseiten des Messers 22 vorgesehen sind. Die Klammern 37, 37a weisen umgebogene Enden auf, die in Aussparungen 38, 39 eingeführt sind, die in den Außenbereichen der Kolbenstange 3 vorgesehen sind. Das Spiel in den Auskehlungen 25, 26 ist ausreichend groß, um die Schwenkbewegungen des Messer 22 um die Kanten 21, 31 nicht zu behindern.
Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 1 und 5-10 dargestellt ist, weist der Körper 20 des Kolbenkopfes 2 eine ringförmige Rille 23 auf, in der sich ein klassischer 0-Ring 10 aus Elastomer befindet, der für Fälle gängiger Anwendung, d.h. für mittlere Drücke und Temperaturen außerhalb des Tiefsttemperaturbereichs gut geeignet ist.
Fig. 11 und 12 zeigen zwei weitere Ausführungsformen von Dichtvorrichtungen, die besonders für solche Fälle geeignet sind, in denen Hochleistungen verlangt werden, beispielsweise für Tiefsttemperaturanwendungen bis zu Temperaturen von -200ºC und hohe Drücke wie 10&sup7; Pascal, die bei einem sehr flüchtigen Gas wie Helium erreicht werden.
Die Ausführungsformen der Fig. 11 und 12 gewährleisten eine hervorragende Dichtheit mit wenig Reibungen, wodurch sie sich besonders für die Proportionalsteuerung und das Regeln empfehlen.
In Fig. 11 und 12 sieht man Lippendichtungen 11, 14 und Ansätze 12, 15, die aus Polymerhüllen bestehen, deren Profil an die spezifizierten Betriebsbedingungen angepaßt ist, und die entweder mit elastischen Dehnern 13 (Fig. 11) zur automatischen mechanischen Zentrierung oder mit der Autoklavwirkung des Drucks (Fig. 12) arbeiten, um die gerade eben für die Dichtheit erforderliche Kontaktkraft herzustellen und zu steuern.
Der Dichtkopf 2 ist in aller Regel mit einer Dichtung mit hoher elastischer Rückstellung versehen, deren Starrheit im Betrieb so berechnet ist, daß die Kontakt kraft, welche den Dichtzustand bestimmt, unter Berücksichtigung der möglichen Restradialkraft an jedem Punkt erreicht wird.
Im Fall der Fig. 12 trägt die Autoklavwirkung der Dichtung 14, 15 zur Dichtheit bei, indem sie für eine zu der Druckhöhe proportionale pneumatische Starrheit sorgt.
In der Praxis stellt eine Kontaktkraft zwischen Dichtung und Torus, die einen lokalen Kontaktdruck zwischen dem Zwei- bis Dreifachen des in der torischen Kammer 8 des Zylinders herrschenden Betriebsdrucks herstellt, ein ausreichendes Kriterium für die Dichtheit dar.
Die Verwendung eines Kolbenkopfes 2, der an die Kolbenstange 3 über eine Verbindung mit zwei Freiheitsgraden nach Art eines Messers mit einer zur Drehachse des Zylinders parallelen und zur Mittelebene der torischen Kammer 8 quer verlaufenden Schwenkachse angelenkt ist, ist besonders wichtig, da sie es ermöglicht, die auf die diversen Bereiche der Dichtung 10, 11 bis 13 oder 14, 15 ausgeübten Kräfte wiederauszugleichen und insbesondere die Dichtheit im Bereich des der inneren Erzeugenden des Torus nahegelegenen Bereichs zu verstärken und die weiter oben mit Bezug zu Fig. 3 beschriebene negative Wirkung der Vorrichtungen des Stands der Technik auszugleichen.
Wie Fig. 4 zeigt, kann der Abstand zwischen der Kante 21 des Messers 22 und der Drehachse 0 des Zylinders vom Radius R der Mittellinie 4' des Torus abweichen und ist von den Verformungen unter Belastung abhängig, um durch die Reaktionskraft Rc die Radialkraft Rsigma auszugleichen und sogar aufzuheben, die auf den Innenbereich des Kolbenkopfes 2 durch die von dem Fluiddruck auf den Kolbenkopf 2 ausgeübte Kraft ausgeübt wird.
Der Abstand zwischen der Schneide 21 des Messers 22 und somit ebenso der von der Stange 3 getragenen entsprechenden Bodenkante 31 und der Drehachse 0 des Zylinders wird somit so bestimmt, daß im Betrieb ein geringfügiges Schwenkmoment erzeugt wird, um eine Restradialkraft auf den Kolbenkopf 2 zu erzeugen, die nach innen ausgeübt wird. Die Einstellung dieser Restradialkompensationskraft erfolgt im wesentlichen durch Berücksichtigung der beiden folgenden Parameter:
- der Winkelgeschwindigkeit, die eine Zentrifugalkraft auf den Dichtkopf 2 ausübt,
- der konvex-konvexen Ausgestaltung zwischen der Dichtlippe 11; 14 oder dem Rundkontakt der Dichtung 10 und der Tnnenseite der Wand 7 der torischen Kammer 8, die zur Dichtheit einen Kontaktdruck benötigt, der geringfügig über dem liegt, der im Außenbereich erforderlich ist, in dem die Krümmungsmittelpunkte bezüglich des Kontakts auf der gleichen Seite liegen.
Aufgrund der durch die besondere Ausgestaltung der Verbindung zwischen Kolbenkopf 2 und Kolbenstange 3 erreichten Kompensationen kann man die Radialbewegungen im Bereich der Dichtung 10 auf Hübe der Größenordnung von beispielsweise 5/100e mm reduzieren, wodurch zusammen mit den bestehenden Dichtungen eine gute Dichtheit selbst bei hohen Drücken erreicht wird. Durch die Begrenzung der durch die Stange 3 auf den Kolben 2 ausgeübten Störkräfte kann außerdem die Lebensdauer der Dichtungen erhöht werden.
Vorstehend wurde eine Verbindung mit einem Messer 22 beschrieben, das fest verbunden ist mit dem Körper 20 des Kolbenkopfes 2, und einem Einsteckteil mit offenerem, dreieckigem Profil, der am freien Ende der Kolbenstange 3 gebildet ist. In bestimmten Fällen könnten das Messer 22 und der Einsteckteil 32, 33 jedoch die Rollen tauschen, wobei der Einsteckteil am Kolbenkopf 2 und das Messer selbst am Ende der Stange 3 gebildet würde.
Als Beispiel kann ein Zylinder der Erfindung einen Durchmesser der Größenordnung von 115 bis 120 mm, eine Höhe von etwa 75 mm und eine Masse von etwa 2 kg aufweisen und dabei immer noch ein Moment von beispielsweise etwa 150 Nm liefern. Die Zylinder der Erfindung können auf diese Weise sehr kompakt sein, dabei jedoch zuverlässiger sein und höhere Leistungen erbringen.

Claims

1. Drehantriebsvorrichtung mit Ringkolbenstange mit mindestens einem Kolbenkopf (2), der mit Dichtvorrichtungen (10) versehen ist und mit einer Ringkolbenstange (3) zusammenwirkt, die so montiert ist, daß sie sich in einer ringförmigen Kammer (8) hin- und herbewegen kann, und Vorrichtungen zum selektiven Anwenden eines unter Druck stehenden Fluids in der ringförmigen Kammer (8), wobei der Kolbenkopf (2) mit der Kolbenstange (3) über ein Gelenk mit mindestens einem Bewegungsfreiheitsgrad zusammenwirkt,

dadurch gekennzeichnet, daß das Gelenk einen Drehfreiheitsgrad und einen Translationsfreiheitsgrad aufweist und ein Teil (22) in Form eines Messers umfaßt, dessen Schneide (21) mit einer Bodenschneide (31) eines Einsteckbereichs (32, 33) mit dreieckigem Profil zusammenwirkt, wobei die Schneide (21) des Messers (22) und die Bodenschneide (31) parallel zur Drehachse der Kolbenstange (3) angeordnet sind, in der Weise, daß die Translation entlang einer Achse erfolgt, die zur Drehachse der Kolbenstange (3) parallel ist und von der Schneide (21) des Messers (22) dargestellt wird, und daß die Drehung um eben diese Achse erfolgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Schneide (21) des Messers (22) und der Drehachse der Kolbenstange (3) abhängig von den Verformungen unter Lasteinwirkung bestimmt wird, um die auf die Kolbenstange (3) ausgeübte Radialkraft auszugleichen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Messer (22) fester Bestandteil des Kolbenkopfes (2) und daß der Einsteckbereich (32, 33) mit dreieckigem Profil am Ende der Kolbenstange (3) gebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Messer (22) fest verbunden ist mit dem Ende der Kolbenstange (3) und der Einsteckbereich (32, 33) mit dreieckigem Profil am Kolbenkopf (2) gebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsteckbereich (32, 33) mit dreieckigem Profil einen Öffnungswinkel aufweist, der im wesentlichen größer ist als der Winkel an der Spitze des Messers (22), das selbst einen dreieckigen Querschnitt aufweist und auf diese Weise den Drehfreiheitsgrad gewährleistet.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie Befestigungsvorrichtungen (36; 37) aufweist, die zwischen dem Kolbenkopf (2) und der Kolbenstange (3) angeordnet sind, um zu verhindern, daß sich der an die Kolbenstange (3) angelenkte Kolbenkopf (2) löst, wobei aber noch ein gewisser Ausschlag möglich ist, der zu den Translations- und Drehfreiheitsgraden beiträgt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsvorrichtungen einen Stift (36) umfassen, der durch das Messer (22) und den Einsteckbereich mit dreieckigem Profil geführt wird, und zwar quer zu der Schneide (21).

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsvorrichtungen mindestens eine Klammer (37) aufweisen, die im wesentlichen quer zu der Schneide (21) ausgerichtet ist, wobei diese Klammer (37) in Auskehlungen (25, 26) eingeführt wird, die im Messer (22) gebildet sind, und umgebogene Enden aufweist, die selbst in Aussparungen (38, 39) eingeführt sind, die im Haltebereich (33) des Einsteckbereichs mit dreieckigem Profil gebildet sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtvorrichtungen (10) eine Kugelkontakt-Dichtung mit rundem Kontakt umfassen, deren Radialsteifheit an den in der Ringkammer (8) angewandten Betriebsdruck angepaßt ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtvorrichtungen (10) eine Lippendichtung (11), einen Ansatz (12) und einen Dehner (13) umfassen, die eine automatische mechanische Zentrierung gewährleisten.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtvorrichtungen (10) eine Lippendichtung (14) und einen Ansatz (15) mit Autoklavwirkung umfassen, die eine pneumatische Steifheit gewährleisten.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Mittel- oder Hochdruck- Pneumatikzylinder ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Mittel- oder Hochdruck- Hydraulikzylinder ist.