DE1600808B2

DE1600808B2 - Druckmittelbetriebene betaetigungsvorrichtung fuer die antriebswelle eines ventils

Info

Publication number: DE1600808B2
Application number: DE19671600808
Authority: DE
Inventors: Werner Klaus Barrington Ul Priese (VStA)
Original assignee: Hills McCanna Company, (Ges n d Gesetzen d Staates Delaware), Carpenters ville, 111 (VStA)
Priority date: 1966-06-24
Filing date: 1967-06-24
Publication date: 1972-03-02
Also published as: US3394632A; GB1172018A; DE1600808A1

Description

Die Erfindung betrifft eine druckmittelbetriebene Betätigungsvorrichtung für die Antriebswelle eines Ventils mit zwei Antriebskolben, die mittels endseitiger Zapfen in Kulissenschlitze eingreifen, welche an den entgegengesetzten Enden eines Doppelgabelhebels ausgebildet sind, der mittig an der Antriebswelle befestigt ist.

Bei der aus der USA.-Patentschrift 3 253 518 bekannten Betätigungsvorrichtung dieser Art sind die beiden Antriebskolben in zwei zueinander parallelen Zylindern angeordnet und wirken mittels jeweils zentrisch angeordneter Zapfen auf den Doppelgabelhebel ein, welcher auf der zwischen den Längsachsen der beiden Zylinder gelagerten Antriebswelle befestigt ist.

Im Betrieb dieser Betätigungsvorrichtung wird je nach Antriebsrichtung einem der beiden Zylinder das Druckmittel zugeführt, so daß der darin befindliche Kolben den Doppelgabelhebel schwenkt und dabei gleichzeitig — über den anderen Arm des Gabelhebels — den anderen, unbetätigten Antriebskolben in dessen Zylinder in die Ausgangslage zurückschiebt.

Auf diese Weise verstellt stets nur ein Kolben die Antriebswelle, und infolge des derart unsymmetrischen Kraftangriffs wirkt auf die Antriebswelle nicht nur das erforderliche Stell-Drehmoment, sondern auch eine Querkraft, die, sofern sie nicht die Antriebswelle verbiegt, doch zumindest die Reibung der Antriebswelle in ihrer Lagerung erhöht. Darüber hinaus sind die Kolben bei der bekannten Vorrichtune gegenüber den auf Grund der Stein-Kulissen-Kinematik zwangsläufig auftretenden, senkrecht zur Zylinderachse wirkenden Querkräften nicht ausreichend geführt, zumal der in erster Linie dieser Führung dienende Zylinderbereich zwecks Durchtritts des Doppelgabelhebels weggeschnitten ist. Die Folge davon ist erhöhter Verschleiß sowohl an den Kolben als auch an den Zylindern.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugründe, die Führung der Kolben zu verbessern und geringere Querkräfte auftreten zu lassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die beiden Antriebskolben in einem einzigen Zylinder angeordnet sind, dieselbe Längsachse, aber entgegengesetzte Wirkrichtungen haben und mit einander zugekehrten, auf verschiedenen Seiten der Antriebswelle angeordneten, sich in Zylinderlängsrichtung erstreckenden Seitenansätzen versehen sind, daß die freien Enden der Seitenansätze die Zapfen tragen und daß mindestens eine die Antriebswelle umgebende Führungsbuchse die Seitenansätze quer zur Längsachse des Zylinders abstützt.

Die vorstehend gekennzeichnete, aus der USA.-Patentschrift 3 107 080 an sich bekannte Anordnung und Wirkungsweise der Antriebskolben führt zu einem symmetrischen Kraftangriff an der Antriebswelle, so daß auf diese nur das Stellmoment wirkt. Ferner sind gegenüber der eingangs geschilderten Betätigungsvorrichtung sowohl der Raumaufwand als auch die erforderlichen Stellkräfte reduziert. Infolge des Zusammenwirkens von Zapfen und Doppelgabelhebel auftretende und auf die Kolben wirkende, zur Zylinderachse hin gerichtete Querkräfte werden von der Führungsbuchse aufgenommen und können sich nicht nachteilig auswirken.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Zeichnungen zeigen ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung, und zwar

F i g. 1 einen Längsschnitt durch ein Ventil mit angesetzter Betätigungseinrichtung,

F i g. 2 in vergrößertem Maßstab einen Schnitt entlang der Linie 2-2 in F i g. 1,

F i g. 3 in vergrößertem Maßstab einen Schnitt durch die Betätigungseinrichtung entlang der Linie 3-3 in Fig. 1,

F i g. 4 in perspektivischer Darstellung einen in der Betätigungseinrichtung gemäß F i g. 1 verwendeten Kolben,

F i g. 5 eine schematische Darstellung des Steuerkreislaufs der Betätigungseinrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 6 ein Kräftediagramm zur Darstellung der von einem Kolben auf den Doppelgabelhebel gemäß F i g. 2 ausgeübten Kraft,

F i g. 7 ein Kräftediagramm zur Erläuterung der einzelnen Kraftkomponente gemäß F i g. 6 und

F i g. 8 eine graphische Darstellung des der Ventilantriebswelle von dem Doppelgabelhebel zugeführten Drehmoments als Funktion der Winkelstellung der Antriebswelle.

In F i g. 1 ist ein Ventil 10 gezeigt, das mit Hilfe einer Betätigungseinrichtung 12 antreibbar ist. Das Ventil 10 hat ein Ventilgehäuse 14 mit zwei Zu- bzw. Abströmkanälen 16,18. Das Ventilgehäuse 14 definiert zusammen mit einem Ventildeckel 22 einen Schließraum 20. Innerhalb dieses Schließraumes ist ein Schließteil 24, beispielsweise ein Kugel-Küken an-

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geordnet, das verdrehbar an zwei Ventilsitzen 26, den Doppelgabelhebel 56 und die Antriebswelle 34

28 anliegt. um bis zu etwa 90°. Die Bewegung des Kolbens 50

Der Schließteil 24 hat eine rechteckige Aus- nach innen wird dadurch begrenzt, daß sich seine

rrehmung 30, in die ein entsprechender Ansatz 32 der Vorsprünge 93, 95 gegen eine in einer Ausnehmung

Antriebswelle 34 des Ventils eingreift. Diese An- 5 108 des Kolbenbodens 74 des Kolbens 48 befindliche

triebswelle wird mit Hilfe der Betätigungseinrichtung Anlage 106 legen. In entsprechender Weise wird eine

12 verdreht. Zwischen der Antriebswelle 34 und Bewegung des Kolbens 48 nach innen dadurch be-

dem Ventildeckel 22 ist eine Packung 36 vorgesehen. grenzt, daß sich seine Vorsprünge 78, 80 an eine in

Die Betätigungseinrichtung 12 hat ein zylindrisches einer Ausnehmung 112 des Kolbenbodens 76 des

Gehäuse 40, das an seinen Stirnseiten mit zwei Ver- io Kolbens 50 befindliche Anlage 110 legen. Eine nach

schlußdeckeln 42, 44 abgeschlossen ist und einen Zy- außen gerichtete Verschiebung der Kolben 48, 50,

linder 46 bildet. Innerhalb dieses Zylinders sind zwei d. h. aus der in F i g. 2 gezeigten Stellung in die Stel-

Kolben 48, 50 entlang der Zylinderlängsachse 52 hin- lung gemäß Fig. 1, wird durch Einwirkung des

und herbewegbar angeordnet. Druckmittels gegen Innenflächen 114,116 der KoI-

Im Bereich des oberen, freien Endes der Antriebs- 15 ben 48, 50 bewirkt. Die Bewegung der Kolben 48, 50

welle 34 ist ein Doppelgabelhebel 56 mit Hilfe eines nach außen wird dadurch begrenzt, daß sich die

Stiftes 58 derart befestigt, daß der Mittelpunkt des Kolbenboden 74, 76 gegen die Verschlußdeckel 42,

Gabelhebels mit dem Schnittpunkt von Längsachse 44 legen (F i g. 1).

52 und der Längsachse 60 der Antriebswelle 34 zu- Die Vorsprünge 78, 80 des Kolbens 48 haben gesammenfällt. Der Doppelgabelhebel 56 und damit die 20 maß den F i g. 1 und 4 eine gekrümmte Außenfläche Antriebswelle 34 werden zum Öffnen und Schließen 118, die verschiebbar an der inneren Zylinderwand des Ventils 10 von den Kolben 48, 50 verdreht. Die 120 des Zylinders 46 anliegt. Die freien Enden der Drehung der Antriebswelle 34 wird durch ein Ein- Vorsprünge 78, 80 sind von der Zylinderwand 120 satzlager 64 erleichtert, das im oberen Bereich des nach innen abgeschrägt und bilden somit schräg-Gehäuses 40 befestigt ist. Das obere Ende der An- 25 verlaufende Stirnbereiche 122,124, die ein Anliegen triebswelle 34 weist einen abgeflachten Bereich 66 der Vorsprünge 78, 80 an der Anlage 110 in der Ausauf, auf welchen ein Handgriff 68 aufsetzbar ist, um nehmung 112 des Kolbens 50 ermöglichen. Wie aus das Ventil auch von Hand betätigen zu können. F i g. 2 hervorgeht, hat die Anlage 110 einen gewissen

Aus F i g. 2 in Verbindung mit den F i g. 3 und 4 Abstand von der Zyhnderwand 120 des Zylinders 46,

ist zu entnehmen, daß die Kolben 48, 50 von der in 30 damit der Kolbenboden 76 des Kolbens 50 abgedich-

F i g. 1 gezeigten Außenlage nach innen verschiebbar tet in der Zyhnderwand 120 liegen kann und damit

sind. Diese Kolbenbewegung wird durch Einwirkung der mögliche Bereich einer relativen Kolbenbewegung

eines Druckmittels auf die Außenflächen 70, 72 der der Kolben 48, 50 zueinander ein Optimum erhält.

Kolbenboden 74, 76 der Kolben 48, 50 erzielt. Der Auf ähnliche Weise sind auch die Vorsprünge 93, 95

Kolben 48 ist insbesondere gemäß F i g. 4 so aus- 35 des Kolbens 50 nach innen abgeschrägt, damit sie

gebildet, daß sich an seinen generell zylindrischen sich gegen die Anlage 106 legen können und von der

Boden 74 ein Seitenansatz 77 anschließt, der etwa par- Zylinderwand 120 abstehen.

allel zur Rotationsachse des Kolbenbodens verläuft. Die Seitenansätze 77, 89 der beiden Kolben 48, 50

Das freie Ende des Seitenansatzes 77 geht in zwei in werden mit Hilfe zweier zylindrischer Führungen

Längsrichtung verlaufende Vorsprünge 78, 80 über, 40 128,130 in Berührung mit der Zylinderwand 120 des

die zwischen sich einen Schlitz 82 bilden, welcher von Zylinders 46 gehalten. Die zylindrische Führung 128

einem Mitnehmer 84 durchsetzt wird. liegt koaxial zur Antriebswelle 34 zwischen der unte-

Den F i g. 2 und 3 ist zu entnehmen, daß der Mit- ren Begrenzungsfläche des Doppelgabelhebels 56 und

nehmer 84 einen Stift 86 enthält, der in den Vor- dem Gehäuse 40. Im Gehäuse ist eine Ringnut 132

Sprüngen 78, 80 festgelegt ist. Koaxial zum Stift 86 45 vorgesehen, in die die Unterseite der Führung 128

und zwischen den beiden Vorsprüngen 78, 80 ist eine eingesetzt ist. Der Vorsprung 80 des Kolbens 48 und

zylindrische Rolle 88 befestigt. Diese Rolle liegt an der Vorsprung 93 des Kolbens 50 liegen dabei an

den Seitenwänden 90, 92 (F i g. 2) eines Schlitzes 94 sich gegenüberliegenden Seiten der Führung 128 an.

im Doppelgabelhebel 56 an. Dieser erstreckt sich zu Die zweite Führung 130 liegt ebenfalls koaxial zur

diesem Zweck bis in den zwischen den Vorsprün- so Antriebswelle 34, sie ruht jedoch auf der Oberseite

gen 78, 80 gebildeten Schlitz 82, so daß er dauernd des Doppelgabelhebels 56 auf; das obere Ende der

mit der Rolle 88 in Verbindung steht. Führung 130 liegt in einer Ringnut 134 des Einsatz-

Der in F i g. 2 gezeigte Kolben 50 ist dem Kolben lagers 64. Der Vorsprung 78 des Kolbens 48 und der 48 identisch und hat demgemäß einen als integralen Vorsprung 95 des Kolbens 50 liegen dann an sich Bestandteil vom Kolbenboden 76 abstehenden Seiten- 55 gegenüberliegenden Seiten der zylindrischen Fühansatz 89. Ebenso sind Vorsprünge 93, 95 (F i g. 3) rung 130 an. Sobald sich die Kolben 48, 50 im Zyvorgesehen, die einen Mitnehmer 96 halten. Dieser linder 46 relativ zueinander bewegen, werden die beiMitnehmer 96 liegt in einem Schlitz 98 im anderen den zylindrischen Führungen 128 und 130 auf Grund Ende des Doppelgabelhebels 56 entsprechend der An- von Reibung von den Vorsprüngen 78, 80, 93, 95 mitordnung des Mitnehmers 84 im Schlitz 94. Der Mit- ^6o genommen und drehen sich relativ zur Zyhnderwand nehmer 96 umfaßt wiederum einen Stift 100 sowie 120. Da aber der Doppelgabelhebel 56 und auch die eine diesen umgebende zylindrische Rolle 102. Antriebswelle 34 zur gleichen Zeit relativ zur Zy-Beim Verschieben der Kolben 48,50 unter der linderwand 120 verdreht werden, entsteht keine Einwirkung eines Druckmittels auf die Außenflächen Relativbewegung zwischen den Führungen 128,130 70, 72 von der äußeren Lage gemäß F i g. 1 in ihre 65 einerseits und dem Doppelgabelhebel 56 und der Aninnere Stellung gemäß F i g. 2 drücken die Mitnehmer triebswelle 34 andererseits.

84, 96 gegen die außen verlaufenden Seitenwände der Zusätzlich zu ihrer Aufgabe, die Vorsprünge 76,

U-förmigen Schlitze 94, 98 und verdrehen dadurch 89 an der Zyhnderwand 120 zu halten, dienen die

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Führungen 128,130 als Widerlager gegen nach innen tion des Mitnehmers 96 mit dem Schlitz 98 im Dopgerichtete Kräfte, die von den Vorsprüngen 77, 98 pelgabelhebel 56. Die Rolle 102 des Mitnehmers 96 während der Kolbenbewegung ausgeübt werden. Wie kann lediglich eine senkrecht zur Längsachse des es F i g. 3 zeigt, haben die Führungen 128,130 einen Doppelgabelhebels 56 wirkende Kraft übertragen, 'größeren Innendurchmesser als der Außendurch- 5 weil jede Seitenkraft bzw. Tangentialkraft, die auf messer der Antriebswelle 34, so daß sie nicht in di- die Rolle 102 einwirken würde, eine Verdrehung dierekte Berührung mit der Antriebswelle kommen. Die ser Rolle relativ zum Doppelgabelhebel 56 bewirken Führungen 128,130 nehmen daher auch radial auf würde. Die effektive Kraft E muß daher notwendisie einwirkende, von den Seitenansätzen 77, 89 korn- gerweise in eine Komponente X senkrecht zur Längsmende Kräfte auf, ohne diese an die Antriebswelle io achse des Doppelgabelhebels und in eine Kompo- 34 weiterzuleiten. Dieses Merkmal ist besonders vor- nente Y zerlegt werden, die senkrecht zu den Führunteilhaft, weil dadurch eine Verlängerung der Lebens- gen 128,130 verläuft. Das Kräfteparallelogramm gedauer sowohl der Betätigungseinrichtung 12 als auch maß F i g. 7 zeigt dann auch, daß die Kraft X größer des Ventils 10 eintritt, da die Antriebswelle 34 ist als die Kraft E, wenn sich der Kolben 50 anfängkeiner Biegebeanspruchung ausgesetzt wird und sich 15 Hch aus seiner Ruhestellung bewegt,
auch nicht in den Führungen festfressen kann. Wenn Während sich die Kolben 48, 50 aufeinander zu die Führungen 128,130 in dem bevorzugten Aus- nach ihnen bewegen, nimmt die Kraftkomponente X führungsbeispiel auch als vom Gehäuse 40 getrennte graduell in ihrer Größe ab, bis sie, wenn die Längs-Teile gezeigt sind, so leuchtet es doch ein, daß die achse des Doppelgabelhebels 56 senkrecht zur Längs-Führungen auch ein Teil des Gehäuses bzw. des Ein- 20 achse des Zylinders 46 steht, parallel zur effektiven satzlagers sein können. In diesem Fall würden sie Kraft E wirkt und daher die gleiche Größe wie diese allerdings bei einer Kolbenbewegung nicht relativ Kraft E hat. Wenn der Doppelgabelhebel weiter verzum Gehäuse 40 drehen, so daß eine Reibungskraft dreht wird, nimmt die Größe der Komponente X zwischen den feststehenden Führungen und den Vor- wieder graduell zu, während sich der Winkel der Sprüngen 78, 80, 93, 95 der Kolben 48, 50 auftreten 25 Verlagerung der Längsachse des Doppelgabelhewürde. . bels 56 zur Querachse des Zylinders 48 erhöht.

Aus F i g. 5 ist unter Berücksichtigung der F i g. 2 In ähnlicher Weise ist die Kraftkomponente X zu- und 3 eine schematisch dargestellte Steuerung 140 zu nächst verhältnismäßig groß, wenn das Druckmittel entnehmen. Diese Steuerung 140 enthält ein Vier- durch die Leitung 148 auf die Kolben-Innenflächen wege-Umsteuerventil 142 bekannter Bauart, das von 3° 114,116 gelangt und die Kolben aus der in Fig. 2 einem Magneten 144 betätigt wird. Dieses Ventil ver- gezeigten Stellung in die Stellung gemäß F i g. 1 verbindet eine unter Druck stehende Leitung 146 mit zwei schieben; die Kraftkomponente X nimmt dabei lang-Leitungen 148, 150, die zur Betätigungseinrichtung sam ab, während sich der Doppelgabelhebel 56 in 12 führen. Weiterhin ist an dem Ventil 142 eine Aus- eine Stellung dreht, in der seine Längsachse mit der laßleitung 152 vorgesehen. Die Wirkungsweise dieser 35 Querachse des Zylinders 46 zusammenfällt. In die-Steuerung ist herkömmlicher Art und bedarf keiner sem Moment verläuft die Kraftkomponente X par-Erläuterung. allel und in gleicher Größe zur effektiven Kraft E.

Aus F i g. 3 ist zu entnehmen, daß die Leitung 148 Beim Weiterverdrehen des Doppelgabelhebels nimmt

über einen Kanal 160 mit einem im Gehäuse 40 vor- die Kraftkomponente X graduell zu.

gesehenen Verteilerring 158 verbunden ist. Weiter- 40 Wie wiederum F i g. 6 in Verbindung mit F i g. 2

hin sind im Bereich der Kolbenböden 74, 76 der bei- zeigt, übt die senkrecht zum Doppelgabelhebel 56 an

den Kolben Kolbenringe 161 vorgesehen. einem Hebelarm L₁ wirkende Kraftkomponente X

Aus F i g. 3 in Verbindung mit F i g. 2 ist zu ent- ein Drehmoment auf die Steuerwelle 34 aus. Dieses

nehmen, daß die Leitung 150 an einen sich längs Drehmoment ist gemäß F i g. 6 gleich der Kraftkom-

durch das Gehäuse erstreckenden Kanal 164 ange- 45 ponenteX multipliziert mit dem Hebelarm L₁. Da

schlossen ist, welcher an den Enden des Zylinders 46 die Kraftkomponente X am Anfang der Bewegung

Öffnungen 166,168 hat. Diese Öffnungen stehen verhältnismäßig groß ist, ist auch das von dem Dop-

mit zwei kreisförmigen Verteilerringen 170,172 in pelgabelhebel 56 auf die Steuerwelle 34 übertragene

Verbindung, welche in den Zylinderköpfen bzw. den anfängliche Drehmoment groß. Während der Dre-

Verschlußdeckeln 42, 44 vorgesehen sind. 50 hung der Antriebswelle 34 nehmen die Kraftkom-

In Fig. 6 ist ein Kräftediagramm gezeigt, das zur ponente X und der wirksame HebelarmL₁ langsam Erläuterung der vom Mitnehmer 96 auf den Doppel- ab, so daß sich das in F i g. 8 gezeigte Drehmoment gabelhebel 56 ausgeübten Kraft dienen soll. Der Mit- an der Antriebswelle 34 so lange verringert, bis es nehmer 96 übt eine effektive Kraft E aus, die gleich beim Zusammenfallen von Längsachse des Doppeldem Druck P des Druckmittels multipliziert mit der 55 gabelhebels 56 und Querachse des Zylinders 46 (entFläche A des Kolbenbodens abzüglich der Reibungs- sprechend einer Verdrehung in F i g. 8 von 0°) sein kraft B ist, die zwischen den Kolbenringen 161 und Minimum erreicht. Bei weiterer Verdrehung des der Zylinderwand 120 wirkt. Diese effektive Kraft E Doppelgabelhebels 56 nehmen die Kraftkompowird von dem Mitnehmer 96 in zwei Kraftkompo- nente X und der wirksame Hebelarm L₁ langsam zu, nenten zerlegt. Die erste Komponente X wirkt senk- ^6o so daß auch gemäß der Darstellung in F i g. 8 das recht auf eine Längsachse des Doppelgabelhebels 56, auf die Antriebswelle einwirkende Drehmoment wiewährend die zweite Komponente bzw. die Seiten- der zunimmt, wenn der Doppelgabelhebel 56 aus der kraft Y auf die Führungen 128,130 einwirkt. Stellung herausgedreht wird, in der seine Längsachse

Die senkrecht zur Längsachse des Gabelhebels 56 mit der Querachse des Zylinders 46 zusammenfällt,

wirkende Kraftkomponente X ist gemäß F i g. 7 grö- ⁶5 Selbstverständlich ist das von den beiden Kolben

ßer als die anfängliche effektive Kraft E, die auf den 48, 50 ausgeübte Gesamt-Drehmoment gemäß den

Mitnehmer 96 einwirkt. Diese relativ große Kompo- F i g. 6 und 8 doppelt so groß wie das von einem KoI-

nente X ist das Ergebnis der vorteilhaften Kombina- bei allein ausgeübte Drehmoment.

Claims

Patentansprüche:

1. Druckmittelbetriebene Betätigungsvorrichtung für die Antriebswelle eines Ventils mit zwei Antriebskolben, die mittels endseitiger Zapfen in Kulissenschlitze eingreifen, welche an den entgegengesetzten Enden eines Doppelgabelhebels ausgebildet sind, der mittig an der Antriebswelle befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Antriebskolben (48, 50) in einem einzigen Zylinder (40) angeordnet sind, dieselbe Längsachse (52), aber entgegengesetzte Wirkrichtungen haben und mit einander zugekehrten, auf verschiedenen Seiten der Antriebswelle (34) angeordneten, sich in Zylinderlängsrichtung erstreckenden Seitenansätzen (77,89) versehen sind, daß die freien Enden der Seitenansätze die Zapfen (84, 96) tragen und daß mindestens eine die Antriebswelle umgebende Führungsbuchse (128,130) die Seitenansätze quer zur Längsachse (52) das Zylinders (40) abstützt.

2. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Führungsbuchsen (128,130) oberhalb und unterhalb des Doppelgabelhebels (56) auf der Antriebswelle (34) angeordnet sind.

3. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsbuchsen (128,130) die Antriebswelle (34) mit so viel Spiel umgeben, daß sie sich etwas radial zu dieser bewegen können und daß sich beide Antriebskolben (48,50) an jeder Führungsbuchse abstützen.