Pneumatische Ritzel-Zahnstangen-Stellantriebe
Abbildung 1: Drehantrieb mit Zahnstange und Ritzel
Pneumatische Zahnstangenantriebe, auch Zylinder mit begrenzter Drehbewegung genannt, sind Drehantriebe, die zum Drehen, Öffnen, Schließen, Mischen, Oszillieren, Positionieren, Lenken und für viele andere mechanische Funktionen mit begrenzter Drehbewegung verwendet werden. Diese Antriebe werden auch häufig für die Automatisierung von Schwenkarmaturen, wie Kugelhähne oder Klappen, eingesetzt.
Pneumatische Zahnstangenantriebe wandeln die Energie der Druckluft mit Hilfe eines Pneumatikzylinders in eine oszillierende Drehbewegung um. Das für diesen Antrieb benötigte saubere, trockene und aufbereitete Gas wird über eine zentrale Druckluftstation bereitgestellt, die in der Regel eine Reihe von pneumatischen Geräten in einem Prozesssystem unterstützt.
Pneumatische Stellantriebe sind im Vergleich zu ihren elektrischen Pendants im Allgemeinen langlebiger, besser für gefährliche Umgebungen geeignet und preiswerter. Außerdem sind sie oft weniger wartungsintensiv und bieten im Vergleich zu ihrer Größe ein höheres Drehmoment.
Inhaltsübersicht
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Design
Bei einem pneumatischen Zahnstangenantrieb wird die lineare Kraft eines durch Druckluft angetriebenen Kolbens über ein Zahnstangengetriebe in ein Drehmoment umgewandelt. Eine Zahnstange mit Ritzel, wie in Abbildung 2 dargestellt, besteht aus einem kreisförmigen Zahnrad, dem Ritzel, das in ein lineares Zahnrad, die Zahnstange, eingreift.
Abbildung 2: Zahnstangen und Ritzel
Die Zahnstange ist in den Kolben eingearbeitet, und die Zahnstange ist präzise mit dem Ritzel verzahnt. Wenn die Kammer mit Druckluft gefüllt wird, fährt der Kolben zusammen mit der Zahnstange aus oder ein, wodurch das Ritzel über die Zahnradverbindung gedreht wird.
Einzelrack vs. Doppelrack-Design
Zahnstangenantriebe bieten im Vergleich zu anderen Umwandlungsmechanismen für die Umwandlung von linearer Kraft in Drehmomente den größten Drehmoment- und Drehbereich. Sie haben einen hohen mechanischen Wirkungsgrad, und die Drehmomente, die sie erzeugen können, reichen von ein paar Nm bis zu mehreren Tausend Nm.
Ein potenzieller Nachteil der Zahnstangen-Ritzel-Konstruktion ist jedoch das Umkehrspiel. Spiel tritt auf, wenn Zahnstange und Ritzel nicht vollständig aufeinander ausgerichtet sind und ein kleiner Spalt zwischen den einzelnen Zahnradverbindungen besteht. Diese Fehlausrichtung kann während der Lebensdauer des Stellantriebs zu Verschleiß an den Zahnrädern führen, was wiederum das Spiel erhöht.
Bei einer Doppelzahnstangeneinheit befinden sich zwei Zahnstangen auf gegenüberliegenden Seiten des Ritzels. Dadurch wird das durch eine Gegenkraft verursachte Spiel eliminiert, das Ausgangsdrehmoment der Einheit verdoppelt und der mechanische Wirkungsgrad des Systems erhöht. Bei dem in Abbildung 3 dargestellten doppeltwirkenden Aktuator werden die beiden seitlichen Kammern mit Druckluft gefüllt, die die Kolben in die Mitte drückt, und um die Kolben in die Ausgangsstellung zurückzubringen, wird die Kammer in der Mitte wiederum mit Druck beaufschlagt.
Abbildung 3: Doppeltwirkende Drehantriebe mit Zahnstange und Ritzel
Funktion
Pneumatische Zahnstangenantriebe können entweder einfach oder doppelt wirkend sein. Es ist auch möglich, dass diese Aktuatoren mehrere Haltestellen bieten.
Einfachwirkend vs. doppeltwirkend
Bei einem einfachwirkenden Aktuator wird die Luft nur auf einer Seite des Kolbens zugeführt und ist für die Bewegung des Kolbens in nur einer Richtung verantwortlich. Die Bewegung des Kolbens in die entgegengesetzte Richtung wird durch eine mechanische Feder bewirkt. Einfachwirkende Antriebe sparen Druckluft, arbeiten aber nur in eine Richtung. Ein Nachteil von einfachwirkenden Zylindern ist die ungleichmäßige Ausgangskraft über einen vollen Hub aufgrund der entgegenwirkenden Federkraft. Abbildung 4 zeigt einen einfachwirkenden pneumatischen Drehantrieb mit zwei Zahnstangen.
Abbildung 4: Einfachwirkender pneumatischer Drehantrieb mit zwei Zahnstangen
Bei einem doppeltwirkenden Aktuator werden die Kammern auf beiden Seiten des Kolbens/der Kolben mit Luft versorgt. Höherer Luftdruck auf einer Seite kann den/die Kolben auf die andere Seite treiben. Doppeltwirkende Antriebe werden eingesetzt, wenn Arbeiten in beide Richtungen ausgeführt werden müssen. Abbildung 5 zeigt einen doppelt wirkenden pneumatischen Drehantrieb mit zwei Zahnstangen.
Einer der Vorteile von doppeltwirkenden Zylindern ist die konstante Ausgangskraft über den gesamten Drehbereich. Die Nachteile von doppeltwirkenden Zylindern sind der Bedarf an Druckluft für die Bewegung in beide Richtungen und das Fehlen einer definierten Position im Falle eines Strom- oder Druckausfalls.
Abbildung 5: Doppelt wirkender pneumatischer Drehantrieb mit zwei Zahnstangen
Mehrfache Positionierung
Einige Zahnstangenantriebe sind in der Lage, durch Steuerung des Drucks an den Anschlüssen in mehreren Positionen über den gesamten Drehbereich zu stoppen. Die Haltestellen können in beliebiger Reihenfolge angefahren werden, so dass der Antrieb selektiv eine Zwischenhaltestelle passieren kann.
Anschlagbolzen
Die Hubbegrenzungsbolzen befinden sich an der Seite des Antriebskörpers (siehe Abbildung 6) und ermöglichen die Einstellung der Endlagen der Kolben, indem sie die Drehung des Ritzels von innen her begrenzen. Bei der Montage des Stellantriebs sind die beiden Hubbegrenzungsschrauben so weit einzuschlagen, bis sie die Hubbegrenzungskappe berühren. Schrauben Sie die linke Hubbegrenzungsschraube weiter, bis sich der auf der Oberseite sichtbare Ritzelschlitz in die Position dreht, die parallel zur Länge des Antriebskörpers ist.
Abbildung 6: Komponenten des pneumatischen Stellantriebs mit Zahnstange und Ritzel: Federpatronenpaket (A), Hubbegrenzungsnocken (B), Stellungsanzeige (C), Endkappe (D), Gehäuse (E), integrierter Anschluss (F), Kolbendichtung (G), Ausgangswellenlager (H), Ausgangswelle (I), Kolben (J), Hubbegrenzungseinstellschrauben (K), pneumatischer Anschluss (L), Kolbenführung (M) und Kolbenring (N).
Normen
Um mit den Produkten verschiedener Hersteller kompatibel und austauschbar zu sein, sind die meisten pneumatischen Zahnstangenantriebe genormt worden. Diese Normen spezifizieren die Abmessungen verschiedener Komponenten, wie z. B. die Schnittstelle zwischen Antrieb und Armatur, die Luftanschlüsse, die Schnittstelle der Stellungsanzeige und die Form des Wellenantriebs. Sie sind in Abbildung 6 zu sehen.
Abbildung 7: Gehäuse und Montageflächen: Zubehörschnittstelle nach VDI/VDE 3845 (A & E), Stellungsanzeige nach NAMUR-Norm (B), Hubbegrenzungsbolzen (C), ISO 5211-Befestigung (D).
ISO 5211: 2017
Die ISO 5211:2017 legt Anforderungen für den Anbau von Schwenkantrieben an Industriearmaturen fest und ist in Abbildung 7 zu sehen. Sie gibt die Abmessungen der Flansch- und Antriebskomponenten sowie die Drehmomentwerte für die angegebenen Schnittstellen und Kupplungen an.
NAMUR VDI/VDE 3845: 2010-09
Diese Norm enthält Spezifikationen für die Schnittstelle zwischen dem Stellantrieb und einem Prozessventil, das Druckluft liefert, und ist in Abbildung 7 zu sehen. Er kann auch als zusätzliche Schnittstelle zum Stellantrieb verwendet werden, z. B. als Positionsrückmeldeschalter oder Sensor. NAMUR-Ventile bieten eine Montageschnittstelle nach VDI/VDE 3845, die zwei Luftanschlüsse auf der Flachseite des Ventils sowie zusätzliche Bohrungen zur Befestigung des Ventils auf dem Antriebskörper umfasst.
Auswahlkriterium
Bei der Auswahl eines pneumatischen Stellantriebs mit Zahnstange und Ritzel für Ihre Anwendung sind verschiedene Faktoren zu berücksichtigen.
Für Spielfreiheit an beiden Enden der Rotation und höhere Anschlaggenauigkeit wird ein Doppelzahnstangenantrieb empfohlen, während für leichtere Anwendungen, bei denen eine kompakte Bauweise gewünscht ist, ein Einzelzahnstangenantrieb spezifiziert werden kann.
Ein Stellantrieb einer bestimmten Größe bietet wahrscheinlich auch einen Drehmomentbereich, der vom Steuerdruck abhängt, der ihm zugeführt wird. Weitere Kriterien, die bei der Auswahl eines Drehantriebs zu berücksichtigen sind, sind der Schwingungsbereich, die für den Betrieb benötigte Luftmenge, das Steuermedium und die Schnittstelle, einschließlich der Optionen für die Abtriebswelle, Flanschgrößen und Steuerluftanschlüsse.
Anwendungen
Aufgrund ihres konstanten Drehmoments werden Zahnstangenantriebe häufig eingesetzt und sind oft die bevorzugte Bauart von pneumatischen Antrieben für Armaturen. Sie werden zum Mischen, Kippen, intermittierenden Fördern, kontinuierlichen Drehen, Wenden, Positionieren, Oszillieren, Heben, Öffnen und Schließen sowie Drehen eingesetzt. Diese Aktuatoren werden für verschiedene mechanische Funktionen in der Stahlindustrie, im Materialtransport, in der Schifffahrt, in Baumaschinen, in Bergbaumaschinen und in der hydraulischen Servolenkung eingesetzt.