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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung und zum Einbau
einer Klappenvorrichtung in ein Gehäuse, in dem ein Gas durchströmter Kanal ausgebildet
ist sowie eine Klappenanordnung für eine Verbrennungskraftmaschine
mit einem Gehäuse,
in dem ein Gas durchströmter
Kanal ausgebildet ist, in welchem ein Klappenkörper einer Klappenvorrichtung
drehbar angeordnet ist, wobei die Klappenvorrichtung eine Buchse
aufweist, welche in einer senkrecht zum Kanal angeordneten Bohrung
des Gehäuses
befestigt ist und in welcher ein erstes Ende einer Klappenwelle
zumindest indirekt gelagert ist.
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Derartige
Klappenvorrichtungen werden beispielsweise als Drossel-, Schalt-
oder Drallklappen in Saugrohren oder als Bypassklappen in Verbrennungskraftmaschinen
eingebaut. Dabei dient das Gehäuse
des Saugrohres als Gehäuse
zur Lagerung der entsprechenden Klappenvorrichtung.
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Bekannt
ist es beispielsweise, in einem Lagerrahmen angeordnete Klappen
in ein Saugrohr einzulegen oder zu einzuschieben und sie dort entweder
festzuklemmen oder beispielsweise über Schrauben zu befestigen.
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So
ist aus der
DE 196
14 474 A1 eine Klappenanordnung bekannt, bei der einzelne
Lagersteine die Welle an ihren Lagerflächen umgeben, so daß die Welle
mit den Klappen und den Lagersteinen in ein Gehäuse eingelegt werden kann,
welches zweiteilig ausgeführt
ist, wobei die Teilung im Bereich der Wellenaufnahme angeordnet
ist, so daß durch
Aufsetzen des Oberteils nach dem Einlegen der Welle mit den Lagersteinen
in das Unterteil die Welle mit der Lagerung fixiert wird.
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Auch
ist es bekannt, Klappen mit ihren Lagern durch eine Bohrung in einem
Gehäuse
einzustecken und die Klappe anschließend im Kanal auf der Welle
zu befestigen.
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All
diese bekannten Alternativen weisen jedoch den Nachteil auf, dass
der Montageaufwand und die notwendige Bearbeitung der Gehäuseflächen relativ
hoch sind.
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Daher
wurde in der
EP 1 394
391 A2 ein Klappenelement und eine Klappenanordnung vorgeschlagen,
bei der der Durchmesser eines oberen Lagers größer ist als die Ausdehnung
der Klappe und eines unteren Lagers, so dass die gesamte Einheit
in eine entsprechend ausgeformte Bohrung mit unterschiedlichen Absätzen eingeschoben
werden kann.
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Aus
der
DE 103 41 393
B4 sind Klappenvorrichtungen bekannt, bei denen eine auf
einer Klappenwelle angeordnete Klappenkörper in ein Gehäuse eingeschoben
werden, wobei die Welle über
eine Buchse in der Bohrung eines Gehäuses gelagert ist, wobei die
Bohrung einen Flanschansatz aufweist, welcher am Gehäuse zur
axialen und radialen Sicherung verschraubt wird. Als nachteilig
bei einer derartigen Klappenanordnung ergibt sich jedoch, dass eine
zusätzliche
Bearbeitung des Gehäuses,
insbesondere in Form von Gewindebohrungen vorzunehmen ist um die
Buchse und somit auch die Klappe axial zu fixieren und die Buchse
zusätzlich
radial zu fixieren.
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Daher
ist es Aufgabe der Erfindung, eine Klappenanordnung sowie ein Verfahren
zur Herstellung und zum Einbau einer Klappenvorrichtung in ein Gehäuse zu schaffen,
mittels derer eine sowohl axiale als auch radiale Befestigung der
Klappenvorrichtung im Gehäuse
sichergestellt wird, ohne dass eine zusätzliche Bearbeitung des Gehäuses notwendig ist.
Entsprechend soll der Montageaufwand und die somit entstehenden
Kosten im Vergleich zu bekannten Ausführungen verringert werden.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit folgenden Schritten gelöst:
- – Spritzgießen eines
Klappenkörpers
mit einer Klappenwelle, wobei sich die Klappenwelle zu beiden axialen
Enden über
den Klappenkörper
hinaus erstreckt;
- – Einlegen
eines Sperrringes in ein Spritzgießwerkzeug;
- – Spritzgießen einer
Buchse in dem Spritzgießwerkzeug,
wobei ein radial innen liegender Teil des Sperrringes umspritzt
wird und die Buchse eine radial außen liegende Nut und ein Durchgangsloch
mit einem radial innen liegenden Absatz aufweist;
- – Aufschieben
oder Aufspritzen eines Dichtungsringes in die Nut der Buchse;
- – Aufschieben
eines Wellendichtringes auf einen sich über den Klappenkörper erstreckenden
Abschnitt der Klappenwelle;
- – Aufschieben
der Buchse mit dem Absatz gegen den Wellendichtring auf das über den
Klappenkörper
ragende Ende der Klappenwelle;
- – Aufschieben
eines Hebelelementes auf einen sich über den Klappenkörper erstreckenden
Abschnitt der Klappenwelle;
- – Befestigen
des Hebelelementes an dem sich über
den Klappenkörper
erstreckenden Abschnitt der Klappenwelle;
- – Einschieben
der zusammengebauten Klappenvorrichtung in eine Bohrung des Gehäuses, wobei sich
radial nach außen
erstreckende Zähne
des Sperrringes an einer Innenwand der Bohrung elastisch verformt
werden und im eingeschobenen Zustand an der Innenwand kraftschlüssig anliegen.
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Entsprechend
wird die Aufgabe durch eine Klappenanordnung gelöst, bei der ein radial innen
liegender Bereich eines ringförmigen
Sperringes in der Buchse eingespritzt ist, der eine ebene Oberfläche und
radial nach außen
weisende, über
den Außenumfang
des in der Bohrung angeordneten Bereichs der Buchse hinaus ragende
Zähne aufweist,
welche zur Befestigung der Buchse in der Bohrung elastisch verformt
kraftschlüssig
gegen eine Innenwand der Bohrung anliegen. Hierdurch entsteht beim
Einschieben der Buchse mit der Klappe in die Bohrung des Gehäuses eine
radial wirkende federnde Kraft der Zähne des Sperrringes, wobei
gleichzeitig ein Verdrehen in Umfangsrichtung als auch ein axiales
Ausziehen der Klappenvorrichtung durch die Zähne verhindert werden.
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In
einem weiterführenden
Verfahren zur Herstellung der Klappenvorrichtung erfolgt die Befestigung
des Hebels am geformten Abschnitt der Klappenwelle durch Ultraschallnieten
oder Laserschweißen.
Hierdurch wird eine zuverlässige
Verbindung zwischen der Klappenwelle und dem zur Betätigung notwendigen
Hebelelement erreicht, wobei ein Verzug durch zu hohen Wärmeeintrag
vermieden wird.
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In
einer weiterführenden
Ausführung
der Klappenanordnung weist die Klappenvorrichtung eine einstückig mit
dem Klappenkörper
hergestellte Klappenwelle auf, deren eines Ende in der Buchse unter
Zwischenlage eines Wellendichtringes und eines in die Buchse greifenden
und einen Abschnitt des Endes der Klappenwelle umgebenden Vorsprungs
eines Hebelelementes angeordnet ist und deren an der entgegen gesetzten
Seite des Kanals angeordneter Endabschnitt in einem als Lagerstelle dienenden
Bereich der Bohrung angeordnet ist. Somit entfallen zusätzlich notwendige Lagerungen
oder Verschraubungen. Der Aufbau einer derartigen Klappenanordnung
ist einfach und dennoch weist er eine hohe Lebensdauer auf.
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In
einer weiterführenden
Ausführungsform weist
die Buchse eine radial außen
liegende kreisförmige
Nut auf, in der ein Dichtungsring angeordnet ist und einen radial
innen liegenden Absatz auf, gegen den ein Wellendichtring anliegt,
der die Klappenwelle umgibt. Auf diese Weise werden Leckagen auch ohne
ein Festschrauben der Buchse am Gehäuse zuverlässig verhindert. Weder zwischen
Buchse und Bohrung noch entlang der Klappenwelle kann somit eine
größere Menge
Luft entweichen.
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In
einer hierzu weiterführenden
Ausführungsform
ist das Hebelelement stoff- und formschlüssig an der Klappenwelle befestigt,
wodurch eine sichere Verbindung mit langer Lebensdauer erreicht
wird und gleichzeitig die Buchse zur Klappe axial fixiert wird.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Klappenkörper an
seinen axialen Enden durch zwei kreisförmige Platten begrenzt, die senkrecht
zur Drehachse der Klappenwelle angeordnet sind und in korrespondierenden
als Aufnahmen dienenden kreisförmigen
Bereichen der Bohrung im Gehäuse
angeordnet sind. Diese kreisförmigen
Platten verbessern zusätzlich
die Dichtigkeit der Klappenanordnung nach außen und dienen gleichzeitig als
axialer Anschlag der Klappenvorrichtung im Gehäuse.
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Es
wird deutlich, dass durch das beschriebene Verfahren und die vorteilhaften
Ausführungsformen
ein einfacher Einbau einer Klappenvorrichtung in ein Gehäuse sowie
eine einfache Herstellung der Klappenanordnung gewährleistet
sind, wobei gleichzeitig eine axiale Fixierung der Klappenvorrichtung und
eine radiale Fixierung der Buchse auf einfache Weise hergestellt
wird. Zudem werden hohe Dichtigkeiten auch bei hohen Druckunterschieden
erreicht.
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Eine
erfindungsgemäße Klappenanordnung ist
in den Figuren dargestellt und wird ebenso wie das erfindungsgemäße zugehörige Verfahren
im Folgenden beschrieben.
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1 zeigt
eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Klappenanordnung in Seitenansicht.
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2 zeigt
die Klappenvorrichtung in dreidimensionaler Darstellung.
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3 zeigt
eine Seitenansicht einer Lagerbuchse der erfindungsgemäßen Klappenanordnung aus
den 1 und 2 in geschnittener Darstellung.
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4 zeigt
einen Sperrring der erfindungsgemäßen Klappenanordnung gemäß der 1 bis 3 in
dreidimensionaler Darstellung.
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5 zeigt
in dreidimensionaler gesprengter Darstellung den Zusammenbau einer
Klappenvorrichtung der erfindungsgemäßen Klappenanordnung der 1 bis 4.
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Die
in der 1 dargestellte erfindungsgemäße Klappenanordnung besteht
aus einer Klappenvorrichtung 1, wie sie in den 2 und 5 dargestellt
ist, welche in einem Gehäuse 2 befestigt
ist.
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Im
Gehäuse 2 ist
ein Gas durchströmter
Kanal 3 ausgebildet, der durch einen Klappenkörper 4 der
Klappenvorrichtung 1 beherrscht wird, so dass der Volumenstrom
im Kanal 3 je nach Stellung des Klappenkörpers 4 gesteuert
wird. Das Gehäuse 2 weist
eine Bohrung 5 auf, welche senkrecht durch den Kanal 3 im
Gehäuse 2 führt. Diese
Bohrung 5 ist derart ausgebildet, dass von der Einschubseite
der Klappenvorrichtung 1 aus betrachtet die Bohrung 5 im
ersten Bereich 6 ihren größten Durchmesser aufweist und
an der entgegengesetzten Seite des Kanals 3 zunächst einen
kurzen Bereich 7 mit etwas geringerem Durchmesser aufweist,
dessen Durchmesser im anschließenden
Bereich 8 wiederum hinter einem Absatz 9 kleiner
ausgeführt
ist. Die Bohrung 5 reicht nicht vollständig durch das Gehäuse 2,
so dass die Bohrung 5 im Bereich 8 durch das Gehäuse 2 verschlossen
wird.
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In
der Bohrung 5 ist die Klappenvorrichtung 1 angeordnet,
welche aus einer Klappenwelle 10 besteht, auf der der Klappenkörper 4 angeordnet
ist, der durch zwei senkrecht zur Drehachse der Klappenwelle 10 angeordnete
Platten 11, 12 begrenzt wird, welche im Gehäuse 2 als
axialer Anschlag der Klappenvorrichtung 1 dienen.
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Der
Bereich 7 der Bohrung 5 dient als Aufnahme für die im
von der Einschubrichtung aus betrachtet jenseits des Kanals 3 liegenden
Platte 11, so dass lediglich der Klappenkörper 4 tatsächlich im Gas
durchströmten
Kanal 3 angeordnet ist.
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Die
Klappenwelle 10 weist in entgegen gesetzter Richtung zum
Klappenkörper 10 einen
sich an die Platte 11 anschließenden Endabschnitt 13 auf, der
im Bereich 8 der Bohrung 5 angeordnet ist und dessen
Außendurchmesser
im wesentlichen gleich dem Innendurchmesser des Bereichs 8 der
Bohrung 5 ist, so dass dieser Bereich 8 als erste
Lagerstelle für
die Klappenwelle 10 dient.
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Das
entgegen gesetzte Ende 14 der Klappenwelle 10,
vom Kanal 3 aus betrachtet jenseits der Platte 12,
die den Klappenkörper 4 begrenzt,
ist in einen ersten Abschnitt 15 und einen zweiten Abschnitt 16 unterteilt.
Der an die Platte 12 angrenzende Abschnitt 15 ist
zylindrisch ausgebildet, während
der sich daran anschließende
Abschnitt 16 nicht rotationssymmetrisch ausgebildet ist,
sondern im vorliegenden Ausführungsbeispiel
im Querschnitt aus einem Rechteck mit zwei gegenüberliegenden Halbkreisen gebildet
wird. Entscheidend ist lediglich eine nicht rotationssymmetrische
Form um formschlüssig eine
Rotationsbewegung über
den Abschnitt 16 übertragen
zu können.
Dieser Abschnitt 16 ragt über die Außenseite des Gehäuses 2 hinaus.
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Das
Ende 14 der Klappenwelle 10 ist in einer Buchse 17 unter
Zwischenlage eines Wellendichtringes 18 gelagert. Die Buchse 17 weist
eine rotationssymmetrische Form auf, wobei der Außendurchmesser
des in der Bohrung 5 liegenden Teils der Buchse 17 etwa
dem Innendurchmesser der Bohrung 5 in diesem Bereich entspricht.
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Die
Buchse 17 ist in der 3 näher dargestellt.
An ihrem vom Kanal 3 abgewandten Ende weist sie einen Flanschabschnitt 19 auf,
der etwas größer ist
als die Bohrung 5 und somit als Anschlag beim Einbau der
Klappenvorrichtung 1 in das Gehäuse 2 dient. An den
Flanschabschnitt 19 schließt sich zum Kanal 3 hin
ein Abschnitt 20 an, der einen Durchmesser aufweist, der
kleiner ist als der Durchmesser der Bohrung 5 im Bereich 6.
Weiter in Richtung zum Kanal 3 sind am Außenumfang
zwei ringförmige
Erhebungen 21, 22 ausgebildet, zwischen denen
eine ringförmige
Nut 23 entsteht und deren Außendurchmesser i wesentlichen
dem Innendurchmesser der Bohrung 5 im Bereich 6 entspricht.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist in der Nut 23 ein Dichtungsring 24 in Form
eines O-Rings eingelegt.
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Im
Inneren der Buchse 17 ist ein Durchgangsloch 25 mit
einem Absatz 26 ausgebildet, gegen den im eingebauten Zustand
der Wellendichtring 18 axial anliegt. Der Innendurchmesser
eines vom Absatz 26 in Richtung des Kanals 3 weisenden
Abschnitts 27 entspricht im Wesentlichen dem Außendurchmesser
des Wellendichtrings 18, so dass dieser auch radial gegen
die Buchse 17 im Abschnitt 27 anliegt.
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Zur
entgegengesetzten Seite des Kanals 3 setzt sich das Durchgangsloch 25 der
Buchse 17 mit kleinerem Durchmesser fort. In diesem Abschnitt 28 befindet
sich der geformte Abschnitt 16 der Klappenwelle 10,
dessen Außenmaße jedoch
kleiner sind als der Innendurchmesser der Buchse 17 im
Abschnitts 28, so dass in den Bereich zwischen dem Abschnitt 16 der
Klappenwelle 10 und dem Abschnitt 28 der Buchse 17 ein
Vorsprung 29 eines Hebelelementes 30 die Klappenwelle 10 umgreifend
eingeschoben werden kann.
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Der
Außendurchmesser
dieses Vorsprungs 29 des Hebelelementes 30, welcher
sich axial in Richtung der Klappenwelle 8 erstreckt, entspricht
im Wesentlichen dem Innendurchmesser des Abschnitts 28 der
Buchse 17. Der Vorsprung 29 ist im Wesentlichen
ringförmig
ausgebildet, wobei ein Durchgangsloch 31 nicht kreisförmig, sondern
korrespondierend zur Form des Abschnitts 16 der Klappenwelle 10 ausgebildet
ist, so dass beim Aufstecken des Hebelelementes 30 mit
seinem Vorsprung 29 in den Abschnitt 28 der Buchse 17 gleichzeitig
ein Formschluss zum Abschnitt 16 der Klappenwelle 10 erzielt
wird.
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Das
Hebelelement 30 besteht außer aus dem Vorsprung 29 im
Wesentlichen aus einem plattenförmigen
Teil 32, welches senkrecht zu einer Drehachse des Vorsprungs 29 den
eigentlichen Hebel der Klappenvorrichtung 1 bildet. Hierzu
ist außerhalb
der durch die Klappenwelle 10 gebildeten Drehachse der
Klappenvorrichtung 1 ein Kugelkopf 33 am plattenförmigen Teil 32 ausgebildet,
auf den eine nicht dargestellte Kugelkopfstange, welche als Koppelstange
dient, zur Betätigung
der Klappenvorrichtung 1 gesetzt werden kann.
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Eine
derartige Klappenvorrichtung 1 müsste in bekannter Weise über den
Flanschabschnitt 19 der Buchse 17 durch Schrauben
oder dergleichen am Gehäuse 2 fixiert
werden. Erfindungsgemäß ist jedoch
im Bereich des Abschnitts 20 in die Buchse 17 ein
Sperrring 34 eingespritzt, der ebenfalls im Wesentlichen
ringförmig
ausgebildet ist, wobei ein radial innen liegender Bereich 35 des
Sperrrings 34 vom Kunststoff der Buchse 17 umgeben
ist, während
ein radial außen
liegender Bereich 36 radial über die Buchse 15 hinausragt.
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Der
Außendurchmesser
des Sperrrings 34 ist dabei so gewählt, dass er etwas größer ausgebildet
ist als der Innendurchmesser des Bereichs 6 der Bohrung 5 bzw.
der Außendurchmesser
der Erhebungen 21, 22 der Buchse 17.
Wie in 4 zu erkennen ist weist der Sperrring 34 in
seinem radial außerhalb
der Buchse 17 liegenden Bereich 36 Zähne 37 auf,
welche elastisch verformbar sind.
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So
wird aus 1 deutlich, dass beim Einschieben
der Klappenvorrichtung 1 in das Gehäuse 2 die Zähne 37 des
Sperrrings 34 verbogen werden und gegen eine Innenwand 38 der
Bohrung 5 anliegen. Durch diese elastische Verformung der
Zähne 37 bildet
sich eine Federvorspannung gegen die Innenwand 38, so dass
sowohl ein axiales Herausziehen der Klappenvorrichtung 1 als
auch ein radiales Verdrehen der Buchse 17 durch den Sperrring 34 zuverlässig verhindert
werden.
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Der
Zusammenbau der konstruktiv beschriebenen Klappenvorrichtung 1 ist
in 5 dargestellt. Nach dem Spritzgießen des
Klappenkörpers 4 mit der
Klappenwelle 10 wird der Wellendichtring 18 auf den
Abschnitt 15 der Klappenwelle 10 aufgeschoben. Die
Buchse 17 wird ebenfalls in einem Spritzvorgang unter Einlegen
des Sperrrings 34 in das entsprechende Werkzeug hergestellt.
Anschließend
kann der O-Ring 24 in die Nut 23 der Buchse 17 eingelegt
werden. Durch Aufschieben der Buchse 17 mit dem Absatz 26 gegen
den Wellendichtring 18 und somit über das Ende 14 der
Klappenwelle 10 und anschließendes Aufschieben des Vorsprungs 29 des
Hebelelementes 30 formschlüssig auf den Abschnitt 16 der Klappenwelle 8 wird
eine Vorfixierung geschaffen. Durch Ultraschallnieten des Hebelelementes 30 mit dem
nun leicht über
das Ende des Hebelelementes 30 hinausragenden Abschnitt 16 der
Klappenwelle 10 wird die Klappenvorrichtung 1 fertig
gestellt, da der plattenförmige Teil 32 des
Hebelelementes 30 sowie die Platte 12 die Buchse 15 axial
zwischen sich fixieren.
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Zum
Einbau in die Bohrung 5 des Gehäuses 2 ist es nun
lediglich notwendig, die gesamte Klappenvorrichtung 1 in
die Bohrung 5 einzuschieben. Eine axiale und radiale Fixierung
wird durch das federelastische Umklappen der Zähne 37 des Sperrrings 34 erwirkt.
Es entsteht somit ein Kraftschluss zwischen den Zähnen 37 des
Sperrrings 34 sowie der Innenwand 38 der Bohrung 5 des
Gehäuses 2.
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Das
Hebelelement 30 soll einen Abstand zur Außenwand
des Gehäuses 2 aufweisen,
um eine Berührung
der Bauteile 2, 30 zu vermeiden. Dies wird dadurch
sichergestellt, dass der Abstand des Absatzes 9 der Bohrung 5 zur
Außenwand
des Gehäuses 2 an
der entgegengesetzten Seite des Kanals 3 kleiner gewählt ist
als der Abstand einer zum Bereich 8 der Bohrung 5 weisenden
Seite der Platte 11 zur zum Gehäuse 2 weisenden Seite
des plattenförmigen Teils 32 des
Hebelelementes 30.
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Die
Verstellung des Klappenkörpers 4 im
Kanal 3 erfolgt nun in der Weise, dass über eine nicht dargestellte
Stelleinrichtung und einer damit gekoppelten Stange der Kugelkopf 33 auf
einer Kreisbahn um die Drehachse der Klappenwelle 10 bewegt
wird, wodurch sich sowohl das Hebelelement 30 als auch die
Klappenwelle 10 mit dem daran befestigten Klappenkörper 4 drehen.
Gleichzeitig wird die Buchse 17 durch die Zähne 37 des
Sperrrings 34 im Kanal 3 festgehalten. Eine Leckage
zwischen der Bohrung 5 und der Buchse 17 wird
durch den O-Ring 24 verhindert, während eine Leckage entlang
der Klappenwelle 10 zwischen dem Innendurchmesser der Buchse 17 und
dem Außendurchmesser
der Klappenwelle 10 durch den Wellendichtring 18 zuverlässig verhindert wird.
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Es
wird deutlich, dass sowohl die Herstellung der Klappenvorrichtung 1 als
auch der Einbau in das Gehäuse 2 nur
sehr Zeit- und Kosten reduzierend stattfinden kann. Gleichzeitig
wird die Montage auch mechanisch im Vergleich zur bekannten Ausführung vereinfacht.
Auch die notwendige Bearbeitung des Gehäuses wird verringert, wobei
gleichzeitig ein leckagesicherer Sitz der Klappe in der Bohrung
sichergestellt wird.
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Es
sollte deutlich sein, dass verschiedene Modifikationen im Aufbau
der Klappenvorrichtung möglich
sind. So kann beispielsweise die Anbindung des Hebelelementes an
die Welle in unterschiedlicher Weise beispielsweise durch Laserschweißen erfolgen.
Auch könnte
die Klappe in der Buchse beispielsweise montagegespritzt werden.
Ebenso ist es denkbar, die vorhandenen Dichtungen durch Aufspritzen
herzustellen, ohne den Schutzbereich der Ansprüche zu verlassen.