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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Ventilanordnung, insbesondere
zur Ableitung von Abgasen, mit einem Gehäuse, einem Einlass, einem Auslass,
einem schwenkbar gelagerten Ventilkörper, und einem nichtlinearen
Getriebe zum Übertragen
eines Drehmoments von einer Antriebseinrichtung auf den Ventilkörper mittels
einer Welle.
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Derartige
Ventile werden abgesehen von der Abgas-Ableitung auch in verschiedenen
weiteren Bereichen der Automobilindustrie eingesetzt. Sie dienen
der Beeinflussung von Fluidströmen.
Im Betrieb kann der Durchfluss von Fluid in EIN/AUS-Weise oder stufenlos
gesteuert werden.
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Bei
bekannten Ventilanordnungen, beispielsweise bei Ventilen zur Abgasrückführung, ist
der Ventilkörper
entweder direkt oder über
ein Getriebe an die Welle der Antriebseinrichtung gekoppelt. Die
Antriebseinrichtung ist ausgebildet, den Ventilkörper schwenkend zu bewegen.
Das von dem Ventilkörper aufgenommene
Drehmoment ergibt sich ohne Zwischenschaltung eines Getriebes aus
dem Antriebsmoment der Antriebseinrichtung. Im Fall des Antriebs mit
zwischengeschaltetem Getriebe resultiert das von dem Ventilkörper aufgenommene
Drehmoment als Produkt des Antriebsdrehmoments und der Getriebeüber- bzw.
Untersetzung des zwischengeschalteten Getriebes.
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Die
Auslegung der zum Betrieb der Ventilanordnung notwendigen Antriebsleistung
richtet sich nach der Kraft, die von dem zu steuernden Fluid verursacht
wird und gegen den Ventilkörper
gerichtet ist. Je größer diejenige
Fläche
des Ventilkörpers
ist, welche sich im Strömungsquerschnitt
erstreckt und gegen welche das Fluid Druck ausübt, desto größer ist in
geschlossenem Zustand des Ventils das aufzubringende Antriebsmoment.
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Während der Öffnung des
Ventils kommt durch den steigenden Volumenstrom des Fluids, welches
die Ventilöffnung
durchströmt,
zu der statischen Belastung des Ventilkörpers eine dynamische Belastung
hinzu.
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Dies
hat zur Folge, dass das von der Antriebseinrichtung aufzubringende
Moment für
geringe Öffnungsquerschnitte
der Ventilöffnung
am größten ist,
und mit Zunahme der Öffnungsquerschnitts
abnimmt.
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Die
Antriebseinrichtung muss entsprechend dimensioniert werden.
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Es
existieren Ventilanordnungen mit einem zwischengeschalteten nichtlinearem
Getriebe, die es aufgrund einer veränderlichen und winkelabhängigen Übersetzung
ermöglichen,
Antriebseinrichtungen mit geringerer Leistungsaufnahme zum Antrieb
der Ventilanordnung zu verwenden. Durch die geeignete Auslegung
der Übersetzungsfunktion
des Getriebes wird für
eine Veränderung
des Öffnungsquerschnitts die
passende Änderung
des vom Ventilkörper
aufgenommenen Drehmoments und der Öffnungsgeschwindigkeit des
Ventilkörpers
vorgegeben.
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Ein
Nachteil der vorstehend beschriebenen Ventilanordnungen ist der
benötigte
Raum, den eine Ventilanordnung samt Antriebseinrichtung und nichtlinearem
Getriebe einnimmt. Der Einsatz eines zwischengeschalteten Getriebes
bedingt eine räumliche Trennung
von Antriebseinrichtung und Ventilanordnung, da die Übertragung
des Antriebsmomentes auf den Ventilkörper durch bewegliche Teile
realisiert wird.
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Einer
weiterer Nachteil, der sich hierdurch ergibt, ist die Anfälligkeit
der Ventilanordnung für Schwingungen,
die umso größer ist,
je größer der
Abstand zwischen dem Ventilkörper
und der Antriebseinrichtung ist. Die Schwingungsamplitude nimmt
in ähnlicher
Weise zu wie bei einem Hebel- oder Schwingarm, dessen loses Ende
umso stärker schwingt,
je länger
der Hebel- bzw. Schwingarm ist. Der Einsatz von nichtlinear angetriebenen
Ventilanordnungen ist somit insbesondere in Arbeitsumgebungen problematisch,
in denen Schwingungen präsent
sind. Die Schwingungsbelastung kann zu erhöhtem Verschleiß und Lösen der beweglichen
Teile des Getriebes voneinander führen. Ein Beispiel für eine solche
Arbeitsumgebung sind Verbrennungsmotoren.
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Noch
ein weiterer Nachteil ergibt sich durch Schwingungen, die von der
Antriebseinrichtung selbst ausgelöst werden. Je größer der
durch das nichtlineare Getriebe bedingte Abstand zwischen der Antriebseinrichtung
und dem Ventilkörper
ist, desto stärker
werden die Schwingungen verstärkt.
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Die
dieser Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist demzufolge, eine Ventilanordnung
anzugeben, welche die beschriebenen Nachteile im Betrieb in schwingungsbelasteten
Arbeitsumgebungen verringert.
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Die
vorliegende Erfindung löst
die zugrundeliegende Aufgabe dadurch, dass die Welle der Antriebseinrichtung
im Wesentlichen koaxial zur Schwenkachse des Ventilkörpers angeordnet
ist. Hierdurch lässt
sich der axiale Abstand zwischen der Welle der Antriebseinrichtung
und der Achse des Ventilkörpers
im Wesentlichen gleich null setzen, und es verbleibt lediglich ein
Versatz in axialer Richtung. Dies stellt eine schwingungsgünstige Anordnung
dar. Sowohl von der Arbeitsumgebung auf die Ventilanordnung einwirkende
Schwingungen als auch Schwingungen, die von der Antriebseinrichtung
ausgehen, werden in der erfindungsgemäßen Anordnung nicht so stark über das
zwischengeschaltete Getriebe verstärkt, wie dies bei herkömmlicher
Anordnung der Antriebseinrichtung der Fall wäre.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung ist das nichtlineare Getriebe
als viergliedriges Koppelgetriebe ausgebildet, wobei ein Antriebsglied
ausgebildet ist, von der Welle der Antriebseinrichtung ein Antriebsmoment
aufzunehmen, ein Abtriebsglied ausgebildet ist, ein Abtriebsmoment
an den Ventilkörper abzugeben,
und das Antriebsglied mit dem Abtriebsglied über eine Koppel verbunden ist.
Das Antriebsglied ist günstiger
Weise fest mit der Welle der Antriebseinrichtung verbunden. Die
Koppel ist sowohl mit dem Antriebsglied als auch mit dem Abtriebsglied drehbar
verbunden und ist ausgebildet, sowohl Bewegungen mit translatorischer
und/oder rotatorischer Komponente auszuführen. Über die Koppel wird das Drehmoment
auf das Antriebsglied übertragen,
welches fest mit der Schwenkachse des Ventilkörpers verbunden ist.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist das Festlager des Abtriebsglieds
koaxial zur Schwenkachse des Ventilkörpers angeordnet. Diese Anordnung
hat zur Folge, dass das Abtriebsglied ausschließlich rotatorisch bewegbar
ist, unter der Voraussetzung, dass die Schwenkachse des Ventilkörpers ortsfest
ist. Des Weiteren trägt
diese Anordnung des Abtriebsglieds weiter zur Minimierung des Bauraums
der gesamten Ventilanordnung bei.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Ventilanordnung sind das
Antriebsglied fest mit einem Zahnrad Z2 und die Welle der Antriebseinrichtung
fest mit einem koaxial zur Schwenkachse des Ventilkörpers angeordneten Zahnrad
Z1 verbunden, wobei das Antriebsglied ausgebildet ist, durch die
im Eingriff befindlichen Zahnräder
Z1 und Z2 rotatorisch bewegt zu werden. Die Zahnradpaarung Z2/Z1
ist zur Übertragung
des Antriebsmoments von der Antriebseinrichtung auf das Antriebsglied
ausgebildet. Die Zahnräder
stehen zumindest im Betrieb in Eingriff miteinander. Über eine Dimensionierung
der Zahnräder
ist zusätzlich
zu der nichtlinearen Übertragungsfunktion,
die durch das nichtlineare das Getriebe ausgeführt wird, die Ausbildung eines
konstanten Anteils in dem Übersetzungsverhältnis zwischen
Antriebseinheit und Ventilkörper gegeben.
Die Zahnräder
können
als ganze Zahnräder
ausgebildet sein. Um weiterhin einen möglichst geringen Bauraum einzunehmen,
ist aber auch die Ausgestaltung von Zahnrad-Kreisabschnitten als
vorteilhaft anzusehen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist der Ventilkörper
als Ventilklappe ausgebildet. Die Ausgestaltung des Ventilkörpers als
Ventilklappe und somit des Ventils als Klappenventil wird als vorteilhaft
angesehen, da die Ventilklappe – wenn
sie beispielsweise als Scheibe ausgeführt ist – eine geringe Masse aufweist,
somit eine geringe Trägheit
aufweist und mit wenig Kraftaufwand bewegbar ist. Die Ausführung als
im Wesentlichen scheibenförmige
Klappe ist fertigungstechnisch mit moderatem Aufwand und dennoch
zuverlässigem
Schließverhalten
herzustellen.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
erstreckt sich zwischen dem Einlass und dem Auslass ein Strömungskanal,
der von dem Ventilkörper
verschließbar
ist. Der Strömungskanal
weist auf vorteilhafte Weise einen Querschnitt auf, der gleichmäßiges Durchströmen des
Ventils ermöglicht und
zur Aufnahme des Ventilkörpers
ausgebildet ist. Die Implementierung eines Strömungskanals ermöglicht es,
den Einlass und den Auslass des Ventils örtlich von dem Ventilkörper zu
entfernen, was zu einer Beruhigung des Fluidstroms beiträgt.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Ventilanordnung
erstreckt sich die Schwenkachse des Ventilkörpers im Wesentlichen durch
den Strömungsquerschnitt
des Strömungskanals
und senkrecht zur Strömungsrichtung.
Die Anordnung der Schwenkachse im Strömungskanal wird als vorteilhaft
angesehen, da somit bei Öffnung
des Ventils auf beiden Seiten der Schwenkachse Fluid durch die Öffnung strömen kann.
Dies wirkt sich vorteilhaft auf das Strömungsbild des Fluids aus. Bei maximaler Öffnung des
Ventils ist die Stirnfläche
des Ventilkörpers
parallel zur Strömungsrichtung
des Fluids ausgerichtet, und der Strömungsquerschnitt wird nur noch
durch die Dicke des Ventilkörpers
beeinflusst.
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Gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung ist die Schwenkachse des Ventilkörpers senkrecht
zur Strömungsrichtung
ausgerichtet und in der Nähe
der Gehäusewand
angeordnet. Diese Ausführungsform ist
besonders vorteilhaft, wenn der Strömungskanal nicht zylindrisch,
sondern beispielsweise rechteckig ausgebildet ist. Die Positionierung
der Schwenkachse in der Wand-Nähe
bietet den Vorteil, dass der Strömungsquerschnitt
nach vollständiger Öffnung des
Ventils bei geeigneter Ausbildung des Strömungskanals in Bereich stromabwärts von
der Ventilöffnung
nicht oder nahezu nicht von der Dicke des Ventilkörpers beeinträchtigt wird.
Eine geeignete Ausbildung des Bereiches stromabwärts von der Ventilöffnung ist
beispielsweise eine Aussparung in der Wand des Strömungskanals
in Negativ-Form des Ventilkörpers.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist das nichtlineare Getriebe als Doppelschwinge
ausgebildet. Ein Vorteil der Ausführung als Doppelschwinge liegt
darin, dass die beiden Extremstellungen des Ventils – die Stellungen „vollständig offen” und „vollständig geschlossen” – mit den
beiden Extrempunkten des Doppelschwingenantriebs übereinstimmen
können.
Dadurch, dass die Öffnungs-
und Schließwinkelstellungen
durch die Längen
der Schwingen und der Koppel eindeutig definiert sind, ist kein
winkelgenauer Antrieb der Antriebseinheit erforderlich. Die Extremstellungen ändern sich
auch dann nicht, wenn nach Erreichen der jeweiligen Stellung des
Ventils weiterhin ein Moment von der Antriebseinheit aufgebracht wird.
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Gemäß einer
weitern vorteilhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist die Antriebseinrichtung als Drehmagnet
ausgebildet. Drehmagneten werden als besonders vorteilhaft als Antrieb
für die
erfindungsgemäße Ventilanordnung
angesehen, da sie eine kompakte Bauweise und günstige Herstellungs- bzw. Beschaffungskosten
vereinen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Ventilanordnung
ist die Antriebseinrichtung als Schrittmotor ausgebildet. Schrittmotoren sind
aus den gleichen Gründen
als vorteilhaft anzusehen wie die vorgenannten Drehmagneten.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand beispielhafter Ausführungsformen
unter Bezug auf die beiliegenden Figuren näher beschrieben. Hierbei zeigt:
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1 eine
perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung;
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2 eine
schematische Draufsicht der Ventil-Kinematik; und
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3 eine
schematische Seitenansicht der Anordnung aus 2.
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Eine
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Ventilanordnung 1 ist
in 1 dargestellt. Die Ventilanordnung 1 weist
ein Gehäuse 3 auf.
An das Gehäuse 3 ist
eine Antriebseinheit 5 angeschlossen, die sich in der gewählten Ausführungsform
teilweise innerhalb einer Abdeckung 7 erstreckt. Die Abdeckung 7 ist
mit Befestigungsmitteln 9 an dem Gehäuse 3 lösbar befestigt
und weist einen (nicht dargestellten) Hohlraum auf. In diesem Hohlraum
sind die in den 2 und 3 gezeigten
Elemente untergebracht.
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Das
Gehäuse 3 weist
einen Einlass 13 und einen (nicht dargestellten) Auslass 14 auf,
welcher dem Einlass 13 gegenüberliegend angeordnet ist. Der
Einlass 13 und der Auslass 14 sind über einen Strömungskanal 15 miteinander
verbunden. Ein Ventilkörper 11,
der in der gewählten
Darstellung als Ventilklappe ausgebildet ist, ist im Inneren des
Gehäuses 3 angeordnet
und erstreckt sich im Wesentlichen vollständig im Strömungskanal 15. Die
Schwenkachse des Ventilkörpers 3 ist
koaxial zu einer Achse 17 angeordnet.
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Der
Ventilkörper 11 ist
um die Achse 17 schwenkbar innerhalb des Strömungskanals 15 angeordnet.
Hierdurch wird der Strömungskanal 15 geöffnet oder
verschlossen, um den Durchtritt von Fluid durch das Gehäuse 3 zu
ermöglichen
bzw. zu verhindern. Das Fluid tritt durch den Einlass 13 in
das Gehäuse 3 ein
und verlässt
das Gehäuse 3 durch
den Auslass 14. Das Antriebs-Drehmoment, welches von der
Antriebseinheit 5 erzeugt wird, wird über kinematische Elemente auf
den Ventilkörper 11 übertragen. Auf
die Anordnung der kinematischen Elemente, die innerhalb der Abdeckung 7 angeordnet
sind, wird im Folgenden anhand der 2 und 3 näher eingegangen.
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In 2 ist
die Anordnung der kinematischen Elemente in einer schematischen
Draufsicht dargestellt. Die Darstellung entspricht einer Ansicht der
Ventilanordnung 1 aus 1 von unten.
Das Gehäuse 3 und
die Abdeckung 7 sind in 2 nicht
dargestellt, um das Zusammenwirken der verschiedenen Elemente hervorzuheben
und zu verdeutlichen.
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3 zeigt
eine um 90 Grad geschwenkte Ansicht der Anordnung aus 2.
Die in 3 gewählte
Orientierung entspricht im Wesentlichen einer Seitenansicht von
der Ventilanordnung aus 1 von vorne. Zum besseren Verständnis des
Zusammenwirkens der einzelnen Elemente sollten 2 und 3 in
Zusammenschau betrachtet werden.
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Die
Antriebseinheit 5 weist eine Welle 19 auf, welche
fest mit einem Zahnrad Z1 verbunden ist. Das Zahnrad Z1 befindet
sich im Eingriff mit einem Zahnrad Z2, welches achsparallel zu Zahnrad
Z1 angeordnet ist. Ein Antriebsglied 21 ist fest mit einem
Zahnrad Z2 verbunden, und ein Festlager 22 des Antriebsgliedes 21 ist
koaxial zur Rotationsachse des Zahnrades Z2 angeordnet. Das Antriebsglied 21 ist über ein
Gelenk 24 mit der Koppel 23 verbunden. Die Koppel 23 ihrerseits
ist weiterhin über
ein Gelenk 26 mit einem Abtriebsglied 25 verbunden.
Die Koppel ist somit sowohl mit dem Antriebsglied 21 als
auch mit dem Abtriebsglied 25 drehbar verbunden. Das Abtriebsglied 25 ist
fest mit dem Ventilkörper 11 verbunden, und
ein Festlager 27 des Abtriebsglieds 25 ist koaxial zur
Achse 17 angeordnet. Das Festlager 27 ist weiterhin
ortsfest zum (nicht dargestellten) Gehäuse 3 angeordnet.
Ebenso ist das Festlager 22 des Antriebsglieds 21 ortsfest
zum Gehäuse 3 angeordnet.
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Die
Antriebseinheit 5 erzeugt ein Drehmoment an der Welle 19.
Dieses Antriebsdrehmoment wird auf das Zahnrad Z1 übertragen.
Das Antriebsdrehmoment wird über
die Zahnradpaarung Z2/Z1 übersetzt
und auf das Antriebsglied 21 übertragen. Durch die Koppel 23 wird
eine Bewegung des Zahnrads Z2 und somit des Antriebsglieds 21 auf
das Abtriebsglied 25 übertragen.
Durch die feste, nicht drehbare Verbindung zwischen dem Abtriebsglied 25 und dem
Ventilkörper 11 wird
auf diese Weise eine Schwenkbewegung des Ventilkörpers erzeugt.