-
Drehschieber
mit mehreren Querschnittsverstellgliedern zur Steuerung eines Fluidstroms,
insbesondere in einem Kühlkreislauf
einer Brennkraftmaschine.
-
Derartige
Drehschieber werden vorzugsweise in Fahrzeugen mit einer Brennkraftmaschine
verwendet, um das Fließverhalten
der verschiedenen Kühlkreisläufe in Abhängigkeit
von der Temperatur der Kühlflüssigkeit
steuern zu können.
-
Die
DE 10 2007 019 064
B3 offenbart einen Drehschieber für einen mehrere Zweige aufweisenden
Kühlmittelkreislauf
einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem antreibenden Querschnittsverstellglied
und mindestens einem von dem antreibenden Querschnittsverstellglied über ein
Getriebe antreibbaren Querschnittsverstellglied, wobei das Getriebe
mindestens ein Zahnrad aufweist, das mit Mitnahmeelementen jedes
Querschnittsverstellglieds zusammenwirkt. Die Mitnahmeelemente des
antreibbaren Querschnittsverstellglieds sind über den gesamten Umfang und
die Mitnahmeelemente des antreibbaren Querschnittsverstellglieds
sind nur über mindestens
einen Umfangswinkelbereich verteilt angeordnet. Dadurch kann sich
das antreibende Querschnittsverstellglied über einen von dem genannten Umfangswinkelbereich
verschiedenen Winkelbereich verdrehen, ohne dass dadurch das antreibbare Querschnittsverstellglied
mitbewegt wird.
-
Nachteilig
ist, dass der Drehschieber vergleichsweise aufwändig zu fertigen ist, was sich
negativ auf die Kosten auswirkt. So müssen die beiden Querschnittsverstellglieder
durch ein komplexes Getriebe verbunden werden, wel ches mit einem
speziellen Zahnrad zusammenwirkt. Dadurch entstehen hohe Kosten
für Material
und Zusammenbau des Drehschiebers.
-
Die
DE 10 2006 050 826
A1 zeigt einen Drehschieber mit mehreren Querschnittsverstellgliedern,
wobei die Querschnittsverstellglieder mehreren unterschiedlichen
Drehelementen, insbesondere zwei oder drei Drehelementen, zugeordnet
sind, die jeweils über
ein Drehgetriebe miteinander wirkverbunden sind. Das erste Drehelement
wird dabei von einem Stellmotor angetrieben und überträgt die Drehbewegung über die
Drehgetriebe auf die koaxial angeordneten, weiteren Drehelemente.
Mindestens zwei der Drehelemente sind strömungstechnisch miteinander
verbunden.
-
Nachteilig
an dem gezeigten Drehschieber ist die dauerhafte und unflexible
Verbindung der Drehelemente mittels zwischengeschalteter Drehgetriebe.
Die Drehung des angetriebenen Drehelements führt unmittelbar zu einer Zwangsdrehung
der damit wirkverbundenen Drehelemente mit einer festgelegten Drehübersetzung.
Weiterhin ist der Aufwand zur Bereitstellung eines derartigen Drehschiebers
relativ hoch, da mehrere dieser Drehgetriebe benötigt werden. Zudem ist es möglich, dass
die Drehgetriebe durch das Eindringen von Dreck oder korrosiven
Medien verschleißen
und somit die Funktionsfähigkeit des
Drehschiebers nachhaltig beeinträchtigen.
-
Die
DE 10 2006 059 029
A1 zeigt einen Drehschieber mit mehreren Querschnittsverstellgliedern,
wobei die Querschnittsverstellglieder jeweils über ein Drehgetriebe mit einer
gemeinsamen Antriebswelle in Verbindung stehen und dass mindestens
ein Drehgetriebe über
einen Teildrehwinkel eine Entkopplung aufweist. Die Entkopplung
erfolgt durch ein Zahnrad, welches über mindestens einen Umfangsabschnitt
zahnfrei ausgebildet ist.
-
Nachteilig
an dem gezeigten Drehschieber ist der hohe Bauraumbedarf, der von
den Zahnrädern des
Drehgetriebes ausgeht. Durch die konstruktionsbedingte koaxiale
Anordnung der Zahnräder
entlang der Querschnittsverstellglieder bestimmt das Zahnrad mit
dem größten Durchmesser
im Wesentlichen den Durchmesser der restlichen Zahnräder und
somit den Abstand der Drehachse des Drehgetriebes von der Drehachse
der Querschnittsverstellglieder. Die realisierbaren Verstellmöglichkeiten
stehen somit stets in Konflikt mit dem vorhandenen Bauraum.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher einen robusten Drehschieber
mit mehreren Querschnittsverstellgliedern bereitzustellen, dessen Querschnittsverstellglieder
mit möglichst
geringem Material- und Bauraumaufwand in einem bestimmten Drehwinkel
entkoppelbar sind.
-
Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
-
Drehschieber,
aufweisend ein erstes Querschnittsverstellglied, das durch einen
Antrieb zwischen einer Ausgangsstellung und einer Endstellung um
eine Drehachse verdrehbar ist, und mindestens ein zweites Querschnittsverstellglied,
das koaxial zum ersten Querschnittsverstellglied angeordnet ist und
um einen Teilwinkel zwischen der Ausgangsstellung und der Endstellung
verdrehbar ist, wobei der Teilwinkel durch mindestens eine Anschlagstellung, die
zwischen der Ausgangsstellung und der Endstellung angeordnet ist,
begrenzt wird und dass das erste und zweite Querschnittsverstellglied
nur beim Überstreichen
des Teilwinkels, insbesondere zwischen Anschlagstellung und Endstellung, über eine
Mitnehmereinrichtung formschlüssig
wirkverbunden sind, wobei auf das zweite Querschnittsverstellglied
ein Rückstellelement
wirkt, welches eine Kraft in Richtung der Anschlagstellung ausübt.
-
Indem
das erste und zweite Querschnittsverstellglied durch die Mitnehmereinrichtung
formschlüssig
verbindbar sind, ist es möglich,
dass das erste und zweite Querschnittsverstellglied nur in einem
Teilwinkel miteinander wirkverbunden sind. Der Teilwinkel wird von
der Anschlagstellung und Endstellung aufgespannt, wobei das zweite
Querschnittsverstellglied nur diesen Teilwinkel überstreichen kann. Das erste
Querschnittsverstellglied, das durch den Antrieb verdrehbar ist,
kann dabei den Teilwinkel überstreichen
und zusätzlich
noch zwischen der Ausgangsstellung und der Anschlagstellung verdreht
werden, ohne dabei mit dem zweiten Querschnittsverstellglied wirkverbunden
zu sein. Dadurch, dass die Wirkverbindung im Teilwinkel durch einen Formschluss
hergestellt wird, können
das erste und zweite Querschnittsverstellglied in der Anschlagstellung
besonders einfach und schnell durch die Mitnehmereinrichtung miteinander
wirkverbunden und umgekehrt auch wieder voneinander gelöst werden.
Das am zweiten Querschnittsverstellglied angeordnete Rückstellelement übt dabei
eine Kraft in Richtung der Anschlagstellung aus und sichert somit
die Einbehaltung des Formschlusses im Bereich des Teilwinkels ab.
Dadurch, dass nur ein Antrieb notwendig ist, um einen Drehschieber
mit zwei teilentkoppelten Querschnittsverstellgliedern über bestimmte
Winkelbereiche zu verdrehen, lässt
sich dieser besonders günstig
und kompakt bereitstellen. Die formschlüssige Verbindung durch die
Mitnehmereinrichtung ist darüber
hinaus sehr robust, da keine komplizierten und somit fehleranfälligen Bauteile
benötigt
werden.
-
In
einer bevorzugten Ausführung
sind das erste und zweite Querschnittsverstellglied als Hohlkörper, insbesondere
als zylindrische Hohlkörper, ausgebildet,
deren Innenvolumen zumindest teilweise von einer Wandung umgrenzt
werden. Indem die Querschnittsverstellglieder als Hohlkörper ausgebildet
sind, ist es möglich
diese mit einem Fluid zu befüllen.
Durch die bevorzugte zylindrische Form der Hohlkörper eignen sich diese besonders
gut als Rotationskörper
mit gegenseitigem Eingriff.
-
In
einer bevorzugten Ausführung
weist das erste und zweite Querschnittsverstellglied jeweils mindestens
eine Durchgangsöffnung
in seiner Wandung auf. Durch diese Durchgangsöffnungen kann das Innenvolumen
mit einem Fluid von außerhalb
beaufschlagt werden.
-
In
einer bevorzugten Ausführung
ist die Mitnehmereinrichtung als korrespondierende Fortsätze an den
Wandungen des ersten und zweiten Querschnittsverstellglieds ausgebildet,
die in formschlüssigen
Eingriff bringbar sind. Indem einfache Fortsätze an den jeweiligen Wandungen
angeordnet sind, ist es möglich
die Mitnehmereinrichtung besonders einfach, robust und günstig bereitzustellen.
Durch den formschlüssigen
Eingriff der Fortsätze
lassen sich das erste und zweite Querschnittsverstellglied im Bereich
des Teilwinkels, der von der Anschlagstellung und Endstellung aufgespannt
wird, schnell und problemlos verbinden und beim Verlassen des Teilwinkels
ebenso wieder voneinander lösen
-
In
einer bevorzugten Ausführung
sind die Fortsätze
als eine abschnittsweise axiale Verlängerung der Wandungen des ersten
und zweiten Querschnittsverstellglieds in Richtung des jeweils anderen Querschnittsverstellglieds
ausgebildet. Indem die Wandung des jeweiligen Querschnittsverstellglieds abschnittsweise
axial verlängert
werden, lassen sich die entsprechenden Fortsätze besonders günstig bereitstellen.
-
In
einer bevorzugten Ausführung
sind das erste und zweite Querschnittsverstellglied in einem Hüllkörper angeordnet,
welcher mindestens eine Durchgangsöffnung aufweist, die mit mindestens
einer Durchgangsöffnung
des ersten und/oder zweiten Querschnittsverstellglieds durch eine
Verdrehung in zumindest teilweise Überdeckung gebracht werden kann.
Der Hüllkörper dichtet
das erste und zweite Querschnittsverstellglied gegenüber der
Umge bung ab. Lediglich über
die Durchgangsöffnungen
im Hüllkörper kann
Fluid in das Innere gelangen. Befinden sich die Durchgangsöffnungen
des ersten und/oder zweiten Querschnittsverstellglied zumindest
in teilweiser Überdeckung
mit den Durchgangsöffnungen des
Hüllkörpers, was
durch eine Verdrehung des ersten und/oder zweiten Querschnittsverstellglieds
innerhalb des Hüllkörpers möglich ist,
entsteht mindestens ein Strömungskanal
mit verstellbarem Querschnitt für
den Fluidaustausch.
-
In
einer bevorzugten Ausführung
sind die Innenvolumen des ersten und zweiten Querschnittsverstellglieds
strömungstechnisch
miteinander verbunden. Indem die Innenvolumen des ersten und zweiten
Querschnittsverstellglieds strömungstechnisch
miteinander verbunden sind, ist ein Fluidaustausch auch innerhalb
des Drehschiebers möglich. Besonders
einfach wird dies dadurch erreicht, dass die als zylindrischen Hohlkörper ausgebildeten
Querschnittsverstellglieder nur eine Mantelfläche, beziehungsweise eine offene
Grund- und/oder Deckfläche aufweisen.
-
In
einer bevorzugten Ausführung
wird die Anschlagstellung von einem auf dem zweiten Querschnittsverstellglied
angeordneten Rastelement definiert, das an einem ersten Vorsprung
des Hüllkörpers zur
Anlage gebracht werden kann. Indem das auf dem zweiten Querschnittsverstellglied
angeordnete Rastelement an dem ersten Vorsprung des Hüllkörpers zur
Anlage kommt, ist die Anschlagstellung besonders einfach und sicher
definiert. Das zweite Querschnittsverstellglied kann dadurch nicht über die Anschlagstellung
hinaus in Richtung der Ausgangsstellung verdreht werden, was die
nötige
Bewegungsfreiheit für
das erste Querschnittsverstellglied in diesem Bereich sicherstellt.
-
In
einer bevorzugten Ausführung
wird die Endstellung von dem auf dem zweiten Querschnittsverstellglied
angeordneten Rastelement definiert, das an einem zweiten Vorsprung
des Hüllkörpers zur Anlage
gebracht werden kann. Indem das Rastelement des zweiten Querschnittsverstellglied
auch noch an einem zweiten Vorsprung des Hüllkörpers zur Anlage kommen kann
ist die Endstellung ebenso einfach und sicher definiert. Das Rastelement
erlaubt dem zweiten Querschnittsverstellglied somit nur im Teilwinkel
zwischen dem ersten und zweiten Vorsprung, was der Anschlagstellung
und der Endstellung entspricht, verdreht zu werden. Dadurch dass
in diesem Teilwinkel das erste und zweite Querschnittsverstellglied
wirkverbunden sind, definiert das zweite Querschnittsverstellglied
somit gleichzeitig auch die Endstellung für das erste Querschnittsverstellglied.
-
In
einer bevorzugten Ausführung
ist das Rückstellelement
als Spiralfeder ausgebildet, die an dem zweiten Querschnittsverstellglied
angeordnet ist. Indem eine Spiralfeder als Rückstellelement verwendet wird,
lässt sich
das Rückstellelement
besonders einfach, günstig
und robust bereitstellen.
-
In
einer bevorzugten Ausführung
wird die Spiralfeder beim Verdrehen des zweiten Querschnittsverstellglieds
von der Anschlagstellung in Richtung der Endstellung belastet. Die
Spiralfeder lädt
sich durch das Verdrehen des zweiten Querschnittsverstellglied im
Teilwinkel zwischen Anschlagstellung und Endstellung unterschiedlich
stark auf, übt
dabei aber stets Druck auf das zweite Querschnittsverstellglied
in Richtung der Anschlagstellung aus. Dadurch ist sichergestellt,
dass das zweite Querschnittsverstellglied beim Überstreichen des Teilwinkels
zwischen Anschlagstellung und Endstellung stets in formschlüssiger Verbindung
mit dem ersten Querschnittsverstellglied steht und ansonsten in
der Anschlagstellung arretiert wird, wenn sich das erste Querschnittsverstellglied
im Bereich zwischen Ausgangsstellung und Anschlagstellung verdreht.
-
In
einer bevorzugten Ausführung
ist der Antrieb als elektrischer Stellmotor ausgebildet, der mit dem
ersten Querschnittsverstellglied wirkverbunden ist. Durch einen
elektrischen Stellmotor lässt
sich der Antrieb für
das erste Querschnittsverstellglied in einem möglichst geringen Bauraum realisieren.
-
Weitere
Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der nachstehenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
-
Darin
zeigen:
-
1 eine
Ansicht des ersten Querschnittsverstellglieds in Ausgangsstellung
und des zweiten Querschnittsverstellglieds in Anschlagstellung;
-
2 eine
Ansicht des ersten und zweiten Querschnittsverstellglieds in Anschlagstellung;
-
3 eine
Ansicht des ersten und zweiten Querschnittsverstellglieds in Endstellung;
-
4 einen
Teilschnitt des Hüllkörpers zusammen
mit dem ersten und zweiten Querschnittsverstellglied;
-
5 eine
Schnittansicht des ersten Querschnittsverstellglieds mit dem Hüllrohr.
-
6 eine
Schnittansicht des zweiten Querschnittsverstellglieds mit dem Hüllrohr.
-
Gemäß 1, 2 und 3 hat
ein Drehschieber ein erstes Querschnittsverstellglied 1 und
ein zweites Querschnittsverstellglied 2, die als zylindrische
Hohlkörper
mit offenen Grund- und Deckflächen
ausgebildet sind und deren Mantelflächen jeweils von einer Wandung 9 und 10 gebildet werden.
Die jeweiligen Längsachsen
bilden die gemeinsame Drehachse A, um die das erste und zweite Querschnittsverstellglied 1 und 2 verdrehbar
sind. In die Wandungen 9 und 10 sind Durchgangsöffnungen 13 und 14 integriert,
die im vorliegenden Ausführungsbeispiel
das jeweilige Querschnittsverstellglied 1 und 2 vollständig durchdringen.
Das erste Querschnittsverstellglied 1 weist einen Fortsatz 11 auf,
der durch eine abschnittsweise axiale Verlängerung der Wandung 9 gebildet
wird und sich in Richtung des nebenliegenden, zweiten Querschnittsverstellglieds 2 erstreckt.
Das zweite Querschnittsverstellglied 2 weist ebenfalls
einen Fortsatz 12 auf, der durch eine abschnittsweise axiale
Verlängerung
des Wandung 10 gebildet wird und sich in Richtung des nebenliegenden,
ersten Querschnittsverstellglieds 1 erstreckt. Beide Fortsätze 11 und 12 bilden
die Mitnehmereinrichtung 7. An dem zweiten Querschnittsverstellglied 2 ist
zudem eine Spiralfeder 8 angeordnet.
-
In 1 befinden
sich das erste Querschnittsverstellglied 1 in der Ausgangsstellung 4 und das
zweite Querschnittsverstellglied 2 in der Anschlagstellung 6.
Die Anschlagstellung 6 des zweiten Querschnittsverstellglied 2 wird
von dem Rastelement 18 definiert, welches an einem Vorsprung 19 anliegt.
In der Anschlagstellung befindet sich die Spiralfeder 8 in
einem weitestgehend unbelasteten Zustand. Zwischen der Ausgangsstellung 4 und
der Anschlagstellung 6 befindet sich im vorliegenden Beispiel
ein Drehwinkel von etwa 180°.
Das erste und zweite Querschnittsverstellglied 1 und 2 liegen
axial derart nahe beieinander, dass sich das erste Querschnittsverstellglied 1 so
lange in jede beliebige Richtung frei verdrehen kann, bis es mit
seinem Fortsatz 11 an den Fortsatz 12 des zweiten
Querschnittsverstellglieds 2 anschlägt.
-
In 2 befindet
sich das zweite Querschnittsverstellglied 2 in der Anschlagstellung 6 und der
Fortsatz 11 des ersten Querschnittsverstellglied 1 liegt
an dem Fortsatz 12 des zweiten Querschnittsverstellglieds 2 an.
-
In 3 befinden
sich das erste und zweite Querschnittsverstellglied 1 und 2 in
der jeweiligen Endstellung 5, wodurch die Fortsätze 11 und 12 aneinander
anliegen. Die Endstellung 5 wird durch das Rastelement 18 definiert,
welches an einem zweiten Vorsprung 20 anliegt. Zwischen
der Anschlagstellung 6 und der Endstellung 5 liegt
im vorliegenden Beispiel ein Drehwinkel von etwa 90°. Die Spiralfeder 8 ist
in der Endstellung 5 maximal belastet und übt somit eine
Kraft in Richtung der Anschlagstellung 6 aus.
-
Gemäß 4 hat
ein Drehschieber einen Hüllkörper 15,
der als ein zylindrischer Hohlkörper ausgeführt ist,
in dem das erste und zweite Querschnittsverstellglied 1 und 2 drehbar
gelagert sind. Die Verdrehbewegung des ersten Querschnittsverstellglieds 1 wird
durch den elektrischen Stellmotor 3 realisiert, der auf
dem Hüllkörper 15 angeordnet
und mit dem ersten Querschnittsverstellglied 1 wirkverbunden
ist. Der Hüllkörper 15 dichtet
die Innenvolumen des ersten und zweiten Querschnittsverstellglieds 1 und 2 gegenüber der
Umgebung ab. In die Mantelfläche
des Hüllkörpers 15 sind
Durchgangsöffnungen 16 und 17 eingebracht,
die durch ein Verdrehen zumindest in teilweise Überdeckung mit den Durchgangsöffnungen 13 und 14 des
ersten und zweiten Querschnittsverstellglieds 1 und 2 gebracht werden
können.
Dadurch ergeben sich Strömungskanäle mit variablen
Querschnitten, die mit einem Fluid einer Brennkraftmaschine 21,
insbesondere mit Kühlflüssigkeit,
beaufschlagt werden können.
So kann beispielsweise die Durchgangsöffnung 17 im Hüllkörper 15 mit
dem Zulauf 22 aus einem Kühlflüssigkeitsmantel der Brennkraftmaschine 21 verbunden
sein und die Durchgangsöffnung 16 des
Hüllkörpers 15 mit
dem Rücklauf 23,
der über
einen Radiator 24 zurück
in den Kühlflüssigkeitsmantel
der Brennkraftmaschine 21 führen. Beim Kaltstart der Brennkraftmaschine 21 befindet
sich das zweite Querschnittsverstellglied 2 in der Anschlagstellung,
bei der keine Überschneidung
der Durchgangsöffnung 14 des
zweiten Querschnittsverstellglieds 2 mit der Durchgangsöffnung 17 des
Hüllkörpers 15 vorhanden
ist. Das erste Querschnittsverstellglied 1 befindet sich
in der Ausgangsstellung. Erst wenn sich die Kühlflüssigkeit erwärmt und
eine bestimmte Grenztemperatur erreicht, wird das erste Querschnittsverstellglied 1 vom
Stellmotor 3 in Richtung der Anschlagstellung verdreht.
Dort gelangt es über
die Fortsätze 11 und 12 in
Eingriff mit dem zweiten Querschnittsverstellglied 2. Dreht
sich das erste Querschnittsverstellglied 1 weiter in Richtung
der Endstellung, so verdreht es das zweite Querschnittsverstellglied 2 ebenfalls,
wodurch sich die Durch gangsöffnung 14 des
zweiten Querschnittsverstellglieds 2 und die Durchgangsöffnung 17 des
Hüllkörpers 15 variabel überschneiden
lassen. Die Kühlflüssigkeit
kann in den Drehschieber eindringen. Gleichzeitig überschneiden
sich auch die Durchgangsöffnung 13 des ersten
Querschnittsverstellglieds 1 und die Durchgangsöffnung 16 des
Hüllkörpers 15,
wodurch die Kühlflüssigkeit
den Drehschieber verlassen und zum Radiator 24 fließen kann,
wo es abgekühlt
wird. Durch eine Verstellung der wirksamen Querschnitte der Durchgangsöffnungen 13 und 14 mit 16 und 17 ergibt
sich die Möglichkeit
den Kühlflüssigkeitsstrom sehr
präzise
einzuregeln.
-
5 zeigt
das erste Querschnittsverstellglied 1, wie es im Hüllkörper 15 gelagert
ist. Der als Stellmotor ausgeführte
Antrieb 3 ist mit dem ersten Querschnittsverstellglied 1 wirkverbunden
und kann dieses somit um eine Drehachse A verdrehen. Weiterhin wird
die Ausgangsstellung 4, die Endstellung 5 und
die Anschlagstellung 6 gezeigt, die von dem ersten Querschnittsverstellglied 1 eingenommen
werden können.
-
6 zeigt
das zweite Querschnittsverstellglied 2, wie es im Hüllkörper 15 gelagert
ist. Auf der Mantelfläche
des zweiten Querschnittsverstellglieds 2 ist ein Rastelement 18 angeordnet,
welches durch Verdrehen des zweiten Querschnittsverstellglieds 2 um
die Drehachse A an den beiderseits angeordneten Vorsprüngen 19 und 20 des
Hüllkörpers 15,
die einen Teilwinkel α aufspannen,
zur Anlage kommen kann. Der erste Vorsprung 19 ist derart
positioniert, dass das zweite Querschnittsverstellglied 2 bei
Anlage des Rastelements 18 an den ersten Vorsprung 19 die
Anschlagstellung 6 einnimmt. Der zweite Vorsprung 20 ist
derart positioniert, dass das zweite Querschnittsverstellglied 2 bei
Anlage des Rastelements 18 mit dem zweiten Vorsprung 20 die
Endstellung 5 einnimmt. Das zweite Querschnittsverstellglied 2 besitzt
keinen eigenen Antrieb und wird daher indirekt über das erste Querschnittsverstellglied 1 angetrieben,
wenn dieses, ausgehend von der Ausgangsstellung 4, mit
seinem Fortsatz 11 gegen den Fortsatz 12 des zweiten
Querschnittsverstellglieds 2 drückt.