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Die Erfindung betrifft eine Klappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Strömungsgehäuse, das einen Strömungskanal begrenzt, einem Klappenkörper, der drehbar im Strömungskanal angeordnet ist, einer Klappenwelle, auf der der Klappenkörper befestigt ist, einem Aktor mit einer Aktorausgangswelle, welche mit der Klappenwelle auf einer gemeinsamen Drehachse angeordnet und drehfest mit der Klappenwelle gekoppelt ist und einem Aktorgehäuse, in dem der Aktor angeordnet ist.
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Derartige Klappenvorrichtungen werden beispielsweise als Abgasstauklappen oder Abgasrückführventile in Niederdruck- oder Hochdruckabgaskreisläufen oder als Drosselklappen im Ansaugtrakt von Verbrennungsmotoren eingesetzt und dienen zur Regelung einer zu den Zylindern zurückzuführenden Abgasmenge oder zur Regelung des Drucks im Abgasrückführkanal zur Verringerung der Schadstoffemissionen des Motors oder zur Regelung der angesaugten Luftmenge.
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Je nach Einbauort sind diese Ventile sowohl bezüglich der anfallenden Schadstoffmenge als auch bezüglich der herrschenden Temperaturen unterschiedlich stark belastet. Um jedoch eine möglichst genaue und schnelle Positionierung der Klappen im Kanal vornehmen zu können, werden bevorzugt elektromotorische Aktoren verwendet, welche jedoch nur eingeschränkt thermisch belastbar sind. Aus diesem Grund werden häufig entweder Kühlkanäle im Aktor vorgesehen oder die Aktoren in Entfernung zu den Klappen angeordnet und über Gestänge oder Seilzüge betätigt. Da der zur Verfügung stehende Bauraum im Motor und im Abgasstrang jedoch zusehends geringer wird, besteht der Bedarf einer direkten Kopplung des Aktors zur Klappe. Da jedoch über die Klappenwelle eine hohe Wärmemenge in Richtung des Aktors transportiert wird, wodurch dieser zusätzlich belastet wird, sind verschiedene Möglichkeiten zur Kopplung einer thermisch belasteten Klappenwelle mit einer Aktorausgangswelle bekannt geworden, mit denen die Wärmeübertragung in den Aktor verringert werden soll.
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So wird in der
DE 10 2013 103 105 A1 eine Abgasklappe für ein Automobil offenbart, bei der die Klappenwelle formschlüssig mit einer Schraubenfeder verbunden ist, deren entgegengesetztes Ende von einer Hülse aufgenommen wird, welche mit der Aktorausgangswelle verbunden wird. Die Bewegung der Aktorausgangswelle wird somit über die Feder übertragen, so dass keine spielfreie Anbindung besteht und insbesondere bei auftretenden Pulsationen ein Schwingen der Klappe im Kanal die Folge sein kann.
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Aus der
DE 10 2004 040 817 A1 ist eine Abgasklappe bekannt, deren Ausgangswelle mit der Welle des Aktors fluchtet. Beide Wellenenden sind über ein Kopplungselement formschlüssig miteinander verbunden. Über diesen Verbindungsbereich wird eine Hülse zum Schutz gestülpt.
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Die
DE 10 2006 043 559 A1 offenbart eine Abgasrückführklappe, deren Wellenende formschlüssig in das Wellenende einer angetriebenen Aktorwelle ragt. Neben diesem Formschluss werden die beiden Wellen ein Drehmoment übertragend mittels einer Mikroverkapselung gekoppelt.
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Zusätzlich ist aus der
DE 435 284 A ein Kopplungsmechanismus für zwei axial zueinander verschiebbare Wellen bekannt. Dieser weist zwei Mitnehmerzylinderstifte auf, die in entsprechenden Ausnehmungen der äußeren Hohlwelle und der inneren Welle angeordnet sind, um ein Drehmoment zu übertragen.
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Sowohl aus der
WO 2010/103249 A1 als auch aus der
WO 2012/084796 A1 sind Abgasklappen bekannt, bei denen sowohl auf der Klappenwelle als auch auf der Aktorausgangswelle jeweils ein Koppelelement befestigt wird, welche formschlüssig von beiden Seiten in ein drittes Element greifen, an dem zu den Aussparungen und Vorsprüngen der Koppelemente entsprechende Öffnungen und Vorsprünge ausgebildet sind, so dass insgesamt eine formschlüssige Verbindung der beiden Wellen geschaffen werden soll. Durch die verringerten Anlageflächen zwischen den beiden Wellen wird so zwar der Wärmeeintrag zum Aktor verringert, jedoch ist die Befestigung und Montage der Koppelelemente an den Wellen und auch die Befestigung der Koppelemente aneinander über das dritte Element aufgrund der komplizierten Formgebung sehr aufwendig. Entsprechend ist es bei der Montage nicht möglich, durch ein einfaches Aufstecken des Aktorgehäuses mit der Aktorausgangswelle auf das Strömungsgehäuse mit der Klappenwelle gleichzeitig die drehfeste Verbindung zwischen den beiden Wellen herzustellen.
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Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Klappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine zur Verfügung zu stellen, bei welcher einerseits der Wärmeübergang von der Klappenwelle zur Aktorausgangswelle und damit in das Aktorgehäuse verringert wird und andererseits eine möglichst spielfreie drehfeste Befestigung der beiden Wellen aneinander möglichst durch einfaches Aufstecken der beiden Gehäuse aufeinander herstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Klappenvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.
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Dadurch, dass die Aktorausgangswelle und die Klappenwelle abschnittsweise ineinander ragen, wobei axial innerhalb des ineinander ragenden Abschnitts die Klappenwelle und die Aktorausgangswelle von einem Mitnehmer radial umgeben sind, an dessen Innenumfang eine profilierte Mitnehmerfläche ausgebildet ist, welche formschlüssig eine korrespondierend zur profilierten Mitnehmerfläche am Außenumfang des ineinander ragenden Abschnitts der Klappenwelle und der Ausgangswelle ausgebildete, profilierte Wellenabschnittsfläche umgreift, kann eine Verbindung zwischen den beiden Wellen durch Aufsetzen des Aktorgehäuses mit der Aktorausgangswelle auf das Strömungsgehäuse mit der Klappenwelle hergestellt werden. Dabei tauchen die nach der Montage ineinander ragenden Abschnitte ineinander ein. Der Wärmeübergang aus dem Strömungskanal über die Klappenwelle in das Aktorgehäuse wird durch die verringerten Auflageflächen zwischen den beiden Wellen deutlich reduziert.
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Vorzugsweise ist am Ende der Aktorausgangswelle oder der Klappenwelle eine Axialbohrung ausgebildet, in die das Ende der gegenüberliegenden Klappenwelle oder Aktorausgangswelle ragt. Durch eine solche Ausführung brauchen keine axialen Toleranzen zwischen den beiden Wellen beziehungsweise den beiden Gehäusen beachtet werden und es wird beim Aufeinanderstecken der beiden Gehäuse eine Vorpositionierung der beiden Wellen erzeugt.
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Um eine besonders einfache Herstellung der formschlüssigen Verbindung zu erhalten, ist der in die Axialbohrung ragende Abschnitt der Klappenwelle oder der Aktorausgangswelle zylindersegmentförmig ausgebildet und weist mindestens eine gerade, axial verlaufende Schnittkante auf, die als drehmomentübertragende Fläche dient.
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In einer hierzu weiterführenden Ausführung weist das die Axialbohrung aufweisende Ende der Klappenwelle oder der Aktorausgangswelle einen hohlzylindersegmentförmigen Abschnitt mit mindestens einer geraden, axial verlaufenden Schnittkante auf, deren Abstand zur Drehachse dem Abstand der Schnittkante des in die Axialbohrung ragenden Endes der Klappenwelle oder der Aktorausgangswelle zur Drehachse entspricht. So entsteht beim richtigen Positionieren der beiden Wellen zueinander ein gemeinsamer Querschnitt mit einer gemeinesamen Ebene für die Drehmomentübertragung beispielsweise in Form eines Kreissegmentes bzw. in Form eines D's, wodurch beide Wellen durch einen entsprechend geformten Mitnehmer drehfest zueinander befestigt werden können.
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Entsprechend wird der Mitnehmer so ausgestaltet, dass er am Innenumfang eine Ausnehmung aufweist, welche zylindersegmentförmig ausgebildet ist, wobei die axial verlaufende gerade Fläche des Zylindersegmentes einen Abstand zur Drehachse aufweist, der dem Abstand der Schnittkante der Ausgangswelle und der Klappenwelle entspricht. Entsprechend wird ein Drehmoment der Aktorausgangswelle auf den formschlüssig verbundenen Mitnehmer und von diesem auf die Klappenwelle übertragen, wobei jeweils die gerade verlaufende Schnittkante zur Drehmomentübertragung dient.
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Vorzugsweise ist die Klappenwelle in einer im Strömungsgehäuse ausgebildeten Lageraufnahme über ein erstes Lager gelagert und die Aktorausgangswelle ist über ein zweites Lager gelagert, welches im Aktorgehäuse in einer Lageraufnahme angeordnet ist. So sind einerseits vor der Montage des Strömungsgehäuses am Aktorgehäuse beide Klappen vormontiert und gelagert und andererseits besteht nach der Montage eine einseitige Lagerung der zusammengebauten Welle über zwei Lager, wodurch auf die Klappe wirkende Biegemomente zuverlässig aufgenommen werden können.
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Vorzugsweise ist der Mitnehmer mittels einer Druckfeder axial gegen einen Anschlag belastet, wodurch der Mitnehmer auch axial fixiert wird.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Mitnehmer als Anlaufscheibe für eines der Lager dient und das Lager durch die Federkraft der Druckfeder gegen einen Absatz des Gehäuses belastet ist. Dieses Lager ist somit axial gesichert. Enge Fertigungstoleranzen sind entsprechend in axialer Richtung nicht einzuhalten. Der Mitnehmer erfüllt entsprechend zwei Funktionen gleichzeitig, so dass Bauteile eingespart werden.
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In einer weiterführenden Ausbildung der Erfindung liegt das zum Mitnehmer entgegengesetzte axiale Ende der Druckfeder gegen einen Wellenabsatz an. Die Druckfeder kann sich entsprechend mit der Welle und dem Mitnehmer drehen, wodurch ein Verschleiß an der Feder vermieden wird und eine Gleitfläche lediglich zwischen Anlaufscheibe und Lager vorliegt. Des Weiteren wird hierdurch eine auf der Welle fest angeordnete zweite Anlaufscheibe gegen das zweite Lager belastet, wodurch die Position der Klappe im Kanal festgelegt wird.
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In einer weiterführenden Ausführung wird der Mitnehmer über eine Presspassung oder durch Schweißen mit der Aktorausgangswelle, in der die Bohrung ausgebildet ist, verbunden. Durch diese Presspassung kann der Mitnehmer auf der Aktorausgangswelle vormontiert werden, wodurch die Montage durch einfaches Aufstecken der Gehäuse und damit der Wellen aufeinander durchführbar ist.
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Es wird somit eine Klappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine geschaffen, mit der der Wärmeeintrag über die Klappenwelle in den Aktor durch Verringerung der Auflageflächen reduziert wird. Gleichzeitig wird zuverlässig mit einfach herstellbaren Bauteilen eine drehfeste Verbindung zwischen der Aktorausgangswelle und der Klappenwelle geschaffen, die durch einfaches Aufstecken der beiden Wellen aufeinander herstellbar ist. Die Verbindung kann dabei weitestgehend spielfrei hergestellt werden, so dass eine genaue Einstellbarkeit der Klappe im Kanal und damit eine gute Regelbarkeit erreicht werden. Dabei werden durch eine einfache Montage und einfache Herstellung der Einzelteile mit geringen einzuhaltenden Toleranzen Herstellkosten reduziert.
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Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Klappenvorrichtung ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
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1 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Klappenvorrichtung in geschnittener Darstellung.
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2 zeigt einen Querschnitt durch die Aktorausgangswelle und die Klappenwelle im Bereich des Mitnehmers.
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Die erfindungsgemäße Klappenvorrichtung weist ein Strömungsgehäuse 10 auf, welches einen Strömungskanal 12 begrenzt. Im Strömungskanal 12 ist ein Klappenkörper 14 angeordnet, über den der Durchströmungsquerschnitt des Strömungskanals 12 geregelt werden kann, indem der Klappenkörper 14 im Strömungskanal 12 gedreht wird.
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Hierzu ist der Klappenkörper 14 auf einer Klappenwelle 16 befestigt, die durch das Strömungsgehäuse 10 in den Strömungskanal 12 ragt.
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Eine Drehung des Klappenkörpers 14 wird durch einen Aktor 18 initiiert. Dieser Aktor 18 ist in einem Aktorgehäuse 20 angeordnet, welches durch einen Deckel 22 unter Zwischenlage einer Dichtung 23 verschlossen wird und welches mit dem Strömungsgehäuse 10 verbunden ist. Der Aktor 18 weist ein Betätigungsmittel wie einen Elektromotor auf, dessen Bewegung beispielsweise über ein Getriebe 24 auf ein Abtriebszahnrad 26 untersetzt übertragen wird. Dieses Abtriebszahnrad 26 ist auf einer Aktorausgangswelle 28 befestigt, die sich aus dem Aktor 18 in Richtung des Strömungsgehäuses 10 und insbesondere in Richtung der Klappenwelle 16 erstreckt.
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Zur Befestigung des Strömungsgehäuses 10 am Aktorgehäuse 20 ist am Strömungsgehäuse 10 ein hohlzylindrischer Vorsprung 30 ausgebildet, durch den die Klappenwelle 16 in das Aktorgehäuse 20 ragt und der sich ebenfalls in Richtung des Aktorgehäuses 20 erstreckt. Am Außenumfang des Vorsprungs 30 ist eine umlaufende Nut 32 ausgebildet. Der hohlzylindrische Vorsprung 30 liegt mit seinem Außenumfang radial gegen eine Innenwand eines hohlzylindrischen Aufnahmeelementes 34 des Aktorgehäuses 20 an, welches somit den Vorsprung 30 über eine definierte Höhe radial fest umgibt, wobei die Nut 32 innerhalb dieses vom Aufnahmeelement 34 umgebenen Abschnitt des Vorsprungs 30 ausgebildet ist. Dieser den Vorsprung 30 umgebende Abschnitt des Aufnahmeelementes 34 dient entsprechend als Aufnahmeöffnung 36 für den Vorsprung 30. Diese Ausbildung hat den Vorteil, dass kein Spritzwasser von außen durch den Spalt zwischen der Außenwand des Vorsprungs 30 und der Innenwand des Aufnahmeelementes 34 in das Innere des Aktorgehäuses 20 eindringen kann.
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Ein axial in die Aufnahmeöffnung 36 des Aufnahmeelementes 34 des Aktorgehäuses 20 ragendes Ende 38 des hohlzylindrischen Vorsprungs 30 liegt zudem gegen einen die Aufnahmeöffnung 36 axial begrenzenden Absatz 40 des Aufnahmeelementes 34 unter Zwischenlage einer Dichtung 42 an.
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An das Aufnahmeelement 34 schließt sich ein in Richtung des Deckels 22 ragender hohlzylindrischer Vorsprung 44 mit im Vergleich zum Aufnahmeelement 34 verkleinertem Innendurchmesser an, wobei zwischen dem sich axial erstreckenden Aufnahmeelement 34 und dem sich axial erstreckenden hohlzylindrischen Vorsprung 44 ein weiterer Absatz 46 ausgebildet ist. Im weiteren Verlauf des hohlzylindrischen Vorsprungs 44 weist dieser an seiner Innenseite einen dritten Absatz 48 auf, von dem aus sich der Vorsprung 44 mit erneut verkleinertem Durchmesser weiter in Richtung des Deckels 22 erstreckt, wobei die Drehachse der Wellen 16, 28 gleichzeitig die Mittelachse 50 der Vorsprünge 30, 44 und des Aufnahmeelementes 34 ist.
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Die Klappenwelle 16 wird über ein erstes Lager 52 gelagert, welches in einer ersten Lageraufnahme 54 angeordnet ist, die im hohlzylindrischen Vorsprung 30 axial zwischen einer den Strömungskanal 12 begrenzenden Gehäusewand 56 des Strömungsgehäuses 10 und einem an der Innenwand des Vorsprungs 30 ausgebildeten Absatz 58 ausgebildet ist. An der Klappenwelle 16 ist eine Anlaufscheibe 60 befestigt, die gegen das Lager 52, welches vorzugsweise als Kohle-Graphit-Gleitlager ausgebildet ist, anliegt. An der Klappenwelle 16 ist ein Wellenabsatz 62 ausgebildet, von dem aus sich die Klappenwelle 16 mit verringertem Durchmesser in Richtung der Aktorausgangswelle 28 erstreckt und gegen den eine Druckfeder 64 anliegt, wodurch die Klappenwelle 16 in Richtung des Strömungsgehäuses 10 belastet wird und somit die Anlaufscheibe 60 gegen das Lager 52 gedrückt wird. Hierdurch wird einerseits das Lager 52 axial positioniert und andererseits die Klappe 14 im Strömungskanal 12 axial positioniert.
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Erfindungsgemäß weist die Klappenwelle 16 in ihrem weiteren Verlauf eine Profilierung in Form einer axial verlaufenden Schnittkante 66, die sich vom Ende der Klappenwelle 16 aus in Richtung des Strömungskanals 12 erstreckt, so dass die Klappenwelle 16 in diesem Abschnitt 68 zylindersegmentförmig ausgebildet ist. Der zylindersegmentförmige Abschnitt 68 ragt in eine Axialbohrung 70 der Aktorausgangswelle 28. Diese weist an ihrem zum Strömungskanal 12 weisenden Ende ebenfalls eine Profilierung in Form einer axial verlaufenden Schnittkante 72 auf, so dass dieser Abschnitt 74 der Aktorausgangswelle 28 hohlzylindersegmentförmig ausgebildet ist. Beide Schnittkanten 66, 72 weisen einen gleichen Abstand zur gemeinsamen Dreh- beziehungsweise Mittelachse 50 auf und sind derart zueinander ausgerichtet, dass die beiden Schnittkanten 66, 72 über einen gemeinsamen axialen Abschnitt 75 eine gemeinsame gerade profilierte Wellenabschnittsfläche 77 bilden. Innerhalb dieses axialen Abschnitts 75 sind die beiden Wellen 16, 28 von einem Mitnehmer 76 radial umgeben, an dessen Innenumfang eine profilierte korrespondierende Mitnehmerfläche 78 in Form einer zylindersegmentförmigen Ausnehmung 79 ausgebildet ist, so dass eine gerade Fläche 81 am Innenumfang ausgebildet ist, die ebenfalls den gleichen Abstand zur Drehachse 50 aufweist, so dass eine relative Drehung der beiden Wellen 16, 28 zueinander verhindert wird.
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Der Mitnehmer 76 dient gleichzeitig als Anlaufscheibe für ein zweites Lager 80, in dem die Aktorausgangswelle 28 gelagert ist und welches im hohlzylindrischen Vorsprung 44 angeordnet ist. Die Druckfeder 64 liegt mit ihrem zum Wellenabsatz 62 entgegengesetzten Ende gegen den Mitnehmer 76 axial an, so dass der als Anlaufscheibe dienende Mitnehmer 76 gegen das als Anschlag dienende zweite Lager 80 gedrückt wird, welches wiederum gegen den Absatz 48 des Vorsprungs 44 belastet wird.
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Wird nun der Aktor 18 betätigt und somit die Aktorausgangswelle 28 im Lager 80 gedreht, wird deren Drehung auf den Mitnehmer 76 über die Anlagefläche der Schnittkanten 72, 78 übertragen. Der Mitnehmer 76 überträgt diese Drehbewegung wiederum durch Formschluss über seine Mitnehmerfläche 78 und die Schnittkante 66 auf die Klappenwelle 16, so dass die Klappe 14 im Strömungskanal 12 gedreht wird.
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Die axiale Position der beiden Wellen 18, 26 wird durch eine kombinierte Dreh- und Druckfeder 82 festgelegt, welche den Vorsprung 44 umgibt und einerseits gegen das Abtriebszahnrad 26 und andererseits gegen einen Boden des Aktorgehäuses 20 anliegt. Hierdurch wird der Mitnehmer 76, der beispielsweise über eine Pressverbindung mit der Aktorausgangswelle 28 verbunden ist, gegen das zweite Lager 80 gedrückt. Des Weiteren greifen zwei Endschenkel der Feder 82 in bekannter Weise derart hinter in den Figuren nicht erkennbare Vorsprünge am Aktorgehäuse 20 und am Abtriebszahnrad 26, dass die Aktorausgangswelle 28 in eine Richtung zumindest bei Drehung aus der Ruhestellung vorgespannt ist. Entsprechend werden die formschlüssig über den Mitnehmer 76 gekoppelten Wellen 16, 28 und damit die Klappe 14 aufgrund der Federkraft bei Ausfall des Aktors 18 in eine Notlaufposition gedreht.
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Am Ende des Vorsprungs 44 ist die Aktorausgangswelle 28 umgebend ein Dichtring 84 angeordnet, der axial von der zum zweiten Lager 80 gegenüberliegenden Seite gegen den dritten Absatz 48 anliegt und die Wellendurchführung zusätzlich in Richtung eines Aktorinnenraums abdichtet.
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Bei der Montage kann zunächst der Aktor 18 mit der Aktorausgangswelle 28 sowie das Strömungsgehäuse 10 mit der Klappe 14 und der Klappenwelle 16 vormontiert werden. Zusätzlich wird der Mitnehmer 76 über eine leichte Presspassung oder durch Schweißen am Ende der Aktorausgangswelle 28 befestigt und die Feder 64 auf das Ende der Klappenwelle 16 aufgesteckt. Wird nun das Aktorgehäuse 20 auf das Strömungsgehäuse 10 aufgeschoben, indem das Aufnahmeelement 34 auf den Vorsprung 30 des Strömungsgehäuses 10 und gegen den Anschlag am Absatz 42 geschoben wird, dringt gleichzeitig die Klappenwelle 16 mit ihrem profilierten Ende in die Bohrung 70 der Aktorausgangswelle 28 und es wird ein Formschluss zum Mitnehmer 76 hergestellt.
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Die endgültige Befestigung des Aktorgehäuses 20 am Strömungsgehäuse 10 erfolgt anschließend über zwei senkrecht zueinander ausgerichtete nicht sichtbare Schrauben, die durch Aufnahmelöcher an Verbindungsplatten 84, die am Strömungsgehäuse 10 beispielsweise durch Schweißen befestigt sind, in entsprechende Gewindebohrungen im Aktorgehäuse 20 geschraubt werden.
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Es wird somit eine Klappenvorrichtung geschaffen, die einfach zu montieren ist, insbesondere da eine vollständige Vormontage des Strömungsgehäuses mit dem Klappenkörper und eine vollständige Vormontage des Aktors möglich ist. Durch einfaches Einstecken wird anschließend nicht nur eine Verbindung der Gehäuse aneinander sondern auch der Wellen zur Drehmomentübertragung hergestellt. Durch die besondere Form dieser formschlüssigen Verbindung mit deutlich reduzierten Auflageflächen der beiden Wellen wird zusätzlich der Wärmeeintrag von der Klappenwelle in den Aktor deutlich reduziert. Dennoch sind die Einzelteile einfach herstellbar, so dass Kosten reduziert werden.
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Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich des vorliegenden Hauptanspruchs nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel begrenzt ist. Insbesondere kann die Verbindung zwischen den Wellen durch eine andere Form der Profilierung der Wellen und des Mitnehmers erreicht werden oder die Aktorausgangswelle in eine Bohrung der Klappenwelle eintauchen. Die konstruktive Ausgestaltung der Gehäuse, die verwendeten Antriebe oder Getriebe sowie die Kanal- und Klappenformen können ebenfalls abgeändert werden.
