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Die
Erfindung betrifft eine Klappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine
mit zumindest zwei Klappenkörpern,
die durch eine Welle, die als Drehachse der Klappenvorrichtung dient,
miteinander verbunden sind und mit Klappenfenstern, in denen die
Klappenkörper
im eingebauten Zustand angeordnet sind, wobei die Klappenvorrichtung
in einem Gehäuse
angeordnet und drehbar gelagert ist, so daß eine fluidische Verbindung
zwischen einem Kanal an einer ersten Seite des Klappenfensters und einem
zweiten Kanal an einer zweiten Seite des Klappenfensters durch Drehung
der Welle mit den Klappenkörpern
wahlweise verschließbar
oder herstellbar ist, wobei die Welle zwischen je zwei Klappenkörpern ein
in axialer Richtung wirkendes Ausgleichselement aufweist, welches
einstückig
mit der Welle hergestellt ist.
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Klappenvorrichtungen
für Verbrennungskraftmaschinen
sind allgemein bekannt und werden in einer Vielzahl von Anmeldungen
beschrieben. Sie dienen insbesondere im Bereich von Luftansaugsystemen
als Drall- beziehungsweise Tumbleklappen zur Änderung des Dralls insbesondere
bei direkteinspritzenden Verbrennungsmotoren als Drosselklappen
zur Einstellung des angesaugten Luftvolumenstroms oder als Schaltklappen
in Verbrennungskraftmaschinen mit veränderlicher Saugrohrlänge.
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Da
die Anforderungen an den Zylinderfüllungsgrad zur Verbesserung
der Motorleistung ständig
steigen ist es notwendig geworden, diese Klappenvorrichtungen bei
einem Einsatz als Schaltklappe möglichst
dicht auszuführen.
Dazu muß der
Spalt zwischen dem Klappenfenster und dem Klappenkörper mit
einem möglichst
geringen Spiel ausgeführt werden.
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Probleme
ergeben sich hierbei insbesondere durch Fertigungsungenauigkeiten
aber auch durch unterschiedliche Wärmeausdehnungen aufgrund unterschiedlicher
ver wendeter Materialien oder auch unterschiedlicher auftretender
Temperaturen an der Welle beziehungsweise am Klappenkörper sowie
im Bereich der Klappenfenster beziehungsweise am Gehäuse. Zusätzlich können auch
unterschiedliche Ausdehnungen durch Feuchtigkeitseinfluß auftreten.
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Aus
diesem Grund wurde in der
DE
101 26 063 A1 eine Klappenvorrichtung vorgeschlagen, bei der
die Klappenkörper
zweiteilig ausgeführt
sind, so daß jeweils
ein erstes Teilelement und ein zweites Teilelement des Klappenkörpers mit
Spiel in axialer Richtung ineinander greifen. Dies wird durch ein
zueinander versetztes Zahnprofil im Bereich des Eingriffs zwischen
den beiden Teilelementen verwirklicht.
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Allerdings
besteht der Nachteil, daß die
Klappe an der Stelle des ineinandergreifenden Zahnprofils im zusammengebauten
Zustand relativ breit ausgeführt
werden muß,
so daß im
geöffneten
Zustand ein hoher Strömungswiderstand
entsteht. Zusätzlich ist
auch hier eine genaue Klappeneinstellung schwierig oder der Herstellungsaufwand
der Klappen zur Verringerung des vorhandenen Spiels in tangentialer Richtung
zur Drehachse wird sehr hoch.
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Eine
weitere Möglichkeit
zum Ausgleich von Temperatureinflüssen ist aus der
DE 198 48 440 A1 für montagegespritzte
Schaltklappen bekannt. Hier wird ein einzelner Klappenmechanismus
derart ausgeführt,
daß die
Lagerstelle der Klappe einen konischen Bereich aufweist, der mit
einem entsprechenden konischen Bereich der Welle der Schaltklappe korrespondiert.
Der Öffnungswinkel
des Konus der Welle wird dabei so gewählt, daß sich die axiale und radiale
Schrumpfungskomponente der Klappenwelle ausgleichen. Wahlweise kann
bei einer solchen Anordnung eine axiale Verspannung der Klappenwelle oder
aber eine spielfreie Lagerung unter allen Betriebsbedingungen erreicht
werden.
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Eine
solche Ausführung
ist jedoch ohne einen zusätzlichen
Ausgleich des Axialspiels bei einem aus mehreren Schaltklappen bestehenden
Schaltklappenverband nicht einsetzbar, da es zu einem Verklemmen
im Bereich des Konus bei nicht vorhersehbaren Betriebszuständen also
Temperaturen beziehungsweise Feuchtigkeiten kommen würde.
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Eine
entsprechende Lösung
hierzu bietet sicherlich die
DE 199 18 777 A1 , in der ein Schaltklappenverband
aus montagegespritzten Schaltklappen beschrieben wird. Diese wird
aus mehreren Klappenmodulen zusammen gesetzt, wobei jedes Klappenmodul
einen Wellenzapfen und eine Wellenaufnahme aufweist, über die
zwei Module drehfest miteinander verbunden werden. Die Längen des
Wellenzapfens beziehungsweise der Wellenaufnahme werden dabei so
gewählt,
daß im
eingebauten Zustand auftretende Fertigungs- beziehungsweise Montagetoleranzen
in axialer Richtung dadurch kompensiert werden können, daß der Wellenzapfen zum Spielausgleich
axial beweglich in der Wellenaufnahme angeordnet ist.
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Nachteilig
an einer derartigen Klappenvorrichtung ist der komplizierte Einbau
aufgrund ihrer Mehrteiligkeit. Zusätzlich kann die Funktion des Spielausgleichs
durch auftretende Verunreinigungen beeinträchtigt werden. Des weiteren
besteht der vorgesehenen drehfesten Verbindung das Problem einer
exakten Klappenverstellung, da beispielsweise bei einer Feder-Nutverbindung
zwischen Wellenzapfen und Wellenaufnahme ein gewisses Spiel vorgesehen
werden muß,
welches sich insbesondere bei Schaltklappenverbänden mit mehreren Klappen aufaddiert,
so daß eine
genaue Einstellung des Winkels insbesondere bei geschlossener Klappe
für alle
Kanäle
nicht mehr möglich
ist.
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Sowohl
die
EP 1 296 051 A1 als
auch die nachveröffentlichte
DE 102 02 760 A1 offenbaren Klappenvorrichtungen,
bei denen zwischen je zwei Klappenkörpern ein Ausgleichselement
angeordnet ist, welches einstückig
mit der Welle hergestellt ist. Hierdurch ist es möglich, die
Klappen mit einem geringeren Spiel zu fertigen und einen axialen
Spielausgleich in den Klappenfenstern bei Wärmedehnungen zu gewährleisten.
Nachteilhaft an den bekannten Ausführungen ist es jedoch, dass
keine mechanische Endlagenfixierung vorhanden ist und somit bei
auftretenden inneren Kräften
eine unterschiedliche Torsion insbesondere an den Ausgleichselementen
erfolgen kann, so dass die Klappen eine unterschiedliche Winkellage
im Fenster aufweisen.
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Daher
ist es Aufgabe der Erfindung, eine Klappenvorrichtung zu schaffen,
die preisgünstig
herzustellen ist, montagetechnisch einfach aufgebaut ist, im geschlossenen
Zustand eine zuverlässige
Abdichtung verwirklicht und im geöffneten Zustand einen möglichst
geringen Strömungswiderstand
gibt. Zusätzlich
soll eine exakte Einstellung des Verstellwinkels für alle Klappen
erreicht werden, als auch ein Ausgleich im Axialspiel bei Temperatur-
beziehungsweise Feuchtigkeitsschwankungen sowie eine gewisse Biegeweichheit
zur Verhinderung von Spannungen beim Zusammenbau verwirklicht werden.
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Diese
Aufgaben werden dadurch gelöst, dass
das zumindest eine Ausgleichselement jeweils bei maximalem Verdrehwinkel
in den Endpositionen der Klappenvorrichtung gegen einen Anschlag
am Gehäuse
anliegt. Hierdurch werden die Endlagen der Klappen mechanisch definiert,
ohne zusätzliche
Bauteile oder Einbauten im Klappenfenster benutzen zu müssen. Bei
einer entsprechenden Ausrichtung ergibt sich somit ein exakter Verschluss
aller Klappen in den Kanälen
auch bei Klappenvorrichtungen mit mehreren hintereinander liegenden
Klappenkörpern. Durch
die weiterhin verwendete Ausführung
mit Ausgleichselement können
Fertigungsungenauigkeiten sowie unterschiedliche Wärmeausdehnungen
zwischen dem Gehäuse
und der Welle in axialer Richtung ausgeglichen werden, wobei gleichzeitig
durch die Einstückigkeit
der Welle mit den Klappenkörpern der
Montageaufwand minimiert wird. Hierdurch wird die Dichtigkeit zwischen
den beiden Kanälen
im geschlossenen Zustand der Klappenvorrichtung erhöht und insbesondere
bei einem Einsatz als Schaltklappenvorrichtung der Füllungsgrad
der Zylinder verbessert.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Ausgleichselement im wesentlichen durch zwei parallel zueinander
und senkrecht zur Drehachse angeordnete Dreieckskörper gebildet,
die voneinander beabstandet sind und lediglich im Bereich zweier Ecken
der Dreieckskörper
jeweils eine Verbindung aufweisen. Eine solche Ausführung gewährleistet, daß die Klappenvorrichtung
torsionssteif und gleichzeitig biege- und längenweich ist.
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Eine
weitere Verbesserung dieser Eigenschaften ergibt sich dadurch, daß die Verbindungen der
Dreieckskörper
an den eine längste
Dreiecksseite begrenzenden Ecken angeordnet sind.
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Ein
vorteilhafter Einbau und eine günstige Möglichkeit
zur Gestaltung des Gehäuses
ergibt sich dadurch, daß die
Welle jeweils im Bereich einer dritten Ecke der Dreieckskörper angeordnet
ist.
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Zur
Begrenzung des axialen Ausgleichsspiels in der Welle und somit zur
Vorgabe eines maximal auszugleichenden Weges weisen die zueinander
weisenden Seitenflächen
der Dreiecke Nocken auf, die einander gegenüberliegend auf der Drehachse
angeordnet sind.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind die Seiten der Dreieckskörper,
deren Ecken die Verbindungen zwischen den Dreieckskörpern aufweisen im
wesentlichen parallel zu einer Sekante an die Klappenkörperoberflächen angeordnet.
Durch eine solche Anordnung ist die Stellung der Klappenvorrichtung
mit ihren je nach Richtung unterschiedlichen Biegesteifigkeiten
in den auftretenden Betriebszuständen
und bei der Montage optimal zur Richtung der Belastung angeordnet.
Gleichzeitig ist aufgrund dieser Lage der Bauraumbedarf innerhalb
des Gehäuses
zu verringern.
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Vorteilhafterweise
erfolgt der Anschlag am Gehäuse über jeweils
zumindest eine der Verbindungen der Ecken der Dreieckskörper des
Ausgleichselementes, da hier die Stabilität des Elementes am Besten gewährleistet
ist.
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In
einer weiterführenden
Ausführungsform weist
eines der Ausgleichselemente der Klappenvorrichtung ein Ansatzstück auf,
an dem eine Koppelstange vorzugsweise mittels einer Bajonett- oder
einer Kugel-Pfanneverbindung drehbar befestigt ist. Dies dient zur Übertragung
des Drehwinkels auf eine zweite baugleiche Klappenvorrichtung. Eine
solche Verbindung ist insbesondere für zwei Zylinderbänke eines
V-Motors zur synchronen
Klappenverstellung verwendbar. Zusätzlich werden drei Funktionen
in einem Bauteil vereinigt. Die Bajonett- oder Kugel-Pfanneverbindung
bietet eine einfache und preisgünstige Möglichkeit
der Kopplung.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind auf der Welle Lagersegmente angeordnet, die formschlüssig in
das Gehäuse
einsteckbar sind, so daß die
Welle über
die Lagersegmente drehbar im Gehäuse
gelagert ist. Dies reduziert den Montageaufwand erheblich.
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Zur
weiteren Erhöhung
der Stabilität
und Dichtigkeit der Klappenvorrichtung können die Klappenkörper im
Bereich eines Wellenansatzes Anlaufflächen zum Lagersegment aufweisen.
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In
einer weiterführenden
Ausführungsform weisen
die Klappenkörper
im äußeren Randbereich einen
Ansatz auf, der in der die fluidische Verbindung zwischen den beiden
Kanälen
unterbrechenden Stellung der Klappenkörper im wesentlichen parallel
zu einer Gehäuseinnenwand
der Klappenfenster verläuft.
Dadurch wird der Dichtspalt zwischen Gehäuseinnenwand und Klappenkörper verlängert und
somit der Strömungswiderstand
und mit diesem die Dichtwirkung deutlich erhöht.
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Es
wird somit eine Klappenvorrichtung geschaffen, die vom fertigungstechnischen
und montagetechnischen Aufwand sehr einfach und preisgünstig herzustellen
ist, dazu die Dichtigkeit im geschlossenen Zustand der Klappenkörper weiter
verbessert und gleichzeitig ein eventuell vorhandenes Spiel in axialer
Richtung beispielsweise aufgrund von Wärmeausdehnungen ausgleicht.
Eine solche erfindungsgemäße Klappenvorrichtung
weist des weiteren eine sehr hohe Stabilität auf und verfügt somit über eine
lange Lebensdauer, was nicht zuletzt durch die hohe Torsionssteifigkeit
bei gleichzeitiger Biege- und Längenweicheit
erreicht wird.
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Ein
erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
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1 zeigt
in dreidimensionaler Darstellung die Seitenansicht einer erfindungsgemäße Klappenvorrichtung
in einem Gehäuse.
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2 zeigt
in perspektivischer dreidimensionaler Darstellung einen Ausschnitt
der Klappenvorrichtung mit einem erfindungsgemäßen Ausgleichselement mit einem
Ansatz für
eine Koppelstange.
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Die
in 1 dargestellte Klappenvorrichtung 1 besteht
aus drei Klappenkörpern 2 wobei
jeweils benachbarte Klappenkörper 2 durch
eine Welle 3, die als Drehachse dient, miteinander verbunden
sind. Die Klappenvorrichtung 1 ist dabei über die
Welle 3 in einem Gehäuse 4 gelagert,
welches hier als Klappenrahmen ausgeführt ist. Jeweils etwa in der
Mitte zwischen zwei Klappenkörpern 2 weist
die Welle 3 ein Ausgleichselement 5 auf, welches
in der hier dargestellten geschlossenen Stellung gegen einen Anschlag 6 des
Gehäuses 4 anschlägt. An einem
ersten Ende der Welle 3 ist außerhalb des Gehäuses ein Stellelement 7 angeordnet, über welches
die Klappenvorrichtung 1 in Drehung versetzt werden kann. Dazu
wird das Stellelement 7 über eine geeignete Kupplung
mit einer nicht dargestellten Stellvorrichtung verbunden. Wird nun
die Welle 3 mit den Klappenkörpern 2 um die Drehachse
gedreht, wird eine fluidische Verbindung durch im Gehäuse 4 angeordnete
Klappenfenster 8 zwischen einem in dieser Ansicht vor dem
Klappenfenster 8 und einem hinter dem Klappenfenster 8 gelegen
nicht dargestellten Kanal frei gegeben.
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Die
Ausführung
der Ausgleichselemente 5 ist in 2 zu erkennen.
Das Ausgleichselement 5 besteht im wesentlichen aus zwei
Dreieckskörpern 9, welche
an den jeweiligen Ecken der längsten
Seite 10 der Dreieckskörper 9 Verbindungen 11 aufweisen. Bei
einem Verdrehen der Welle 3 liegt das Ausgleichselement 5 mit
diesen Verbindungen 11 gegen den Anschlag 6 des
Gehäuses 4 an.
Im Bereich der dritten Ecke des Dreieckskörpers 9 befindet sich
die Drehachse und somit die Ansatzpunkte der Welle 3 am
Ausgleichselement 5. Die längste Seite 10 des Ausgleichselementes
ist im wesentlichen parallel zu einer Sekante an die Klappenkörperoberfläche angeordnet.
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Wiederum
aus 1 ist ersichtlich, daß die beiden Dreieckskörper 9 zueinander
gerichtete Nocken 12 aufweisen, die im wesentlichen auf
der Drehachse angeordnet sind und das Ausgleichsspiel in axialer
Richtung beschränken.
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Aus 2 wird
des weiteren ersichtlich, daß eines
der Ausgleichselemente 5 ein Ansatzstück 13 aufweist, an
dem eine Koppelstange 14 drehbar über eine Bajonettverbindung 15 befestigt
ist. Diese Koppelstange 14 wiederum ist an ihrem anderen
nicht dargestellten Ende mit einer baugleichen Klappenvorrichtung
verbunden, so daß bei
einer Ausführung eines
Motors in V-Bauform die Drehung der Welle 3 auf ei ne gegenüberliegende
zweite Klappenvorrichtung, die zur zweiten Zylinderbank gehört, übertragen
werden kann, wodurch eine zeitgleiche Verstellung der Klappenkörper 2 erfolgt.
Die Lagerung der Klappenvorrichtung 1 erfolgt über Lagersegmente 16,
welche im hier vorliegenden Ausführungsbeispiel drehbar
um die Welle 3 möglichst
nah an den Klappenkörpern 2 angeordnet
sind. Eine solche Ausführung
ist beispielsweise durch ein Herstellen der Klappenvorrichtung 1 durch
Montagespritzen zu erreichen. Die gesamte Klappenvorrichtung 1 mit
den Lagersegmenten 16 kann nun bei der Montage in das Gehäuse 4 eingeschoben
werden, so daß eine
formschlüssige
Verbindung zwischen den Lagersegmenten 16 sowie entsprechenden
Ausnehmungen am Gehäuse 4 geschaffen
wird. Zur besseren Abdichtung und Formstabilität weisen die Klappenkörper 2 im
Bereich des Übergangs
zur Welle 3 Anlaufflächen 17 zum
Lagersegment 16 auf. Die Klappenkörper 2 sind so ausgeführt, daß sie einen
Ansatz 18 in ihrem äußeren Randbereich
umlaufend aufweisen, dessen zu einer korrespondierenden Gehäuseinnenwand 19 weisende
Fläche
im eingebauten Zustand im wesentlichen parallel zu der Gehäuseinnenwand 19 angeordnet
ist, so daß die
Länge des
im geschlossenen Zustandes zu durchströmenden Spaltes vergrößert wird,
wodurch die Dichtigkeit der Klappen erhöht wird.
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Eine
solche Ausführung
ist sehr leicht montierbar und weist eine hohe Stabilität auf. Zusätzlich wird
die Dichtigkeit zwischen Klappenkörper und Klappenfenster deutlich
erhöht,
da auch Temperaturschwankungen beziehungsweise unterschiedliche Wärmeausdehnungen
von Bauteilen durch das Ausgleichselement ausgeglichen werden können, so
daß eine
exakte Lage des Klappenkörpers
im Gehäuse sicher
gestellt wird. Aufgrund der optimierten Form und Anordnung des Ausgleichselementes
wird eine längen-
und biegeweiche Klappenvorrichtung geschaffen, die gleichzeitig
eine hohe Torsionssteifigkeit aufweist, worin nicht zuletzt die
große
Stabilität dieser
Ausführung
begründet
liegt.
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Es
sollte deutlich sein, daß verschiedene Änderungen
der beschriebenen Ausführungsformen möglich sind,
wie beispielsweise der direkte Einbau der Klappenvorrichtung in
ein Saugrohrgehäuse
oder eine Herstellung der Klappenvorrichtung nicht durch Montagespritzen,
sondern durch andere Herstellungsverfahren. In diesem Zusammenhang
können beispielsweise
auch auf eine Welle geschraubte Klappen verwendet werden, ohne den
Schutzumfang der Ansprüche
zu verlassen. Des weiteren sollte deutlich sein, daß die Form
und Länge
der Klappenvorrichtung variabel ist, so daß sie für verschiedene Motorenbauformen
einsetzbar ist. Je nach Einsatzgebiet und Motorbauform kann auch
die Form der einzelnen Klappenkörper
von der hier dargestellten konkaven Form abweichen. Ebenso kann
je nach Einbau eine modifizierte Form des Ausgleichselementes verwendet
werden, wobei Längen-
und Biegeweichheit sowie Torsionsteifigkeit erhalten bleiben müssen.