DE10004795C1 - Motorisch betätigbare Klappe, insbesondere zur Beeinflussung des Querschnittes eines Fluid-Kanals - Google Patents

Abstract

Eine einfach montierbare, motorisch verstellbare Drosselklappe für Fluidkanäle, insbesondere in Kfz-Klimaanlagen, ergibt sich bei in die Klappen-Stellwelle integriertem Getriebemotor ohne unvertretbare Schwächung des verbleibenden lichten Kanalquerschnittes, wenn ein mit einem hochtourigen kleinen Stellmotor bestücktes und in dessen axialer Verlängerung mit einem sehr stark untersetzenden Wellgetriebe ausgestattetes Einbau-Gehäuse durch eine Seitenwand des Kanals radial hindurchgreifend koaxial in eine topfförmige Aufweitung eines Endes der Stellwelle eingesetzt wird, an deren Innenmantelfläche das Abtriebsrad des Wellgetriebes ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Klappe gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine derartige Klappe findet je nach ihren Abmessungen insbesondere in Zu- und Abluft­ kanälen etwa zur Frischluftdrosselung bei der Klimatisierung stationärer oder mobiler Räume Anwendung, aber auch allgemein zur Durchflußbeeinflussung beim Strö­ mungstransport fließfähiger Güter. Dafür ist die Klappe im Innenquerschnitt des Kanales um eine Schwenkachse gelagert und in unterschiedliche Winkelstellungen bezüglich der Strömungsrichtung anstellbar. Parallel zur Strömungsrichtung orientiert ist die Drosselwir­ kung minimal, nur durch die Einbauabmessungen der Klappe gegeben. Quer zur Strö­ mungsrichtung orientiert verbleibt dagegen der geringste freie Restquerschnitt. Gewöhn­ lich weist die Geometrie der Klappe genau die Querschnittsform des Kanales und je nach dem Strömungsmedium erforderlichenfalls Dichtlippen längs ihres Umfangs auf, so daß bei quer zur Längserstreckung des Kanales ausgerichteter Klappe dessen ganzer Innen­ querschnitt hermetisch abgesperrt ist.

Der Klappenantrieb erfolgt üblicherweise über einen elektrischen Stellmotor, in explosi­ onsgefährdeter Umgebung aber auch durch einen hydraulischen oder pneumatischen Fluidmotor. Dafür ragt eine mit der Klappe drehstarr verbundene, in einander quer zur Längserstreckung gegenüberliegenden Seitenwänden des Kanales gelagerte Stellwelle aus einer der Seitenwände zum Stellmotor für die Klappenbewegung nach außerhalb des Ka­ nales hinaus. Denn für die Klappenverstellung und dann für das Halten der Klappe in ihrer Sollwinkelstellung unter der Last des im Kanal anströmenden Mediums müssen erhebliche Drehmomente aufgebracht werden; während ein Einbau eines entsprechend stark dimen­ sionierten Stellmotors ins Innere des Kanales dessen nutzbaren Querschnitt untragbar ver­ ringern würde. Andererseits kann der extern angeordnete und dort den Außenquerschnitt des Kanales deutlich überragende Klappenantrieb störend für die Betriebsumgebung sein, insbesondere bei eng dimensionierten Anlagen. Zum insbesondere nachträglichen Einbau einer solchen Drosselklappe an einer betriebstechnisch vorgegeben Stelle eines komplexen Rohrleitungssystemes wie in den Motorraum eines Kraftfahrzeuges zur Regulierung der Klimatisierung der Fahrgastzelle steht dann oft der Raum für den außerhalb des Kanales gelegenen Klappenantrieb nicht ohne weiteres zur Verfügung. Das kann dann bedingen, daß ein aufwendiges aber anderweitig funktional störendes Hebelgetriebe den Abstand vom Motor zur Klappenlagerung überbrücken muß.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine motorisch betriebene Klappe gat­ tungsgemäßer Art insbesondere für Fluidleitungssysteme, wie sie in Kfz-Klimaanlagen anzutreffen sind, dahingehend auszubilden, daß sie samt ihrem Antrieb problemlos auch nachträglich einsetzbar ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die gattungsgemäße Klappe auch gemäß dem Hauptanspruch ausgelegt ist. Danach wird ein sehr stark untersetzender Getriebemotor ins Innere einer Hohlwelle der Klappe eingesetzt. Die starke getriebliche Untersetzung ermöglicht die Verwendung eines sehr hochtourigen und deshalb kleinbauenden Motors, wie er etwa als Kleinspannungs-Gleichstromstellmotor als sehr preisgünstiges Massenprodukt verfügbar ist. Das Getriebe kann trotz der außerordent­ lich hohen Untersetzung extrem kleinbauend ausgelegt werden, wenn es als ein sogenann­ tes Wellgetriebe konzipiert wird, wie es funktional etwa in dem Beitrag "Genial einfach" von H. Hirn in ANTRIEBSTECHNIK 11/1996 Seiten 48-51 beschrieben ist, auf den hier zur Ergänzung vorliegender Erfindungsoffenbarung voll-inhaltlich Bezug genommen wird. Vorzugsweise wird der handelsübliche Kleinstmotor axial in ein dünnwandig topfförmiges Einbaugehäuse eingesenkt, das seinerseits gegenüberliegend von der Klappen-Hohlwelle übergriffen wird. Das in axialer Verlängerung des Motors in der Hohlwelle angeordnete koaxiale Getriebe nutzt einen axial über den Boden des Einbaugehäuses hinausragenden Wandungsteil als Stützrad und einen dazu axial benachbarten Teil der Hohlwelle selbst als Abtriebsrad für das Stößelrad des Wellgetriebes und ist dadurch besonders kompakt aufge­ baut.

Der Durchmesser einer solchen kleinbauenden Motor-Getriebe-Kombination beträgt höch­ stens ein Drittel des Durchmessers üblicherweise in der Kfz-Klimatisierung anzutreffender Lüftungskanäle, und die axiale Länge der Motor-Getriebe-Kombination liegt in der Grö­ ßenordnung von typisch dem halben Kanaldurchmesser, so daß die beim Einbau des Stel­ lantriebs ins Innere selbst eines Kanales vergleichsweise kleinen Durchmessers auftretende Querschnittsverringerung vertretbar wird. Je dünner der abzusperrende Kanal ist, desto weiter greift der Getriebemotor standardisierter Baulänge radial in den Kanal hinein; bei sehr kleinem Kanal ist der Getriebemotor dann in einer durchgehenden Hohlwelle als der Klappen-Stellwelle angeordnet, ohne daß die Querschnittsverringerung untragbar würde - bei größeren Kanälen wie von gängigen 120 × 120 mm Innenabmessungen fällt die dann nur über einen entsprechend kurzen Teil ihrer Achslänge tulpenförmig aufgeweitete Klappen- Welle ohnehin nicht mehr ins Gewicht.

Der Motor kann als Stabanker-Gleichstrommotor ausgelegt sein, aber auch als Schrittmo­ tor. Das kleinvolumige Einbaugehäuse mit seinen integrierten Funktionen als Lagerzapfen für das topfförmig aufgeweitete Ende der Stellwelle, als Gehäuse mit gerätefestem Stützrad für das Well-Getriebe und eventuell auch noch als Substrat für elektrische Leiter wie Po­ tentiometer-Schleifbahnen und deren Anschlußleiterbahnen ist vorteilhaft ein Kunst­ stoff-Spritzgußteil, etwa aus einem Duroplast gefertigt.

Eine einfach montierbare motorisch verstellbare Drosselklappe für Fluidkanäle, wie sie insbesondere in der Kraftfahrzeugklimatisierung anzutreffen sind, ergibt sich so bei erfin­ dungsgemäß in die Klappen-Stellwelle integriertem Getriebemotor ohne unvertretbare Schwächung des verbleibenden lichten Kanalquerschnittes, wenn ein mit einem hochtouri­ gen kleinen Stellmotor bestücktes Einbau-Gehäuse in axialer Verlängerung des Motorrau­ mes mit einem sehr stark untersetzenden Wellgetriebe ausgestattet und in eine hohle Klap­ pen-Stellwelle eingesetzt ist, an deren Innenmantelfläche das Abtriebsrad des Wellgetrie­ bes ausgebildet ist.

Hinsichtlich weiterer Eigenschaften und Vorteile sowie Merkmale und Weiterbildungen der Erfindung wird außer auf die weiteren Ansprüche auch auf nachstehende Beschreibung des in der Zeichnung nicht ganz maßstabsgerecht und unter Beschränkung auf das Funkti­ onswesentliche skizzierten bevorzugten Realisierungsbeispiels zur erfindungsgemäßen Lö­ sung verwiesen. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt im abgebrochenen Längsschnitt durch einen Lüftungskanal rechteckigen Innenquerschnittes den Einbau des Stellmotors in die teilweise hohle Welle der gerade in Durchgangsstellung orientierten Drosselklappe.

In einen Fluid-Kanal 11 von hier rechteckigem Querschnitt ist eine Drossel-Klappe 12 ein­ gebaut, deren Umriß die gleiche Geometrie wie der Kanalquerschnitt aufweist und deshalb den Kanal-Durchfluß sperrt, wenn sie quer zur Zeichenebene orientiert ist. In der gezeich­ neten Stellung parallel zur Längsachse des Kanales 11 dagegen ist dessen Querschnitt nur noch durch die vergleichsweise sehr geringen Einbauabmessungen der Klappe 12 samt ihres in deren Hohl-Welle 13 integrierten Stell-Motors 14 mit Untersetzungs-Getriebe 15 reduziert.

Im dargestellten bevorzugten Beispielsfall weist die Klappe 12 beiderseits ihrer Welle 13 je einen Flügel in einer gemeinsamen Ebene auf. Beide Flügel der Klappe 12 sind mit ihrer gemeinsamen Welle 13 einstückig ausgebildet, vorzugsweise einteilig im Kunst­ stoff-Spritzguß erstellt. In dem Maße, in dem die axiale Länge des Getriebemotors 14-15 kleiner als der Durchmesser des Kanales 11 in Richtung der Klappen-Stellwelle 13 ist, braucht die Welle 13 nicht über ihre gesamte Länge das Volumen einer Hohlwelle einzu­ nehmen. Für den dargestellten Beispielsfall ist die Welle 13 zur Verringerung der Einbau­ abmessungen im Längsschnitt tulpenförmig mit mehr oder weniger langem Stiel in Fort­ setzung ihrer hohlzylindrischen Öffnung ausgestaltet - also nur über einen Teil der Wel­ len-Länge, wie aus der Schnittdarstellung der Zeichnung ersichtlich, zur benachbarten Seitenwand 16 sich topfförmig öffnend hohl und im übrigen kompakt, hier auf den durch die Biegemomenten-Anforderungen bedingten minimalen Querschnitt beschränkt.

Diese abgestufte oder durchlaufend hohle Schwenk-Welle 13 für die Winkelstellung der Klappe 12 im Innern des Kanales 11 ist einerseits mit einem Zapfen 17 in einer Seiten­ wand 18 des Kanales 11 gelagert. Von der gegenüberliegenden Seitenwand 16 her ragt ein langes topfförmiges Einbaugehäuse 22 für den Getriebemotor 14-15 radial ins Innere des Kanales 11 hinein und dient als kanalfester Lagerzapfen für das ihn umgreifende benach­ barte, hier hohlzylindrisch oder topfförmig radial aufgeweitete Ende der Welle 13. Zur Verringerung der Reibung liegt der Wellen-Topf 19 nicht vollflächig sondern nur mit we­ nigstens einer an seiner Innenmantelfläche oder an der Außenmantelfläche des Gehäuses 22 umlaufenden Rippe 20 an der jeweils radial gegenüberliegenden Zylindermantelfläche auf. So ist die Klappe 11 mit ihrer Hohl-Welle 13 auf dem Einbaugehäuse 22 für den Ge­ triebemotor 14-15 um dessen Achse 23 verschwenkbar gelagert. Der Motor 14 selbst ist einfach in das zur benachbarten Seitenwand 16 hin offene Stirnende des Einbaugehäuses 22, kraft oder formschlüssig gegen Verdrehen gesichert, axial eingesetzt. Ein um die Ein­ bau-Öffnung 34 außen radial umlaufender Kragen 24 wird beim Einbau des mit dem Ge­ triebemotor 14-15 bestückten Einbaugehäuses 22 in einer Öffnung 25 in der Ka­ nal-Seitenwand 16 befestigt, durch die hindurch bei der Montage die so mit ihrem Antrieb ausgestattete Klappe 12 in den Kanal 11 radial eingeführt werden kann. Zweckmäßiger­ weise ist der Kragen 24 wie skizziert in radialer Richtung so weit über den Querschnitt des Einbau-Gehäuses 22 hinaus vergrößert, daß er mit der Einbauhalterung des Getriebemotors 14-15 zugleich auch als Deckel dem Verschließen der nicht unbedingt kreisrunden Monta­ ge-Öffnung 25 dient, deren größter Durchmesser etwas größer als die zur Welle 13 radiale Gesamtabmessung der hier einzuführenden Klappe 12 ist.

Vor dem von der Halterungs-Wand 16 für den Getriebemotor 14-15 abgelegenen Stirnende des Einbau-Gehäuses 22 ist zur besonders starken aber kompaktbauenden Untersetzung der Drehbewegung der Motor-Ausgangswelle 27 ein Well-Getriebe 15 ausgebildet. Sein un­ runder (in Axial-Querschnitt bevorzugt elliptischer oder wie hier für die Zeichnung ange­ nommen dreieckförmiger) sogenannter Wellgenerator 26, der mit der Abtriebswelle 27 des Motors 14 in Drehverbindung steht, bewirkt in als solcher bekannter Weise, daß ein Spei­ chen-Stößelrad 28 umlaufend radial verformt wird, so daß nur ein azimutal kurzer Bereich (in der Zeichnung links) dessen verzahnten Außenringes, des sog. Flexbandes 29, sowohl mit der Verzahnung eines gerätefesten Stützrades 30 wie auch mit der Verzahnung eines klappenfesten Abtriebsrades 31 in Eingriff steht. Diese Verzahnungen sind vorzugsweise wie skizziert radial orientiert; grundsätzlich können sie aber auch etwa nach Art von Kron­ rädern axial orientiert sein.

Das Stützrad 30 liegt vorzugsweise wie skizziert in direkter axialer Verlängerung der Hohlzylinderwandung des Motor-Einbaugehäuses 22 an der Innenmantelfläche eines hier koaxial angeformten Getriebegehäuses 32, das Abtriebsrad 31 am dem Boden des Klap­ penwellen-Topfes 19 benachbarten Bereich der Innenmantelfläche der Hohl-Welle 13. Dadurch wälzt das Stößelrad 28 sich mit der Winkelgeschwindigkeit der Motorwelle 27 innerhalb des Stützrades 30 ab, nimmt aber das Abtriebsrad 31 und somit die Klap­ pen-Welle 13 nur mit der sehr stark reduzierten Winkelgeschwindigkeit nach Maßgabe des geringen Unterschiedes der Zähnezahl z. B. zwischen Stützrad 30 und Abtriebsrad 31 mit. So wird eine hochtourige Motordrehung in das hohe Drehmoment einer langsamen Klap­ penverstellung umgesetzt.

Für eine Rückmeldung der aktuellen Winkelstellung der Klappe 12 im Kanal 11 ist zwi­ schen der Außenmantelfläche 21 des Motor-Gehäuses 22 und dem Wellen-Topf 19 nahe dessen stirnseitiger Öffnung in einem radial aufgeweiteten Bereich ein Dreh-Winkelgeber 33 eingebaut. Bei dem kann es sich um ein inkrementales oder kodiertes digitales Zählsy­ stem handeln; oder einfach wie skizziert um ein analoges potentiometrisches System mit wenigstens einer Kontaktbürste auf wenigstens einem umlaufenden Widerstandsbahn. Letztere, einschließlich ihrer Leiterbahn zu extern zugänglichen Anschlußsteckern am Kragen 24 des Einbaugehäuses 22, kann dann (in der Zeichnung nicht ausgeführt) in der Technologie des Molded Interconnected Device (MID) in die Kunststoff-Mantelfläche 21 des Gehäuses 22 oder des auf ihr gelagerten Wellen-Topfes 19 integriert sein, wie als sol­ ches in der DE 198 40 665 A1 näher dargestellt. Zweckmäßiger da z. B. einfacher für einen eventuell einmal erforderlichen Austausch zugänglich ist jedoch eine herkömmliche Lösung mit einer gesondert erstellten und hier montierten Substrat­ platte für die Zählmarkierungen oder für die Widerstandsbahnen. Dieses Substrat kann als radial zur Achse 23 orientierte Ringscheibe oder als konzentrisch zur Achse 23 gebogene Flex-Hülse ausgebildet und stationär auf der Außenmantelfläche 21 des Einbaugehäuses 22 oder umlaufend in der stirnseitigen Aufweitung des Hohlwellentopfes 19 festgelegt sein, mit gegenüberliegend dementsprechend radial oder axial orientiert gehalterten Kontaktbür­ sten.

Für die Montage braucht die Drossel-Klappe 12 mit ihrer integrierten, wenigstens über einen Teil ihrer axialen Länge zum Topf aufgeweiteten Welle 13 nur durch die Öffnung 25 in einer Kanal-Seitenwand 16 hindurch radial in den Kanalquerschnitt eingeführt und mit ihrem Lager-Zapfen 17 in die gegenüberliegende Wand 18 eingesteckt zu werden, worauf­ hin das mit dem Getriebemotor 14-15 vorbestückte Einbaugehäuse 22 als zweiter Lager­ zapfen in den Wellen-Topf 19 axial eingeführt werden kann, womit zugleich die Monta­ ge-Öffnung 25 vom Gehäuse-Kragen 24 des Motors 14 verschlossen wird. Zweckmäßiger noch werden die Klappe 21 mit ihrer wenigstens teilweise hohlen Welle 13 und der Getrie­ bemotor 14-15 in seinem Einbaugehäuse 22 zu einer einzigen handhabbaren Baugruppe extern vormontiert, wie in der Zeichnung beispielshalber durch den Eingriff der Radialla­ ger-Rippe 20 in eine Einschnappnut an der Außenmantelfläche des Gehäuses 22 veran­ schaulicht, der dann zugleich der axialen Fixierung der Welle 13 in Richtung entgegenge­ setzt zur Lagerung des Zapfens 17 dienen kann.

Die aus dem Lagerschild des Motors 14 vorstehenden Kontaktfahnen 35 für die elektrische Speisung des Motors 14 sind dort für die Anschlußverkabelung in der Gehäu­ se-Einbauöffnung 34 gut zugänglich. Diese kann durch einen bevorzugt einfach kraft­ schlüssig einzusetzenden, stopfenförmigen oder flach-topfförmigen Deckel 36, vorzugs­ weise mit integriertem Steckerkorb ausgerüstet, verschlossen werden. Zum Anpassen an hinsichtlich der Lage der Kontaktfahnen 35 unterschiedliche Motore 14 braucht dann nur der Deckel 36 mit anderem Steckerkorb ausgerüstet zu werden. Der wird zweckmäßiger­ weise zugleich für elektrische Zugänglichkeit zum Dreh-Winkelgeber 33 ausgelegt, so daß für dessen Anschluß an die Steuerungsperipherie keine gesonderten Kontaktmittel ange­ bracht werden müssen.

Claims (10)

1. Motorisch betätigbare Klappe (12), insbesondere zur Beeinflussung des Querschnittes eines Fluid-Kanals (11), dadurch gekennzeichnet, daß die Klappe (12) mit einer über wenigstens einen Teil ihrer axialen Länge hohlen Welle (13) ausgestattet ist, die Teil des Abtriebsrades (31) eines in ihr angeordneten Getriebemotors (14-15) ist.

2. Klappe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einerseits die mit ihr integrale Welle (13) und andererseits ein Einbau-Gehäuse (22) für Motor (14) und Unterset­ zungs-Getriebe (15) im Kunststoff-Spritzguß erstellt sind.

3. Klappe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (13) tulpen­ förmig aus einem massiven Bereich kleinen Durchmessers und axial daran anschlie­ ßend aus einem sacklochartig geöffneten Topf (19) dagegen wesentlich größeren Durchmessers besteht.

4. Klappe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (13) einerseits mit einem Zapfen (17) in einer Seitenwand (18) des Kanales (11) und gegenüberliegend mit zu einem Topf (19) aufgeweiteten Ende auf einem zur Klap­ pen-Welle (13) koaxialen Einbau-Gehäuse (22) für den Getriebemotor (14-15) gelagert ist, das ihrerseits an der gegenüberliegenden Seitenwand (16) des Kanales (11) gehal­ tert ist.

5. Klappe nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (14) in einem Einbau-Gehäuse (22) gehaltert und dieses mittels eines umlaufenden Kragens (24) unter Verschluß einer Montage-Öffnung (25) in der Seitenwand (16) des Kanales (11) gehaltert ist.

6. Klappe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rastverbindung zwischen dem mit dem Getriebemotor (14-15) bestückten Einbauge­ häuse (22) und der mit dem so komplettierten Gehäuse (22) bestückten Klappen-Welle (13) vorgesehen ist.

7. Klappe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Getriebemotor (14-15) in axialer Verlängerung des Motors (14) mit einem Well-Getrie­ be (15) ausgestattet ist, dessen Stößelrad (28) über einen Umfangsteil der Verzahnung seines Flexbandes (29) außer mit dem wellenfesten Abtriebsrad (31) auch mit einem axial dagegen versetzten Stützrad (30) in Eingriff steht, das koaxial zur Welle (27) des im Einbau-Gehäuse (22) gehalterten Motors (14) am Gehäuse (22) vorgesehen ist.

8. Klappe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwi­ schen dem Motor (14) und der topfförmigen Aufweitung der Klappen-Welle (13) ein digital oder analog arbeitender Dreh-Winkelgeber (33) angeordnet ist.

9. Klappe nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantel­ fläche des Einbau-Gehäuses (22) und/oder des Wellen-Topfes (19) das Substrat für elektrisch leitende Geber-Strukturen ist oder trägt.

10. Klappe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie im Luft-Kanal (11) einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage angeordnet ist.