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Die
Erfindung betrifft ein Schaltbauteil für ein Saugrohr einer Brennkraftmaschine,
insbesondere einer Kraftfahrzeugbrennkraftmaschine, mit einer um eine
Schwenkachse schwenkbeweglich in dem Saugrohr anordnenbaren gekröpften Schaltwelle
mit zumindest zwei von der Schwenkachse radial beabstandeten Schaltelementen
und mit einem zwischen den Schaltelementen, konzentrisch zu der
Schwenkachse angeordneten Wellenzapfen, wobei der Wellenzapfen mittels
jeweils einer Schaltelementwange mit den angrenzenden Schaltelementen
verbunden ist.
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Ein
solches Schaltbauteil ist zum Beispiel aus
EP 1 388 652 A2 als eine
mit einer Tumbleklappe verbundene Schwenkwelle für ein Luftansaugkanalsystem
für Kraftfahrzeugbrennkraftmaschinen
bekannt. Die Tumbleklappe, die innerhalb eines Ansaugkanals eines
Kanalelementes des Luftansaugkanalsystems angeordnet ist, ist im
Querschnitt im Wesentlichen U-förmig
und zusammen mit der Schwenkwelle einstückig ausgebildet. In dem Kanalelement
sind Lagerelemente zur Aufnahme der Schwenkwelle vorgesehen.
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Außerdem offenbart
EP 1 132 667 A2 ein System
zur Reduzierung des Durchflussquerschnittes einer Leitung für einen
Motor mit einer durch parallele Schenkel um eine Schwenkachse schwenkenden
Klappe, wobei die Klappe einen U-förmigen Querschnitt aufweist.
Dabei sind die Schenkel des U jeweils einerseits mit einem Seitenende
der Klappe und andererseits mit einem Ende einer Achse verbunden,
deren anderes Ende mit einem Schenkel einer weiteren, angrenzenden
Klappe verbunden ist.
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Aus
DE 695 05 763 T2 ist
ein Ansaugrohr für eine
Brennkraftmaschine bekannt, wobei eine Luftzuführleitung von einem gesteuerten
Drosselungsorgan selektiv geschlossen werden kann. Das Drosselungsorgan
umfasst eine als hohler Napf ausgebildete Klappe, die um eine im
Wesentlichen transversal zu der selektiv geschlossenen Leitung angeordnete Achse
schwenkbar befestigt ist.
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Zudem
ist aus JP 07-166898 A eine Absperrklappe für eine Einlasssteuerungsvorrichtung
in einer Mehrzylinderverbrennungskraftmaschine bekannt. Die Absperrklappe
weist eine Mehrzahl von an einer Drehwelle angeordneten elliptischen
Klappenelementen auf, deren Nebenachsen einen symmetrischen Aufbau
der Absperrklappe bildend mit der Drehwellenachse zusammenfallen.
Die Absperrklappe ist in einem Spritzgießverfahren aus einem flexible Verstärkungsfasern
enthaltenden Harzwerkstoff hergestellt, wobei sich die Verstärkungsfasern
in Fließrichtung
des Harzes ausrichten. Fließrichtung,
Fließgeschwindigkeit
und gegebenenfalls Fließverwirbelungen
bestimmen die Ausrichtung und Verteilung der Verstärkungsfasern.
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Der
Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde,
ein Schaltbauteil für
ein Saugrohr einer Brennkraftmaschine der eingangs beschriebenen
Art zu schaffen, das eine hohe Stabilität aufweist und kostengünstig und
einfach herstellbar ist.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem
Schaltbauteil der eingangs beschriebenen Art, wobei in dem Wellenzapfen
ein zumindest mit einem Verstärkungselementabschnitt
axial ausgerichtetes, starres Verstärkungselement angeordnet ist.
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Bei
einem Schaltbauteil wie es der Erfindung zugrunde liegt wird die
Schaltwelle aufgrund der radialen Beabstandung der Schaltelemente
von der Schwenkachse mit besonders hohen Biege- und Torsionskräften belastet.
Kröpfungen
der Schaltwelle, die sich aus der vorgenannten exzentrischen Schaltelementanordnung
ergeben, führen
zudem zu erheblichen Querschnittsänderungen der Schaltwelle über ihre
Länge.
Ein Einbringen allein von Verstärkungsfasern
in die Schaltwelle kann die vorgenannten Probleme mit vertretbarem
Aufwand nicht lösen.
Gegenüber
der Verwendung von Verstärkungsfasern
weist das erfindungsgemäße Schaltbauteil
mit dem starren Verstärkungselement
eine wesentlich erhöhte
Stabilität
auf. Das Verstärkungselement
bietet, insbesondere gegenüber
den bekannten Verstärkungsfasern, zudem
die Möglichkeit,
exakt ausgerichtet und an einer die größten mechanischen, insbesondere
dynamischen, Vorteile gewährleistenden
Stelle in der Schaltwelle angeordnet zu werden. Das ist insbesondere
von Vorteil bei der erfindungsgemäßen gekröpften Schaltwelle, in der aufgrund
von Querschnittssprüngen
und Richtungsänderungen
eine für
eine Stabilitätserhöhung erforderliche
definierte Verteilung und Ausrichtung von Verstärkungsfasern mit vertretbarem
Aufwand nicht zu bewerkstelligen wäre. Das erfindungsgemäße Schaltbauteil,
das dem Schalten einer Luftströmung
in einem Saugrohr einer Brennkraftmaschine dient, kann auch als
Ladungsschaukel für
eine Ladungsbewegungsschaltung, die sich beispielsweise in einem
Hauptflanschbereich des Saugrohres zu einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine
befinden kann, bezeichnet werden. Mit der Ladungsbewegungsschaltung
wird eine gezielte Ladungsbewegung in der Brennkraftmaschine erzeugt.
Das Schaltbauteil kann vorteilhaft in einer Trägereinrichtung vormontiert
werden, welche als Ganzes im Saugrohr verbaut wird. Das Schaltbauteil bildet
dann das ausführende
Element, auf dem alle Gaskräfte
wirken. Diese hohen Gaskräfte
sowie zusätzliche,
im Betrieb auftretende Schwingungsbelastungen kann das erfindungsgemäße Schaltbauteil beschädigungsfrei
aufnehmen. Das erfindungsgemäße Schaltbauteil,
bei dem die Schaltelemente mit korrespondierenden Schaltelementwangen
entsprechend Schaukeln oder Wannen ausgebildet sind, ist kostengünstig und
auch in großen
Stückzahlen
einfach herstellbar. Etwaige Leckagespalte und/oder Anschlag- und
Lagerungsverschleiß des
Schaltbauteils und seiner Lagerung werden mit der Erfindung vorteilhaft
vermieden. Zudem werden Spannungen im Schaltbauteil, die sich während des
Betriebes einstellen, mit der Erfindung in erheblichem Umfang reduziert.
Das erfindungsgemäße Verstärkungselement
führt vorteilhaft
zu keinerlei unerwünschter
Beeinflussung der Luftströmung.
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Insbesondere
für eine
Erhöhung
der Torsionssteifigkeit der Schaltwelle ist es von großem Vorteil,
wenn gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung das Verstärkungselement eine abgewinkelte
Stütze aufweist
und die Stütze
in eine Schaltelementwange eingreift. Das Verstärkungselement kann zum Beispiel
L-förmig
ausgebildet sein und mit einem kurzen Schenkel des L in den Wellenzapfen
und mit einem langen Schenkel des L in die Schaltelementwange eingreifen.
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Besonders
günstig
ist es dabei, wenn sowohl die Torsions- als auch die Biegesteifigkeit
weiter erhöhend
gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung das Verstärkungselement
zwei abgewinkelte Stützen
aufweisend brückenförmig ausgebildet ist
und die Stützen
jeweils in eine Schaltelementwange eingreifen.
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Vor
allem die Biegesteifigkeit der Schaltwelle kann weiter erhöht und eine
Lagerung des Wellenzapfens präzisiert
werden, wenn gemäß einer
anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung das Verstärkungselement
den Wellenzapfen axial auf ganzer Länge des Wellenzapfens durchgreift.
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Gemäß einer
anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine drehfest
mit der Schaltwelle verbundene Verstärkungswelle vorgesehen, und
die Verstärkungswelle
weist das Verstärkungselement
einen Abschnitt der Verstärkungswelle
bildend auf. Mit einer solchen Ausführungsform kann die Herstellung
des Schaltbauteils durch eine vereinfachte Handhabbarkeit des Verstärkungselementes als
integraler Bestandteil der Verstärkungswelle
wesentlich vereinfacht werden.
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Eine
unerwünschte
Beeinflussung der mit dem Schaltbauteil zu schaltenden Luftströmung kann auf
einfache Weise dadurch vermieden werden, dass gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die Verstärkungswelle
eine gekröpfte
Welle ist und dass die den Schaltelementen der Schaltwelle gegenüberliegenden
Abschnitte der Verstärkungswelle
in einer von den Schaltelementen abgewandten Richtung von der Schwenkachse
beabstandet sind.
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Für eine kostengünstige Herstellung
des Schaltbauteils ist es von besonderem Vorteil, wenn gemäß einer
anderen Weiterbildung der Erfindung das Verstärkungselement aus einem Metall
oder aus einem Kunststoff besteht.
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Eine
weiter verbesserte Haltbarkeit bei einfacher Herstellbarkeit des
Schaltbauteils kann erreicht werden, wenn gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung
der Erfindung der Grundwerkstoff der Schaltwelle einen Kunststoff
aufweist, wobei der Kunststoff vorzugsweise ein faserverstärkter Kunststoff
sein kann. Eine solche Ausführungsform
bedeutet, dass die Schaltwelle im Wesentlichen aus dem Kunststoff
besteht; lediglich das Verstärkungselement
besteht zum Beispiel aus einem Metall oder einem anderen Kunststoff.
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Besonders
kostengünstig
auch in sehr großen
Stückzahlen
kann die Schaltwelle hergestellt werden, wenn gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die Schaltwelle ein Kunststoffspritzgussbauteil
ist.
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Dabei
kann vorteilhaft auf einfache Weise eine gute Einbindung des Verstärkungselementes
in die Schaltwelle erfolgen, wenn gemäß einer Weiterbildung der Erfindung
das Verstärkungselement
ein umspritztes Einlegebauteil in der Schaltwelle ist. Das Verstärkungselement
kann zum Beispiel in ein Spritzgießwerkzeug eingelegt und anschließend umspritzt werden.
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Man
könnte
sich vorstellen, dass bei der Herstellung des Schaltbauteils das
Verstärkungselement beispielsweise
an seiner Oberfläche
angeschmolzen wird und eine stoffschlüssige Verbindung mit den angrenzenden
Bereichen der Schaltwelle eingeht. Hingegen kann vorteilhaft eine
besonders hohe Verstärkungswirkung
und signifikante Stabilitätserhöhung erreicht
werden, wenn gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung das Verstärkungselement
einen höheren
Schmelzpunkt und eine höhere Festigkeit,
das heißt
eine höhere
Widerstandsfähigkeit
gegenüber
einer zu Formänderung
oder Bruch führenden
Beanspruchung, aufweist als der Grundwerkstoff der Schaltwelle.
Besonders wichtig ist dabei eine höhere Biege- und eine höhere Torsionsfestigkeit
des Verstärkungselementes.
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Eine
dauerhaft sichere und feste Einbindung des Verstärkungselementes in die Schaltwelle
lässt sich
erzielen, wenn gemäß einer
anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung das Verstärkungselement
eine strukturierte Oberfläche
aufweist.
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Grundsätzlich ist
es vorstellbar, bei Mehrzylinderbrennkraftmaschinen eine Mehrzahl
von einzelnen Schaltbauteilen zur Schaltung der Luftströmung zu
den Zylindern vorzusehen.
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Hingegen
werden Aufbau und Herstellung wesentlich vereinfacht, wenn gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung mindestens vier Schaltelemente
mit jeweils zwischen zwei benachbarten Schaltelementen angeordneten,
jeweils ein axial ausgerichtetes, starres Verstärkungselement aufweisenden
Wellenzapfen vorgesehen sind. Eine solche Ausführung wird aufgrund der mit
der Erfindung erreichten hohen Torsions- und Biegesteifigkeit des
Schaltbauteils ermöglicht,
wobei vorteilhaft auch eine noch längere Schaltwelle mit zusätzlichen Schaltelementen,
insbesondere mit einer Gesamtzahl von sechs Schaltelementen für eine Sechs-Zylinder-V-Brennkraftmaschine,
möglich
ist.
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Zur
Bewegung des Schaltbauteils, beispielsweise über ein äußeres Gestänge, ist es von Vorteil, wenn
gemäß einer
anderen Weiterbildung der Erfindung der eine Wellenzapfen oder einer
der Wellenzapfen einen Betätigungsnocken
für die
Schaltwelle aufweist. Der Befestigungsnocken kann zum Beispiel integraler
Bestandteil einer als Kunststoffspritzgussteil ausgebildeten Schaltwelle
sein.
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Die
Erfindung lässt
zahlreiche Ausführungsformen
zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips sind Ausführungsbeispiele
davon in der Zeichnung schematisiert dargestellt und werden nachfolgend
beschrieben. In der Zeichnung zeigt
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1 ein
Schaltbauteil für
ein Saugrohr einer Brennkraftmaschine,
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2 einen
Ausschnitt eines anderen Schaltbauteils für ein Saugrohr einer Brennkraftmaschine,
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3 ein
Verstärkungselement
des Schaltbauteils nach 2,
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4 ein
weiteres Schaltbauteil für
ein Saugrohr einer Brennkraftmaschine und
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5 eine
Verstärkungswelle
des Schaltbauteils nach 4.
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Sich
jeweils entsprechende Elemente sind in allen Figuren mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt
in einer perspektivischen Ansicht ein als Schaltschaukel ausgebildetes
Schaltbauteil 1 für
ein hier nicht dargestelltes Saugrohr einer Sechs-Zylinder-V-Kraftfahrzeugbrennkraftmaschine.
Das Schaltbauteil 1 weist eine gekröpfte Schaltwelle 2 auf,
die um eine Schwenkachse 3 schwenkbeweglich in dem Saugrohr
anordnenbar ist. Des Weiteren weist die Schaltwelle 2 insgesamt
sechs jeweils als Klappe ausgebildete Schaltelemente 4 auf, die
von der Schwenkachse 3 radial beabstandet sind und zwischen
denen sich konzentrisch zu der Schwenkachse 3 angeordnete
Wellenzapfen 5, 5' der
Schaltwelle 2 befinden. Die Wellenzapfen 5, 5' sind jeweils
mittels jeweils einer Schaltelementwange 6 mit den an den
jeweiligen Wellenzapfen 5, 5' angrenzenden Schaltelementen 4 verbunden.
An den beiden Enden der Schaltwelle 2 befindet sich jeweils ein
Wellenendzapfen 7.
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In
den Wellenzapfen 5, 5' und Wellenendzapfen 7 sowie
den jeweils angrenzenden Schaltelementwangen 6 sind starre
Verstärkungselemente 8 angeordnet,
von denen ein Verstärkungselement 8 beispielhaft
und gestrichelt in 1 eingezeichnet ist. Die Verstärkungselemente 8 sind
L-förmig
ausgebildet und mit ihrem kurzen, einen ersten Verstärkungselementabschnitt
bildenden Schenkel 9 axial bezogen auf die Schwenkachse 3 in
dem jeweils korrespondierenden Wellenzapfen 5, 5' angeordnet.
Die langen, jeweils einen zweiten Verstärkungselementabschnitt bildenden
Schenkel 10 der Verstärkungselemente 8 sind
jeweils eine abgewinkelte Stütze 11 der
Verstärkungselemente 8 bildend
radial bezogen auf die Schwenkachse 3 in der jeweils korrespondierenden
Schaltelementwange 6 angeordnet. Die Verstärkungselemente 8 greifen
somit sowohl in die Wellenzapfen 5, 5' und Wellenendzapfen 7 als
auch in die Schaltelementwangen 6 ein.
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Außerdem sind,
symbolisiert durch Pfeile F, in 1 Kräfte eingezeichnet,
die im Betrieb der Brennkraftmaschine typischerweise auf das Schaltbauteil 1 wirken.
Es ist zu erkennen, dass diese Kräfte an den Schaltelementen 4 angreifen
und so sowohl zu Torsion als auch zu Biegung der Schaltelementwangen 6 und
der Wellenzapfen 5, 5' sowie der Wellenendzapfen 7 führen. Dem
wirken die Verstärkungselemente 8 entgegen.
Ein mittlerer Wellenzapfen 5' weist
einen Betätigungsnocken 12 für ein Schwenken
der Schaltwelle 2 um die Schwenkachse 3 mittels
einer äußeren, hier
nicht dargestellten Betätigungsvorrichtung
auf. Bei der in diesem Ausführungsbeispiel
vorliegenden, vergleichsweise langen Schaltwelle 2, die
für eine
Sechs-Zylinder-Brennkraftmaschine
vorgesehen ist, ist es für
eine gleichmäßige Krafteinleitung
und – verteilung
günstig,
die gezeigte mittige Anordnung für
den Betätigungsnocken 12 zu
wählen.
Insbesondere im Falle einer kürzeren
Schaltwelle mit weniger Schaltelementen, zum Beispiel für eine Vier-
oder Drei-Zylinder-Brennkraftmaschine, kann es – zum Beispiel aufgrund räumlicher
Restriktionen – aber
auch angebracht sein, eine seitliche Krafteinleitung, beispielsweise über einen Wellenendzapfen
der Schaltwelle, zu wählen.
Dabei kann, wie auch in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, alternativ
zu einem Betätigungsnocken
grundsätzlich
auch ein anderes Krafteinleitungselement vorgesehen sein.
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Der
Grundwerkstoff der Schaltwelle 2 ist ein Kunststoff, in
den die Verstärkungselemente 8,
die in diesem Ausführungsbeispiel
aus einem Metall bestehen, vollständig eingebettet sind. Dabei ist
die Schaltwelle 2 ein Kunststoffspritzgussbauteil, in welchem die
Verstärkungselemente 8 als
während
des die Schaltwelle 2 erzeugenden Spritzgießvorgangs
umspritzte Einlegebauteile eingelegt sind. Die metallenen Verstärkungselemente 8 weisen
einen höheren Schmelzpunkt
und eine höhere
Festigkeit auf als der Kunststoff der Schaltwelle 2.
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Einen
Ausschnitt eines anderen, ebenfalls als Schaltschaukel ausgebildeten
Schaltbauteils 1 für ein
Saugrohr einer Kraftfahrzeugbrennkraftmaschine zeigt 2 in
einer perspektivischen Ansicht. Das Schaltbauteil 1 weist
eine gekröpfte
Schaltwelle 2 mit Wellenzapfen 5 auf, in welchen
jeweils ein Verstärkungselement 8 angeordnet
ist. Die Verstärkungselemente 8 sind
brückenförmig ausgebildet
und weisen zwei abgewinkelte Stützen 11, 13 auf,
die durch einen Steg 14 verbunden sind. Die Stützen 11, 13 greifen
jeweils in eine Schaltelementwange 6 eines Schaltelementes 4 ein,
wobei die Schaltelemente 4 jeweils zwischen Wellenzapfen 5 angeordnet
sind.
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In 3 ist
eines der Verstärkungselemente 8 mit
Steg 14 und Stützen 11, 13 zur
Verdeutlichung im Einzelnen in einer perspektivischen Ansicht dargestellt.
Der Steg 14 weist einen rechteckigen Querschnitt auf, und
die Stützen 11, 13,
die jeweils endseitig unter einem rechten Winkel an den Steg 14 angeschlossen
sind, sind plattenförmig
ausgebildet.
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Ein
dem Schaltbauteil 1 nach 1 ähnliches
Schaltbauteil 1 mit einer Schaltwelle 2 ist in
perspektivischer Ansicht in 4 dargestellt.
Dieses Schaltbauteil 1 weist abweichend zu dem Ausführungsbeispiel
nach 1 Verstärkungselemente 8, 15 auf,
die den jeweiligen Wellenzapfen 5, 5' oder Wellenendzapfen 7 axial
auf ganzer Länge
des Wellenzapfens 5, 5' oder Wellenendzapfens 7 durchgreifen.
Die Verstärkungselemente 8, 15 sind
untereinander ein einziges Bauteil bildend verbunden, und zwar in
der Weise, dass eine drehfest mit der Schaltwelle 2 verbundene
Verstärkungswelle 16 aus
Metall vorgesehen ist, welche Verstärkungswelle 16 die
Verstärkungselemente 8, 15 jeweils
einen Abschnitt 18 der Verstärkungswelle 16 bildend
aufweist (vgl. 5). Die Verstärkungswelle 16 hat
die gleiche Gesamtlänge
wie die Schaltwelle 2, so dass in kurzen Wellenendzapfen 7 der
Schaltwelle 2 entsprechend kurze Verstärkungselemente 15 angeordnet
sind.
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Die
Verstärkungswelle 16 ist
eine gekröpfte Welle,
und Schaltelementen 4 der Schaltwelle 2 gegenüberliegende
Abschnitte 17 der Verstärkungswelle 16 sind
in einer von den Schaltelementen 4 abgewandten Richtung
von der Schwenkachse 3 der Schaltwelle 2 sowie
der Verstärkungswelle 16 beabstandet.
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5,
in der die Verstärkungswelle 16 im Einzelnen
und in perspektivischer Darstellung gezeigt ist, ist zu entnehmen,
dass die Verstärkungswelle 16 durchgängig einen
rechteckigen Querschnitt aufweist. Zudem weisen die Abschnitte 18 der
Verstärkungswelle 16,
welche Abschnitte 18 von den Verstärkungselementen 8, 15 gebildet
werden, eine strukturierte Oberfläche 19 auf, was beispielhaft
anhand eines der Verstärkungselemente 8 dargestellt ist
und einer sicheren Einbettung der Verstärkungswelle 16 in
der Schaltwelle 2 dient.