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Die
Erfindung betrifft ein Schaltsaugrohr für einen Verbrennungsmotor mit
mindestens einem dem Verbrennungsmotor Luft zuführenden Luftführungskanal,
einer Welle, die drehbar und quer zum Luftführungskanal verlaufend in einem
Befestigungsbereich des Luftführungskanals
gelagert ist, sowie mindestens einer flügelartigen Steuerklappe zur
Regelung des Luftstroms im Luftführungskanal
je nach Betriebszustand des Verbrennungsmotors, die drehfest auf
der Welle angeordnet ist und mit drehbeweglich in den Befestigungsbereich
einsetzbaren Lagerzapfen versehen ist. Derartige Schaltsaugrohre sind
beispielsweise aus der
DE
299 16 333 U1 der Anmelderin sowie der
DE 10 2004 021 125 A1 bekannt.
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Die
zum Betrieb von Verbrennungsmotoren erforderliche Luftzufuhr erfolgt
häufig über Saugrohrsysteme,
welche die gereinigte Luft vom Luftfilter bzw. der Drosselklappe über Luftführungskanäle den Zylinderköpfen zuführen. Durch
die in den Zylinderköpfen
arbeitenden Einlassventile kommt es dabei in den Luftführungskanälen und
der darin strömenden Luft
zu Resonanz- und Schwingungserscheinungen, die in Abhängigkeit
von der Motordrehzahl erheblichen Einfluss auf die Motorleistung,
den Wirkungsgrad des Motors sowie die Abgaszusammensetzung haben
können.
Die Luftzuführungskanäle werden häufig auch
als Saugrohrkanäle
bezeichnet.
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Eine
Optimierung der Luftzuführungskanäle ist dabei
derart anzustreben, dass die Kanäle
bei unterschiedlichen Betriebszuständen des Motors unterschiedlich
dimensioniert sein sollten.
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Zusätzlich kann
das Schaltsaugrohr die Verbrennungsluft einem abgeschlossenen Luftverteilungsraum
zuführen,
in den an unterschiedlichen Stellen Ansaugstutzen eines Saugrohrkanals
münden.
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Das
Schaltsaugrohr kann etwa schneckenförmig ausgebildet sein, wobei
eine Öffnung
des Schaltsaugrohrs am Ende der Schnecke mündet und eine zweite Ansaugöffnung im
dazwischen liegenden Bereich angeordnet ist. Da diese zweite Ansaugöffnung mittels
einer Steuerklappe verschließbar
ist, kann auf diese Weise in Abhängigkeit
vom Betriebszustand des Motors die Länge der Kanäle des Schaltsaugrohrs durch
Verschließen
oder Öffnen
der Klappe variabel eingestellt werden.
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Ein
zweites Beispiel einer variablen Saugrohrgeometrie ist aus der Mehrventiltechnik
bekannt. Hierbei werden bei bestimmten Betriebszuständen einzelne
Zuführkanäle zu bestimmten
Einlassventilen mit Hilfe von Absperrklappen verschlossen.
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Um
die in der Regel nebeneinander angeordneten Steuerklappen oder Ansaugstutzen
möglichst dicht
zu verschließen,
ist man bestrebt, möglichst
geringe Toleranzen zwischen dem äußeren Umfangsrand
der Steuerklappen und der Innenwand des Saugrohrkanals einzuhalten.
Ferner sollte die Welle einen möglichst
geringen Durchmesser aufweisen, damit der freie Strömungsquerschnitt
des Schaltsaugrohrs nicht in zu starkem Maße verringert wird. Hieraus
ergibt sich die Notwendigkeit, eine Welle aus hochfestem Material,
beispielsweise Stahl zu verwenden, während aus Gewichts- und Kostengründen für das Ansaugsystem
und die Klappe ein Einsatz von Kunststoff anzustreben ist.
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Die
Stellung der Steuerklappen hängt,
wie bereits geschildert, u. a. von der Motordrehzahl ab, wobei zum
Verdrehen der Welle vorzugsweise ein drehzahlgesteuertes elektrisches
Antriebsorgan vorgesehen ist.
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Dabei
ergibt sich jedoch das Problem der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten sowie
Fertigungs- und Einbautoleranzen zwischen den einzelnen Bauteilen.
Da das Schaltsaugrohr relativ nah am Verbrennungsraum des Motors
angeordnet ist, wird dieses naturgemäß bei laufendem Motor erwärmt, so
dass sich je nach Länge
der verwendeten Wellen und der Anzahl der nebeneinander angeordneten
Saugrohrkanäle
beträchtliche
Wärmeausdehnungen
ergeben können,
die zu einem Verklemmen der Steuerklappen und somit zu einer Beeinträchtigung
der Absperrfunktion der Steuerklappe führen können.
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Die
Steuerklappen sind drehfest auf der Welle befestigt, häufig mit
Hilfe von aufwendigen Befestigungselementen. Diese Steuerklappen
werden auch als Drosselklappen oder Einlasskanalabschaltklappen
(EKAS-Klappen) in Saugrohren bezeichnet und verfügen bauartig bedingt über eine
durchgehende Welle zur Steuerung aller Klappen für jeden Zylinder des Verbrennungsmotors.
Um den erforderlichen Toleranzausgleich aufgrund der Wärmeausdehnung zu
gewährleisten
können
derartige Klappen verschiebbar auf einer Vierkantwelle angeordnet
sein. Ein derartiges System ist beispielsweise aus dem Patent
DE 195 04 256 der Anmelderin
bekannt. Dieses System ermöglicht
bereits einen guten Ausgleich zur Kompensation der unterschiedlichen
Wärmeausdehnungskoeffizienten
der Metallwelle und der Kunststoffklappen sowie des Kunststoffgehäuses des Schaltaugrohrs.
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Dieses
System hat aber immer noch den Nachteil, dass eine genaue Fassung
und Führung
ein unerwünschtes
Verklemmen der relativ sich bewegenden Bauteile bewirken kann, wohin
gegen ein größeres Spiel
zum Vermeiden des Verklemmens unerwünschte Löcher und Durchtritte erzeugt,
durch die Luft bzw. Abgase unge wünscht
strömen
können.
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Zur
Lagerung der Klappen in dem Schaltsaugrohr werden üblicherweise
als Lagerbuchsen (Lagerbushings) bezeichnete Gleitlager in den Befestigungsbereich
eingesetzt. Die Lagerbuchsen bestehen aus geeigneten verschleißbeständigen Werkstoffen
und gewährleisten
ohne den Einsatz von Schmiermitteln eine hohe Lebensdauer des Schaltsaugrohrs.
Diese Werkstoffe werden gemeinhin auch als „Lagerwerkstoffe" bezeichnet. Im Rahmen
der Montage werden die Lagerbuchsen auf die endseitig abstehenden
Lagerzapfen der Klappen aufgesetzt und dann zusammen mit der Klappe
in Aufnahmeöffnungen
im Befestigungsbereich an dem Schaltsaugrohr eingesetzt. Sodann
wird die Welle quer durch den Saugrohrkanal oder einen in den Saugrohrkanal einsetzbaren
Einsatz geschoben und durchdringt dabei den Befestigungsbereich
und die Steuerklappe. Bei einem Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern
muss dieser Schritt mehrfach wiederholt werden; wobei eine Welle
für alle
Klappen einer Zylinderreihe verwendet wird.
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Die
Welle ist zur Erzielung des erforderlichen Formschlusses als durchgängiges Vierkantprofil
ausgebildet und besteht vorzugsweise aus Stahl. Die üblicherweise
als Spritzgussteile ausgebildeten Kunststoffklappen weisen korrespondierend
ausgebildete Innenvierkante zur formschlüssigen Verbindung mit der Welle
auf.
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Bei
dieser Montage ist eine genaue Abstimmung des Vierkants von Welle
und Klappen erforderlich, um einerseits eine Verschiebbarkeit und
andererseits eine Spielfreiheit zu gewährleisten. Unvermeidliche Toleranzen
hinsichtlich der Winkelstellung oder aufgrund einer in sich bereits
tordierten Welle können
zu einer ungewollt großen
Toleranzkette führen.
Diese Probleme treten besonders bei größeren Motoren mit längeren Wellen
auf.
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Verschiebbare
Klappen für
den Toleranzausgleich bei der Wärmeausdehnung
werden bislang einteilig gespritzt. Der Verbau der Klappen muss
mit den Lagern erfolgen, da eine Relativbewegung zwischen Lagern
und Klappen nicht möglich
ist. Die einteilige Ausbildung der Kunststoffklappen mit angeformten
Lagerzapfen bedingt, dass die komplette Klappe aus einem teuren
Lagerwerkstoff gefertigt werden muss, obwohl eigentlich nur die
Lagerzapfen aus einem Lagerwerkstoff bestehen müssten.
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Neueste
Abgasnormen verlangen ein besseres Abdichten der Teile und somit
geringere Spaltmasse zwischen dem Außenrand der Klappe und dem
Saugrohrkanal im geschlossenen Zustand. Wegen der Vielzahl der Bauteile
entstehen aufgrund der sich addierenden Toleranzketten bei bestehenden Klappensystemen
zu große
Spaltmasse, welche die neuen Abgasnomen nicht oder nur mit extrem
hohem Aufwand einhalten können.
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Aufgabe
der Erfindung ist deshalb ein Schaltsaugrohr vorzusehen, welches
kostengünstig und
einfach montierbar ist und zukünftigen
Abgasnormen entspricht. Insbesondere sollen ungewünschte Spaltmaße vermieden
werden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass das Schaltaugrohr im Befestigungsbereich eine geschlossene
Lagereinheit zur Bildung einer partiellen und definierten Rohrgeometrie
mit integrierten Lagerstellen aufweist, und dass die Steuerklappe
zumindest beim Einbau längenveränderlich
ist.
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Die
erfindungsgemäße Lagereinheit
stellt somit einen sehr formstabilen, umfänglich geschlossenen Körper dar,
der beim nachträglichen
Umspritzen mit äußerst geringen
Toleranzabweichungen seine definierte Geometrie behält. Die
Lagereinheit ist zumindest im Befestigungsbereich angeordnet und
bildet dort eine definierte, partielle Rohrgeometrie in dem Luftführungskanal
mit sehr geringen Toleranzabeichungen. Integraler Bestandteil der
Lagereinheit sind die Lagerstellen zur Aufnahme der Lagerzapfen der
Steuerklappe. Die Lagereinheit besteht hierzu aus einem geschlossenen
Ringkörper
mit mindestens zwei fluchtenden Durchgangsöffnungen, welche die Lagerstellen
zur drehbeweglichen Aufnahme der Lagerzapfen bilden. Dadurch, dass
eine La gereinheit mindestens zwei integrale und fluchtende Lagerstellen
aufweist, können
Koaxialfehler der Lager zueinander gegenüber dem Stand der Technik um
50% reduziert werden. Somit werden unerwünscht große Spaltmaße und daraus resultierende
Toleranzungenauigkeiten reduziert. Vorzugsweise besteht die Lagereinheit
aus einem Material mit einem sehr geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten
und guten Lagereigenschaften, um einen unerwünschten Verzug der Lagereinheit
während
des Spritzgießens
von dem umschließenden
Schaltsaugrohr zu vermeiden und gleichzeitig die Maßhaltigkeit
der definierten Rohrgeometrie zumindest im Befestigungsbereich für die Steuerklappe
zu gewährleisten.
Vorzugsweise besteht die Lagereinheit aus technischen Keramiken. Diese
Keramikwerkstoffe enthalten Kunststoffe, die bei einer Wärmebehandlung
ausdiffundieren. Werkstücke
aus technischen Keramiken weisen eine hohe Genauigkeit und Maßhaltigkeit
auf, die mit regulären Kunststoffen
nicht erzielbar sind. Ferner sind diese Materialien mit dem Vorteil
verbunden, dass sie als Spritzgussteil in einem Werkzeug zu komplexen
Geometrien gespritzt werden können.
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In
diese starre Lagereinheit zur Bildung der der partiellen Rohrgeometrie
könnte
eine im traditionellen Spritzgussverfahren hergestellte und starre Steuerklappe
nicht eingesetzt werden. Aus diesem Grunde ist die erfindungsgemäße Steuerklappe
zumindest beim Einbau längenveränderlich
oder elastisch ausgebildet. Durch diese erfindungsgemäße flexible
Ausbildung lässt
sich die Steuerklappe zum Einsetzen der Lagerzapfen in die Lagerstellen
der Lagereinheit unter Überwindung
des Randes der Lagereinheit zusammendrücken bis die Lagerzapfen in die
Lagerstellen der Lagereinheit eingreifen. Damit wird die aus dem
Stand der Technik benötigte
Vielzahl von Teilen für
die Montage jeder Klappe (eine Klappe, 2 Lagerbushings und ein Fixierungsmittel
für die
Lagerbusching in der Sollposition im Saugrohr) auf das Einsetzen
der Klappe reduziert. Dieses reduziert die Montagekosten und den
Montageaufwand erheblich. Die Lageröffnungen oder La gerbohrungen nehmen
somit in Einbaulage die Lagerzapfen drehbeweglich auf.
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Beim
Stand der Technik mussten die in das Saugrohr eingesetzten Lagerbuschings
zur drehbeweglichen Aufnahme der Steuerklappen zur Kompensation
von Koaxialtoleranzen aus einem Elastomer gefertigt sein. Dieses
ist aber mit dem Nachteil verbunden, dass sich ein geringes Spaltmaß zwischen
Rohrquerschnitt im Befestigungsbereich und der Klappe nicht verwirklichen
lässt.
Durch die erfindungsgemäß integrale
Ausbildung Lagereinheit mit einem geschlossenen Rahmen zur Bildung
eines zumindest partiellen Rohrquerschnitts im Befestigungsbereich
des Luftführungskanals,
welcher auf die Geometrie der Steuerklappe bei Betriebstemperatur
abgestimmt ist, sind durch die Integration der Lagerstellen alle
Lager mit einer sehr engen Koaxialtoleranz herstellbar. Deshalb
ist ein Toleranzausgleich durch zusätzliche elastische Lager/Bushings
nicht mehr erforderlich. Zugleich wird die Anzahl der zu verbauenden
Bauteile bei der Montage reduziert. Die Klappe muss nämlich nicht
mehr mit den Lagerbuchsen in dem Befestigungsbereich des Schaltsaugrohrs
eingesetzt werden. Stattdessen muss nur noch die vormonierte Lagereinheit
mit der bereits eingesetzten Steuerklappe in den Befestigungsbereich
des Schaltsaugrohrs eingesetzt werden. In einer anderen Ausführungsform
wird die Lagereinheit im Rahmen des Spritzgussprozesses zur Fertigung
des Schaltsaugrohrs umspritzt.
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Die
erfindungsgemäße Kombination
von Lagereinheit zur Bildung einer zumindest partiellen, definierten
Rohrgeometrie mit der elastischen Steuerklappe ermöglicht es
erstmalig, dass das Spaltmaß zwischen
dem Außenrand
der Steuerklappe und der Lagereinheit im Betriebszustand weniger
als 0,3 mm beträgt.
Damit werden neu zukünftige
gesetzliche Normen einhaltbar.
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Als
besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, die Lagereinheit aus einem
Material mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten und
guten Lagereigenschaften zu fertigen, z. B. aus Metall oder einem
technischen Keramik (SiC). Da technischer Keramik eine sehr hohe
Festigkeit besitzt, wird der Verzug beim späteren Umspritzen mit Kunststoff
zur Fertigung des Schaltsaugrohres auf ein Minimum reduziert. Gleichzeitig
wird eine Wärmeausdehnung
der Lagereinheit bei einem diesem Umspritzen eingeschränkt. Dieses
bedingt einen erheblichen kürzeren Verschiebeweg
der Klappen als beim Stand der Technik. Durch die von Lagereinheit
vorgegebenen definierte Rohrgeometrie sind auch fest auf der Welle montierte,
nicht axial verschiebliche Steuerklappen verwendbar.
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Wie
bereits beschrieben, ist die Lagereinheit vorzugsweise als geschlossener
Ringkörper
mit koaxialen Durchgangsöffnungen
für die
Lagerzapfen der Steuerklappe und die darin angeordnete runde Welle ausgebildet.
Der erfindungsgemäß gegossene
Ringkörper
reduziert somit größere Toleranzketten.
Aus den vorigen Ausführungen
versteht sich, dass die Lagereinheit vorzugsweise werkstoffoptimiert
ausgebildet ist und der Grundwerkstoff der Lagereinheit gleichzeitig
auch ein Lagerwerkstoff mit optimierten Lagereigenschaften ist,
z. B. Siliziumkarbonit (ScI). Es liegt jedoch auch im Rahmen der
Erfindung, die Lagereinheit aus einem ersten Werkstoff mit einem besonders
niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten
und die Lagerstellen aus einem zweiten Werkstoff mit besonders guten
Gleiteigenschaften zu fertigen.
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Die
Lagereinheit kann entweder als Einleger ausgebildet sein, der in
den Befestigungsbereich des Schaltsaugrohrs einsetzbar ist oder
beim Spritzgießen
des Schaltsaugrohrs mit Kunststoff umspritzt werden. Entscheidend
ist dabei, dass die Lagereinheit einen formstabilen Körper zur
Bildung der definierten Rohrgeometrie darstellt, der sich beim nachträglichen
Spritzguss nicht verändert
und sehr exakt mit sehr geringen Toleranzungleichheiten herstellbar ist.
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Für den Einsatz
in einem Schaltsaugrohr mit mehreren Luftführungskanälen, z. B. in Reihenmotor, wird
vorzugsweise eine La gereinheit in jeden Befestigungsbereich jedes
Luftführungskanals
angeordnet sein. Die Lagereinheiten können auch in einem Einleger
oder Einsetzer angeordnet sein, der in das Schaltsaugrohr einsetzbar
ist. Dieser Einleger besteht vorzugsweise aus einem plattenförmigen Element,
dass mehrere Lagereinheiten aufnimmt. In der einfachsten Ausführungsform
bestehen das plattenförmige
Element und die Lagereinheiten aus Metall und sind vorzugsweise
einstückig
gefertigt. In einer anderen Ausführungsform
sind die Lagereinheiten von einem als Spritzgussteil ausgebildeten
Einleger umspritzt oder in diesen eingesetzt.
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Die
erfindungsgemäß längenveränderliche Steuerklappe
zur Regelung der Luftzufuhr in dem erfindungsgemäßen Saugrohrkanal eines Schaltsaugrohrs
zeichnet sich daraus aus, dass diese zumindest beim Einbau in die
Lagereinheit längenveränderlich oder
elastisch ist.
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Vorzugsweise
weist diese Steuerklappe zwei voneinander über einen Zwischenraum beabstandete
Endstücke
auf, wobei die Endstücke
an ihren Außenseiten
abragende Lagerzapfen umfassen, und eine Füllkomponente ist in dem innenseitigen
Zwischenraum zwischen diesen Endstücken angeordnet. Bei der Montage
der Steuerklappe werden die Endstücke mit den Lagerzapfen in
die Lagerstellen der Lagereinheit eingesetzt und im Anschluss wird
im Rahmen eines Montagespritzgussverfahrens die Füllkomponente
in dem Zwischenraum eingespritzt. Bei einer bevorzugten Weiterentwicklung
kann diese Füllkomponente
zur zusätzlichen
Längenkompensation
elastisch ausgebildet sein.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform
sind die Endstücke über mindestens
einen elastischen Verbindungssteg verbunden. Dieser elastische Verbindungssteg
wird zum Einsetzen der Steuerklappe in die Lagereinheit zusammengedrückt und
drückt nach Überwinden
des Randes der Lagereinheit die Lagerzapfen automatisch in die Lageröffnungen
der Lagereinheit. Die Endstücke
und der elastische Verbindungssteg bilden zusammen einen federnden Grundkörper, der
axiale Fertigungstoleranzen ausgleicht und durch Mon tagespritzguss
kleinstes Spaltmaß realisieren
lässt.
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Die
Füllkomponente
dient dem Toleranzausgleich nach dem Umspritzen und besteht vorzugsweise
aus einem plastischen Material, vorzugsweise einem Polyamid oder
einem gefüllten
Werkstoff oder auch einem TPE. Aufgrund der Längenveränderlichkeit der Klappe kann
beim Einbringen der Füllkomponente
Einfluss auf das axiale und/oder radiale Spaltmaß zwischen dem Außenrand
der Steuerklappe und der Lagereinheit genommen werden. Auf diese Weise
kann beim Spritzgießen
der Füllkomponente durch
das Wegschrumpfen oder die Einstellung im Spritzwerkzeug das axiale
und/oder radiale Spiel abgestimmt auf die Betriebstemperatur eingestellt
werden.
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Die
erfindungsgemäße elastische
Ausbildung des Grundkörpers,
der vorzugsweise aus einem Lagerwerkstoff, besonders vorteilhaft
PPS, CF15 oder PTFE 5 aufweist, ermöglicht es, dass die Steuerklappe
nachträglich
einbaubar ist Dieses verringert die Montagekosten signifikant. Daneben
bietet die Fertigung der Steuerklappe aus zwei Komponenten den Vorteil,
dass nur die die Lagerzapfen aufweisenden Endstücke aus einem Lagerwerkstoff
gefertigt werden müssen
und die Füllkomponente
zur Bildung der Flügelflächen der
Steuerklappe aus einem wesentlich kostengünstigeren Kunststoff gefertigt
werden kann.
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Bei
hohen Temperaturen und unterschiedlicher Wärmeausdehnung der Klappe und
der Rohrinnengeometrie im Befestigungsbereich kompensiert die elastische
Füllkomponente
die Klappenlänge, falls
diese dadurch zu lang wird. Damit ist das axiale Spaltmaß zwischen
der Klappe und dem Rohrquerschnitt im Befestigungsbereich über den
gesamten Temperaturbereich konstant.
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Da
die erfindungsgemäße Lagereinheit
die definierte Rohrgeometrie im Befestigungsbereich mit hoher Toleranzgenauigkeit
bereitstellt, kann das Schaltsaugrohr aus einfachen und kostengünstigen Kunstostoffen
gefertigt werden, vorzugsweise aus einem temperaturbeständigen,
einfach verarbeitbarem und preis günstigen Kunststoff wie z. B.
Polyamid.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
beschrieben, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird.
In diesen zeigen:
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1 eine
perspektivische Seitenansicht der erfindungsgemäßen Saugrohrkanals;
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2 eine
Ansicht des Schaltsaugrohrs gemäß 1 von
unten;
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3 eine
vergrößerte perspektivische
Ansicht der erfindungsgemäßen Lagereinheit;
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4 eine
perspektivische Ansicht der Lagereinheit gemäß
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3 mit
eingesetzter Steuerklappe und montierter Welle;
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5 eine
vergrößerte perspektivische
Ansicht des Grundkörpers
der Steuerklappe;
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6 eine
vergrößerte perspektivische
Ansicht der fertigen Steuerklappe mit umspritzter Füllkomponente;
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7 eine
perspektivische Ansicht einer als Einsatz ausgebildeten Lagereinheit
aus Kunststoff mit eingelegten und umspritzten Lagerbuchsen (Keramik-
oder Sinterbuchsen) zum nachträglichen
Einsetzen in ein gespritztes Saugrohr;
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8 eine
perspektivische Ansicht von unten eines einteiligen Einlegers aus
technischer Keramik mit vier, koaxial zueinander ausgerichteten
Lagereinheiten;
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9 der
Einleger gemäß 8 mit
auf einer Welle montierten Steuerklappen;
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10 eine
Ansicht des Hauptflansches des Schaltsaugrohrs von unten mit geöffneten
Steuerklappen;
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11 ein
Querschnitt durch das Schaltsaugrohr entlang der Linie A-A gemäß 10;
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12 eine
Längsschnitt
in der Draufsicht des Schaltsaugrohrs entlang der Linie B-B gemäß 11;
und
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13 eine
Vergrößerung des
Abschnitts C gemäß 12.
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Die 1 und 2 zeigen
das erfindungsgemäße Schaltsaugrohr 2 in
perspektivischen Ansichten. Das Schaltsaugrohr 2 führt über einen
Lufteintritt 4 der Luft über einen Sammler 6 über vier
getrennte Luftführungskanäle 8 einem
nicht näher
dargestellten Verbrennungsmotor zu. An der Unterseite der Luftführungskanäle 8 ist
ein auf mit dem Verbrennungsmotor verbindbarer Hauptflansch 10 ausgebildet.
Oberhalb diese Hauptflansches 10 ist in dem Schaltsaugrohr
ein in der 10 dargestellter Einleger 12 angeordnet.
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Jede
Einlassseite eines Luftführungskanals 8 weist
jeweils eine erste immer offene Kanalseite und eine zweite, durch
eine Steuerklappe verschließbare
Kanalseite auf.
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3 und 4 zeigen
die erfindungsgemäße Lagereinheit 16 in
perspektivischer Ansicht. Diese besteht aus einem geschlossenen
Ringkörper 22 aus
Keramik mit einem im Wesentlichen quadratischen Querschnitt und
abgerundeten Ecken. Die Querschnittsgeometrie ist allgemein zur
Aufnahme in den Luftführungskanal 8 angepasst.
In Einbaulage bildet der Ringkörper
die erfindungsgemäß definierte Rohrgeometrie
für die
Steuerklappe, die aufgrund der Materialwahl eines Materials mit
geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten
wesentlich unabhängiger
ist von Temperaturschwankungen des umgebenden Materials und deshalb
formstabiler im Bezug auf die angestrebte Idealgeometrie zum Betrieb
der verwendeten Steuerklappe ist. Zur Aufnahme der Lagerzapfen 32 der
Steuerklappe 18 weist die die Lagereinheit 16 zwei
koaxial angeordnete Lageröffnungen 24 auf.
Zur Erhöhung
der Lagerfläche
sind außenseitig
um die Lageröffnungen 24 an
dem Ringkörper
zylindrische Lagerstutzen 26 angeformt.
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In 4 ist
eine erfindungsgemäße Steuerklappe 18 mit
ihren Lagerzapfen in die Lageröffnungen 24 drehbeweglich
eingesetzt. Axial verlaufend durchdringen die Innenseiten der hohlen
Lagerzapfen 32 eine Vierkant-Stahlwelle 20, die
formschlüssig in
den Lagerzapfen 32 aufgenommen ist. Die Drehung der Welle 20 bewirkt
somit eine Drehung der Steuerklappe 18 im selben Maße
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5 zeigt
eine perspektivische Ansicht des Grundkörpers 28 der erfindungsgemäßen Steuerklappe 18.
Dieser besteht aus zwei, über
einen Zwischenraum beabstandeten Endstücken 34. Diese Endstücke 34 bestehen
jeweils mittig aus dem Lagerzapfen 32 von dem sich abgehend
in entgegengesetzte Richtungen zum Aufspannen einer Flügelebene
Flügelsegmente
erstrecken. Diese Flügelsegmente
definieren die Ränder
der Steuerklappe 18. Zwischen den Endstücken 34 erstrecken
sich zwei bogenförmig
ausgebildete Verbindungsstege 36, in die eine elastische
Verbindung zwischen den Endstücken 34 herstellt. Ösen 38 sind
einstückig
angeformt an den zum Zwischenraum gerichteten Innenrand der Flügelsegmente
beidseitig von den Lagerzapfen 32.
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Im
Rahmen der Montage wird der Grundkörper 28 in Richtung
der Pfeile gegen die Federkraft der Verbindungsstege 36 zusammengedrückt und
in die Lageöffnungen 24 der
Lagereinheit 16 eingeschnappt. Sodann wird die Welle 20 in
die Lagererzapfen 32 eingeschoben.
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Nunmehr
wird die in 6 dargestellte Füllkomponente 30 im
Rahmen eines Montagespritzgusses in den Zwischenraum zwischen den
Endstücken 34 gespritzt
und somit eine durchgängige
Flügelfläche der
Steuerklappe 18 gebildet. Die Endstücke 34 bilden somit
zusammen mit der Füllkomponente 30 die
klassische flügelförmige Gestalt
der Steuerklappe 18 mit dem zentralen Aufsteckbereich und
beidseitig entgegengesetzt abragenden Flügeln. Da die Füllkomponente
die Ösen 38 und
die Verbindungsstege 36 des Grundkörpers beidseitig umschließt, ist
die elastische Füllkomponente 30 unverlierbar
auf dem Grundkörper
fixiert und gewährleistet
auch die notwendige mechanische Stabilität der Steuer klappe 18 für die auftretenden
Betriebsbelastungen.
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Es
liegt auch im Rahmen der Erfindung, eine Steuerklappe erfindungsgemäß auszubilden,
die einen Aufsteckbereich mit einem nur einseitig radial abragenden
Flügel
aufweist.
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Zum
Erhalt guter Lagereigenschaften muss nur der Grundkörper 28 mit
den Lagerzapfen 32 aus einem relativ teuren Lagerwerkstoff
bestehen. Die Füllkomponente
kann hingegen aus einem günstigeren
Kunststoff bestehen. Durch die Verwendung eines Elastomers für die Füllkomponente
kann diese zum axialen Toleranzausgleich nach dem Umspritzen genutzt
werden. Dieser axiale Toleranzausgleich gewährleistet, dass die Steuerklappe
zur Reduzierung der Spaltmaße
mit ihren Stirnflächen
an der Lagereinheit anliegt. Bei hohen Temperaturen und unterschiedlicher
Wärmeausdehnung
zwischen der Steuerklappe und der Innengeometrie der Lagereinheit 16 kompensiert
die Füllkomponente 30 somit
die Klappenlänge.
Das axiale Spaltmaß zwischen
der Steuerklappe und der Lagereinheit 16 bleibt somit erstmalig über alle
Betriebstemperaturen hinweg konstant.
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Der
Fachmann erkennt, dass die erfindungsgemäße Ausbildung der Lagereinheit 16 mit
integrierten Lagerstellen den Montageaufwand erheblich reduziert.
Die Steuerklappe 18 muss mithin nur noch in die Durchgangsöffnungen 24 eingesetzt
werden. Das vorherige Aufstecken von elastischen Lagern (Lagerbushings)
auf die Lagerzapfen einer starren Steuerklappe und das Einsetzen
der Steuerklappe in Aufnahmen an dem Schaltsaugrohr entfällt.
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7 zeigt
eine alternative Ausführungsform
einer als getrennter Einsetzer 46 ausgebildeten Lagereinheit.
Dieser Einsetzer 46 besteht aus einem einteilig ringförmig geschlossenen
Rahmen 48 aus Polyamid zur Bildung der erfindungsgemäß definierten,
partiellen Rohrgeometrie im Befestigungsbereich eines Saugrohrs.
Der Rahmen weist am oberen Ende einen außenseitig vollumfänglich an
den Rahmen 48 angespritzten Einsatzflansch 50 auf,
der in einen entsprechend ausgebildeten Einsteckbereich in einem
Hauptflansch einsetzbar ist. Bei dieser Ausführungsform bildet dieser Rahmen 48 die
definierte, partielle Rohrgeometrie. Eingespritzt in den Rahmen 48 sind
zwei koaxial zueinander angeordnete Lagerbuchsen 52 aus
einem Lagerwerkstoff, z. B. SiC. Bei dieser Ausführungsform findet der erforderliche
Toleranzausgleich über
eine mögliche
Relativbewegung zwischen dem Einsetzer 46 und dem Luftführungskanal
oder den luftführenden
Bauteilen (Luftführungskanälen u. ä) statt.
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8 zeigt
einen erfindungsgemäßen, einstückig aus
technischer Keramik gefertigten Einleger 40 in perspektivischer
Ansicht. Dieser Einleger 40 weist insgesamt vier koaxial
zueinander ausgerichtete Lagereinheiten 16 auf, die über einstückig angeformte
Verbindungsstege 42 zueinander beabstandet und miteinander
verbunden sind. Der Einleger 40 ist so groß, dass
sich dieser über
die Zylinderreihe eines entsprechenden 4-Zylinder-Verbrennungsmotors
erstreckt. Die Verbindungsstege 42 richten die vier Lagereinheiten 16 koaxial
zueinander aus.
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Bei
der Fertigung der Einleger 12, 40 werden die Lagereinheiten 16 so
umspritzt, dass die Durchgangsöffnungen 24 aller
Lagereinheiten 16 koaxial verlaufen.
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9 zeigt
den Einleger 40 mit in die Lagereinheiten 16 eingeschobener
Vierkantwelle 20 aus Stahl und auf dieser Vierkantwelle 20 aufgesteckten Steuerklappen 18.
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In 10 ist
der in den 8 und 9 dargestellte
Einleger 40 in den Hauptflansch 10 des Schaltsaugrohrs 2 eingesetzt
und umspritzt. Dabei bilden die Lagereinheiten 16 jeweils
die definierte, partielle Rohrgeometrie im Befestigungsbereich der Luftführungskanäle 8.
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11 zeigt
einen Querschnitt durch einen solchen Luftführungskanal 8 entlang
der Linie A-A gemäß 10.
Hier ist deutlich erkennbar, wie die Lagereinheit 16 die
partielle Rohrgeometrie im Befestigungsbereich des Luftführungskanals 8 für die Steuerklappe 18 bildet.
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Die
Vergrößerung gemäß 13 zeigt
deutlich, wie sich durch die erfindungsgemäße Ausbildung in Schließstellung
der Klappen ein geringes Spaltmaß von kleiner als 0,3 mm zwischen
dem Außenrand
der Steuerklappe 18 und dem Innenrand der Lagereinheit 16 bei
Betriebstemperatur realisieren lässt,
um zukünftige
Abgasnormen einzuhalten.
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Das
Schaltsaugrohr 2 bestehen vorzugsweise aus Polyamid, während die
Welle vorzugsweise aus Stahl besteht.
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Weil
jede Lagereinheit 16 integral mindestens zwei Lager aufweist,
werden beim Stand der Technik auftretende Koaxialfehler wirksam
ausgeschlossen. Die durch die Integration der Lager in die Lagereinheit
bewirkte Reduzierung der Bauteile ermöglicht eine weitere Reduzierung
der Toleranzketten und somit eine Reduzierung der Spaltmaße. Durch
die Abstimmung des Spaltmasses auf die Betriebstemperaturen des
Motors können
in die Lagereinheit auch Steuerklappen aus Kunststoff eingesetzt
werden, die einen von der Lagereinheit sehr unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Diese Steuerklappen dehnen sich bei den Betriebstemperaturen so
aus, dass diese mit dem gewünschten
geringen Spaltmaß von
weniger als 0,3 mm in der Lagereinheit sitzen. Somit ermöglicht der Einsatz
von Kunststoffklappen im Einleger trotz der sehr unterschiedlichen
Wärmeausdehnung
die Abstimmung des Spaltmaßes
auf den Dauertemperaturbereich (auf ca. 80.100 Grad).
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Die
Rohrgeometrie und die Lagereinheiten 16 sind baulich so
ausgelegt, dass sie fest miteinander verbunden sind und die Lagereinheit
eine definierte, partielle Rohrgeometrie im Befestigungsbereich
bildet. Weil die Lagereinheit die partielle Rohrgeometrie mit definiertem
Querschnitt bildet, kann der Rest des Schaltsaugrohrs aus einem
kostengünstigen
Kunststoff mit üblichen
Wärmeausdehnungseigenschaften
gefertigt werden.
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- 2
- Schaltsaugrohr
- 4
- Lufteintritt
- 6
- Sammler
- 8
- Luftführungskanal
- 10
- Hauptflansch
- 12
- Einleger
- 16
- Lagereinheit
- 18
- Steuerklappe
- 20
- Vierkantwelle
- 22
- Ringkörper
- 24
- Lageröffnungen
- 26
- Lagerstutzen
- 28
- Grundkörper
- 30
- Füllkomponente
- 32
- Lagerzapfen
- 34
- Endstück
- 36
- Verbindungssteg
- 38
- Ösen
- 40
- Einleger
- 42
- Verbindungsstege
- 44
- Rahmen
- 46
- Einsetzer
- 48
- Rahmen
- 50
- Einsatzflansch
- 52
- Lagerbuchse