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Die Erfindung betrifft eine Steuerklappe zur Regelung der Luftzufuhr in einem Schaltsaugrohr für einen Verbrennungsmotor, das mindestens einen Saugrohrkanal aufweist, durch den sich eine drehbar gelagerte Welle in einem Befestigungsbereich erstreckt, wobei die Steuerklappe zur Regelung der Luftzufuhr je nach Betriebszustand des Verbrennungsmotors drehfest auf der Welle befestigbar ist, einen sich axial erstreckenden Aufsteckbereich mit endseitigen Lagerzapfen zur Befestigung in dem Befestigungsbereich des Schaltsaugrohrs und mit einem sich zumindest einseitig quer zu dem Aufsteckbereich erstreckenden Flügelbereich versehen ist.
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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 stromenden 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 Luftzufuhrungskanäle werden häufig auch als Saugrohrkanäle bezeichnet.
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Eine Optimierung der Luftzuführungskanale ist dabei derart anzustreben, dass die Kanäle bei unterschiedlichen Betriebszuständen des Motors unterschiedlich dimensioniert sein sollten.
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Zusatzlich 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 Zuführkanale 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 Kostengrunden 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 betrachtliche 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 Warmeausdehnung zu gewahrleisten, 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 ungewunscht strömen können.
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Zur Lagerung der Klappen in dem Schaltsaugrohr werden ublicherweise 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 Aufnahmeoffnungen 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 formschlussigen 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 Spaltmassen, welche die neuen Abgasnomen nicht oder nur mit extrem hohem Aufwand einhalten können.
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DE 299 16 333 U1 offenbart eine Lagervorrichtung, bei der die Lageraufnahmen elastisch verbunden sind und ihr Abstand zum Einsetzen einer Steuerklappe vorübergehend vergrößert werden kann.
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Bei der in
DE 91 13 727 U1 beschriebenen Steuerklappe sind die Lagerzapfen elastisch gelagert und können zum Einsetzen in die in einem geschlossenen Ringquerschnitt angeordneten Lageraufnahmen zusammengedrückt werden.
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DE 199 18 777 A1 offenbart einen Schaltklappenverband zur Montage in einen Verbrennungsmotor auf, bei dem Lagerstellen für Lagerzapfen der Steuerklappen in einem geschlossenen Ringkörper vorgesehen sind, der Teil des Schaltsaugrohrs ist.
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Aufgabe der Erfindung ist deshalb eine Steuerklappe vorzusehen, welche 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 die Steuerklappe zumindest beim Einbau in den Befestigungsbereich längenveränderlich ist.
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Dabei wird diese elastische Steuerklappe vorzugsweise in eine Lagereinheit eingesetzt. Diese Lagereinheit stellt 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 Toleranzabweichungen. 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 Lagereinheit 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 Warmeausdehnungskoeffizienten und guten Lagereigenschaften, um einen unerwünschten Verzug der Lagereinheit wahrend des Spritzgießens von dem umschließenden Schaltsaugrohr zu vermeiden und gleichzeitig die Maßhaltigkeit der definierten Rohrgeometrie zumindest im Befestigungsbereich für die Steuerklappe zu gewahrleisten. Vorzugsweise besteht die Lagereinheit aus technischen Keramiken. Diese Keramikwerkstoffe enthalten Kunststoffe, die bei einer Wärmebehandlung ausdiffundieren. Werkstucke 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 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 erfindungsgemaße flexible Ausbildung lasst sich die Steuerklappe zum Einsetzen der Lagerzapfen in die Lagerstellen der Lagereinheit unter Überwindung des Randes der Lagereinheit zusammendrucken 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 Lagerbushings in der Sollposition im Saugrohr) auf das Einsetzen der Klappe reduziert. Dieses reduziert die Montagekosten und den Montageaufwand erheblich. Die Lageröffnungen oder Lagerbohrungen 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 namlich 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 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 diesem Umspritzen eingeschränkt. Dieses bedingt einen erheblichen kurzeren 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 Ringkorper mit koaxialen Durchgangsoffnungen für die Lagerzapfen der Steuerklappe und die darin angeordnete runde Welle ausgebildet. Der erfindungsgemäß gegossene Ringkorper 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 (Scl). 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 geringer, Toleranzungleichheiten herstellbar ist.
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Für den Einsatz in einem Schaltsaugrohr mit mehreren Luftführungskanalen, z. B. in Reihenmotor, wird vorzugsweise eine Lagereinheit 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 plattenformigen Element, das mehrere Lagereinheiten aufnimmt. In der einfachsten Ausfuhrungsform bestehen das plattenformige 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 erfindungsgemaß langenveränderliche Steuerklappe zur Regelung der Luftzufuhr in dem erfindungsgemäßen Saugrohrkanal eines Schaltsaugrohrs zeichnet sich dadurch aus, dass diese zumindest beim Einbau in die Lagereinheit langenveranderlich oder elastisch ist.
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Die Steuerklappe weist zwei voneinander über einen Zwischenraum beabstandete Endstücke auf, wobei die Endstucke an ihren Außenseiten abragende Lagerzapfen umfassen, und eine Fullkomponente in dem innenseitigen Zwischenraum zwischen diesen Endstücken angeordnet ist. Bei der Montage der Steuerklappe werden die Endstucke mit den Lagerzapfen in die Lagerstellen der Lagereinheit eingesetzt und im Anschluss wird im Rahmen eines Montagespritzgussverfahrens die Fullkomponente in dem Zwischenraum eingespritzt. Bei einer bevorzugten Weiterentwicklung kann diese Füllkomponente zur zusätzlichen Langenkompensation elastisch ausgebildet sein.
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Die Endstücke sind über zwei bogenförmig ausgebildete elastische Verbindungsstege verbunden. Diese elastischen Verbindungsstege werden zum Einsetzen der Steuerklappe in die Lagereinheit zusammengedrückt und drucken nach Überwinden des Randes der Lagereinheit die Lagerzapfen automatisch in die Lageröffnungen der Lagereinheit. Die Endstücke und die elastischen Verbindungsstege bilden zusammen einen federnden Grundkörper, der axiale Fertigungstoleranzen ausgleicht und durch Montagespritzguss 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 gefullten Werkstoff oder auch einem TPE. Aufgrund der Längenveranderlichkeit der Klappe kann beim Einbringen der Fullkomponente 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 erfindungsgemaße elastische Ausbildung des Grundkorpers, 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 Flugelflachen 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 erfindungsgemaße 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 preisgünstigen Kunststoff wie z. B. Polyamid.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausfuhrungsbeispiele beschrieben, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird. In diesen zeigen:
- 1 eine perspektivische Seitenansicht des erfindungsgemaßen Saugrohrkanals;
- 2 eine Ansicht des Schaltsaugrohrs gemaß 1 von unten;
- 3 eine vegroßerte perspektivische Ansicht der erfindungsgemaßen Lagereinheit;
- 4 eine perspektivische Ansicht der Lagereinheit gemäß 3 mit eingesetzter Steuerklappe und montierter Welle;
- 5 eine vergrößerte perspektivische Ansicht des Grundkorpers der Steuerklappe;
- 6 eine vergrößerte perspektivische Ansicht der fertigen Steuerklappe mit umspritzter Füllkomponente;
- 7 eine perspektivische Ansicht einer als Einsatz ausgebildeten Lagereinheit aus Kunststoff mit eingelegten und umspritzten Lagerbuchsen (Ke-ramik- oder Sinterbuchsen) zum nachträglichen Einsetzen in ein gespritztes Saugrohr;
- 8 eine perspektivische Ansicht von unten eines einteiligen Einlegers aus technischer Keramik mit vier, koaxial zueinander ausgerichteten Lagereinheiten;
- 9 der Einleger gemäß 8 mit auf einer Welle montierten Steuerklappen;
- 10 eine Ansicht des Hauptflansches des Schaltsaugrohrs von unten mit geöffneten Steuerklappen;
- 11 ein Querschnitt durch das Schaltsaugrohr entlang der Linie A-A gemäß 10;
- 12 einen Längsschnitt in der Draufsicht des Schaltsaugrohrs entlang der Linie B-B gemäß 11; und
- 13 eine Vergrößerung des Abschnitts C gemäß 12.
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Die 1 und 2 zeigen das erfindungsgemaße Schaltsaugrohr 2 in perspektivischen Ansichten. Das Schaltsaugrohr 2 führt über einen Lufteintritt 4 der Luft über einen Sammler 6 über vier getrennte Luftführungskanale 8 einem nicht naher dargestellten Verbrennungsmotor zu. An der Unterseite der Luftfuhrungskanale 8 ist ein auf mit dem Verbrennungsmotor verbindbarer Hauptflansch 10 ausgebildet. Oberhalb dieses Hauptflansches 10 ist in dem Schaltsaugrohr ein in der 10 dargestellter Einleger 12 angeordnet.
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Jede Einlassseite eines Luftfuhrungskanals 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 Ringkorper 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 Ringkorper die erfindungsgemaß 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 Lageroffnungen 24 auf. Zur Erhöhung der Lagerflache sind außenseitig um die Lageroffnungen 24 an dem Ringkorper zylindrische Lagerstutzen 26 angeformt.
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In 4 ist eine erfindungsgemaße Steuerklappe 18 mit ihren Lagerzapfen in die Lageroffnungen 24 drehbeweglich eingesetzt. Axial verlaufend durchdringen die Innenseiten der hohlen Lagerzapfen 32 eine Vierkant-Stahlwelle 20, die formschlussig 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 erfindungsgemaßen Steuerklappe 18. Dieser besteht aus zwei über einen Zwischenraum beabstandeten Endstucken 34. Diese Endstucke 34 bestehen jeweils mittig aus dem Lagerzapfen 32 von dem sich abgehend in entgegengesetzte Richtungen zum Aufspannen einer Flugelebene Flügelsegmente erstrecken. Diese Flugelsegmente 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 an den zum Zwischenraum gerichteten Innenrand der Flügelsegmente beidseitig von den Lagerzapfen 32 einstückig angeformt.
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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 Lageoffnungen 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 Fullkomponente 30 im Rahmen eines Montagespritzgusses in den Zwischenraum zwischen den Endstucken 34 gespritzt und somit eine durchgängige Flügelflache der Steuerklappe 18 gebildet. Die Endstucke 34 bilden somit zusammen mit der Füllkomponente 30 die klassische flügelformige 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 Fullkomponente 30 unverlierbar auf dem Grundkörper fixiert und gewährleistet auch die notwendige mechanische Stabilität der Steuerklappe 18 für die auftretenden Betriebsbelastungen.
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Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, eine Steuerklappe erfindungsgemaß 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 Fullkomponente kann hingegen aus einem gunstigeren Kunststoff bestehen. Durch die Verwendung eines Elastomers für die Fullkomponente kann diese zum axialen Toleranzausgleich nach dem Umspritzen genutzt werden. Dieser axiale Toleranzausgleich gewahrleistet, 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 Klappenlange. 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 erfindungsgemaße Ausbildung der Lagereinheit 16 mit integrierten Lagerstellen den Montageaufwand erheblich reduziert. Die Steuerklappe 18 muss mithin nur noch in die Durchgangsoffnungen 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 entfallt.
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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 erfindungsgemaß definierten, partiellen Rohrgeometrie im Befestigungsbereich eines Saugrohrs. Der Rahmen weist am oberen Ende einen außenseitig vollumfanglich 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 luftfuhrenden Bauteilen (Luftführungskanalen u. a) statt.
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8 zeigt einen erfindungsgemaßen, einstuckig 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 Luftfuhrungskanäle 8.
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11 zeigt einen Querschnitt durch einen solchen Luftführungskanal 8 entlang der Linie A-A gemaß 10. Hier ist deutlich erkennbar, wie die Lagereinheit 16 die partielle Rohrgeometrie im Befestigungsbereich des Luftfuhrungskanals 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 besteht vorzugsweise aus Polyamid, wahrend 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 Warmeausdehnung 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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Bezugszeichenliste
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- 2
- Schaltsaugrohr
- 4
- Lufteintritt
- 6
- Sammler
- 8
- Luftfuhrungskanal
- 10
- Hauptflansch
- 12
- Einleger
- 16
- Lagereinheit
- 18
- Steuerklappe
- 20
- Vierkantwelle
- 22
- Ringkorper
- 24
- Lageroffnungen
- 26
- Lagerstutzen
- 28
- Grundkorper
- 30
- Fullkomponente
- 32
- Lagerzapfen
- 34
- Endstuck
- 36
- Verbindungssteg
- 38
- Osen
- 40
- Einleger
- 42
- Verbindungsstege
- 44
- Rahmen
- 46
- Einsetzer
- 48
- Rahmen
- 50
- Einsatzflansch
- 52
- Lagerbuchse
