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Die
Erfindung betrifft eine Stelleinrichtung zur Betätigung
einer in einer Abgaseinrichtung eines Verbrennungsmotors auf einer
Welle schwenkbar gelagerten Klappe, insbesondere einer Abgasstauklappe.
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Stand der Technik
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Ventil-
oder Klappenvorrichtungen zur Veränderung des Strömungswegs
von Abgasen eines Verbrennungsmotors in einer Abgaseinrichtung,
wie etwa in einer Auspuffanlage von Kraftfahrzeugen, sind als solche
im Stand der Technik hinlänglich bekannt. Insbesondere
bei Verbrennungsmotoren mit mehr als sechs Zylindern werden abhängig
von bestimmten Fahrsituationen einzelne Zylinder abgeschaltet. Im
Abgasstrang verstellbar angeordnete Abgasklappen dienen hier zur
Aufrechterhaltung eines erforderlichen Gegendrucks in der Abgaseinrichtung.
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Ferner
ist es möglich, mit Hilfe von verstellbaren Abgasklappen
das Motorengeräusch zu beeinflussen, sodass sich dieses
bei den unterschiedlichen Betriebszuständen des Motors
mit unterschiedlich ab- oder zugeschalteten Zylindern nur geringfügig
und kaum wahrnehmbar ändert.
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Aus
der
DE 10 2004
061 381 A1 ist eine Abgasklappeneinrichtung bekannt, bei
welcher eine mit der Klappenwelle verbundene Hebeleinrichtung mittels
eines Bowdenzugs betätigbar ist. Der Bowdenzug kann hierbei
angeblich die zum Öffnen und Schließen der Abgasklappe
erforderlichen Zug- und Druckkräfte übertragen.
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Der
dort als Drahtseil ausgebildete Innenzug des Bowdenzugs ist mit
einer Gelenkverbindung an der Hebeleinrichtung angelenkt. Die äußere
Ummantelung des Bowdenzugs erstreckt sich bis zu einem Halteelement,
welches über Stützelemente beabstandet vom Abgasrohr
angeordnet ist. Da das ortsfeste Halteelement, bis zu welchem sich
der Außenzug erstreckt, sowohl vom Abgasrohr als auch von der
mit der Klappenwelle verbundenen Hebeleinrichtung beabstandet angeordnet
ist, lassen sich insbesondere über den Bowdenzug übertragene
Druckkräfte nur schwerlich auf die Klappenwelle übertragen.
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Vor
allem in dem Bereich, in welchem das innere Drahtseil keine Ummantelung
aufweist, wird es schon bei nur leichten Druckbeanspruchungen einer Verformung
unterliegen, anstatt die vom Bowdenzug übertragbaren Druckkräfte
verlustfrei auf die Hebeleinrichtung zu übertragen.
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Aus
der
DE 10 2005
033 601 A1 ist ferner eine elektromechanische Stelleinrichtung
für eine Abgasstauklappe bekannt, bei welcher ebenfalls Zug-
und Druckkräfte mittels eines Betätigungszuges an
die Klappenwelle übertragen werden. Hierbei ist an der
Klappeneinrichtung ein federbelastetes Rückstellelement
vorgesehen, welches zum Drehen der Klappe ausgebildet ist. Das in
Form eines Betätigungs- oder Seilzuges ausgebildete Kraftübertragungselement
ist hierbei insbesondere als Zugmittel vorgesehen, sodass letztlich
nur eine von einem elektromotorischen Antrieb aufbringbare Zugkraft
auf die Klappeneinrichtung übertragen werden muss.
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Nachteilig
bei den vorbekannten Stelleinrichtungen für Abgasklappen
ist eine im Wesentlichen tangentiale Anbindung eines Kraftübertragungselements
an einen mit der Klappenwelle verbundenen Stellkörper.
Der als Kraftübertragungselement vorgesehene Betätigungszug
muss somit zumindest bereichsweise parallel zum heißen
Abgasrohr geführt werden. Aufgrund der in der m Betrieb
in der Abgaseinrichtung herrschenden hohen Temperaturen ist die
gesamte Stelleinrichtung mit ihren mechanisch verstellbaren Teilen
und mit ihren kraftübertragenden Zug-Druckmitteln stets
sehr hohen thermischen Beanspruchungen ausgesetzt.
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Zudem
sind für ein bidirektionales Drehen der Abgasklappe mehrere,
in unterschiedliche Richtungen kraftübertragende Elemente
erforderlich oder die Klappeneinrichtung ist mit einem Rückstellelement
zu versehen, welches einem auf die Klappe einwirkenden Zugmittel
entgegenwirkt.
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Aufgabenstellung
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Der
vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde,
eine eingangs erwähnte Stelleinrichtung für eine
Abgasklappe derart weiterzuentwickeln, dass mit einer möglichst
geringen Anzahl beweglicher Funktionsteile eine direkte und effiziente
Kraftübertragung zur Verfügung gestellt wird. Zudem
soll die auf die Stelleinrichtung einwirkende thermische Beanspruchung
minimiert und Herstellungs- sowie Montagekosten bzw. -Aufwand reduziert
werden.
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Erfindung und vorteilhafte
Wirkungen
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird mit Hilfe einer Stelleinrichtung
gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen angegeben.
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Die
erfindungsgemäße Stelleinrichtung ist zur Betätigung
einer in einer Abgaseinrichtung eines Verbrennungsmotors auf einer
Welle schwenkbar gelagerten Klappe ausgebildet. Die Stelleinrichtung weist
eine Kopplungseinrichtung auf, die zur Übertragung von
in Axialrichtung zur Welle angreifenden Zug- und/oder Druckkräften
in ein die Welle antreibendes Drehmoment ausgebildet ist. Die Kopplungseinrichtung
kann somit uni- oder bidirektional mit einer translatorischen Bewegung
eines Stellglieds einhergehenden Druck- oder Zugkräfte
entsprechend uni- oder bidirektional in eine Drehbewegung übertragen.
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Die
Kopplungseinrichtung ist hierbei derart zur Klappenwelle angeordnet
und so ausgebildet, dass sie zur Umwandlung von parallel zur Axialrichtung
der Klappenwelle gerichteten Translationsbewegungen in eine die
Welle antreibende Rotationsbewegung ausgebildet ist.
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Hierzu
ist die Kopplungseinrichtung vorzugsweise in direkter Verlängerung
der Klappenwelle außerhalb der Abgaseinrichtung angeordnet.
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Nach
einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist die Kopplungseinrichtung
zur Wandlung einer translatorischen Zug- und/oder Druckbewegung,
welche in Axialrichtung zur Klappenwelle vorliegt, in eine mit der
Welle unmittelbar koppelbaren Drehbewegung ausgebildet. Da die Klappenwelle sich
typischerweise quer durch ein Rohr der Abgaseinrichtung erstreckt,
ergibt sich aufgrund der Ausgestaltung der Kopplungseinrichtung
eine sich im Wesentlichen senkrecht zur Längserstreckung
der Abgaseinrichtung erstreckende Stelleinrichtung.
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Die
kraftübertragenden Funktionsteile der Stelleinrichtung
sind somit von der Abgaseinrichtung weg weisend oder davon beabstandet
angeordnet. Nach der Erfindung sind die eine Zug- und/oder Druckkraft übertragenden
Teile somit nicht parallel zur Abgaseinrichtung, sondern im Wesentlichen senkrecht
dazu geführt, sodass der Einfluss thermischer Beanspruchungen
möglichst gering gehalten werden kann.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Kopplungseinrichtung zu einer richtungsumkehrenden Kraftkopplung
ausgebildet ist. Auf diese Art und Weise können mit nur
einem einzigen eine Zug- oder Druckkraft übertragenden
Zug-Druckmittel, welches an die Kopplungseinrichtung gekoppelt ist,
sowohl links- als auch rechtsdrehende Drehbewegungen auf die Klappenwelle übertragen
werden.
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Hierbei
ist insbesondere vorgesehen, dass die Kopplungseinrichtung zur Übertragung
einer an der Kopplungseinrichtung angreifenden Zugkraft in eine
erste Rotationsbewegung und zur Übertragung einer der Zugkraft
entgegengesetzten Druckkraft in eine zweite Rotationsbewegung ausgebildet
ist, wobei die erste und die zweite Rotationsbewegung entgegengesetzt
sind.
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Beispielsweise
kann eine auf die Kopplungseinrichtung einwirkende Zugkraft in eine
linksdrehende Rotationsbewegung der Klappe oder der Klappenwelle überführt
werden, während eine auf die Kopplungseinrichtung einwirkende
Druckkraft in eine entgegengesetzte rechtsläufige Rotationsbewegung
der Klappenwelle mündet.
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Nach
einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Kopplungseinrichtung
einen Schieber auf, welcher verdrehsicher innerhalb eines Gehäuses
der Kopplungseinrichtung angeordnet ist und zudem in Axialrichtung
der Welle verschoben werden kann. Diese, bezüglich der
Klappenwelle verdrehsichere, aber in Axialrichtung verschiebliche
Anordnung oder Lagerung des Schiebers dient der Aufnahme von auf die
Kopplungseinrichtung übertragbaren Zug- und Druckkräften.
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Weiterhin
ist vorgesehen, dass an der Kopplungseinrichtung antriebsseitig
ein mit dem Schieber verbindbares Zug-Druckmittel, insbesondere
ein Betätigungszug angelenkt ist. Der typischerweise ein
inneres Zug-Druckkabel und ein als Außenzug ausgebildete äußere
Ummantelung aufweisende Betätigungszug ist derart an der
Kopplungseinrichtung angeordnet, dass der Außenzug mit
dem Gehäuse der Kopplungseinrichtung verbunden oder daran
angelenkt ist, während der als Kabel ausgebildete Innenzug
in das Gehäuseinnere hineinragt und dort zur Übertragung
der Zug- und Druckkräfte mit dem Schieber verbunden ist.
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Die
vom Zug-Druckmittel übertragbaren Zug- und Druckkräfte
werden typischerweise von einer elektromotorischen Antriebseinrichtung
zur Verfügung gestellt. Aufgrund der in der Nähe
der Abgaseinrichtung herrschenden extremen thermischen Belastungen
ist eine solche Antriebseinrichtung von dieser in sicherer Entfernung
beabstandet angeordnet.
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Das
Zug-Druckmittel kann als flexibler Betätigungszug, aber
auch als Zug-Druckgestänge ausgebildet sein. Ein flexibler
Betätigungszug unterstützt mitunter verschiedene
Einbaukonfigurationen und Anordnungen von elektromotorischer Antriebseinheit und
anzutreibender Abgasklappe.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
dass der Schieber zumindest bereichsweise nach Art einer einseitig
offenen Hülse ausgebildet ist, innerhalb welcher ein Endabschnitt
der Welle zu liegen kommt. Die aus der Abgaseinrichtung herausführende
Welle der Abgasklappe ragt zumindest bereichsweise in die Kopplungseinrichtung
hinein. Ihr freies Ende ist hierbei in Radialrichtung von dem als
Hülse ausgebildeten Schieber umgeben. Der Schieber und
der Endabschnitt der Welle sind einander derart angeordnet, dass
sie in jeglicher axialen Position des Schiebers in Radialrichtung
zumindest bereichsweise überlappen.
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Zur
Umwandlung einer Translationsbewegung in eine Rotationsbewegung
ist an dem Schieber zumindest eine schräg zur Axialrichtung
der Welle verlaufende Führung ausgebildet, mit welcher
die Welle der Abgasklappe mit zumindest einem Stift in Eingriff
steht. Der mit der Klappenwelle fest verbundene Stift ist in der
in der Hülsenwandung des Schiebers ausgebildeten Führung
zwangsgeführt.
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Aufgrund
des zur Axialrichtung der Welle schrägen, schrauben- oder
helixartigen Verlaufs der Führung erfährt der
Stift in der Zwangsführung bei einer translatorischen Axialbewegung
des Schiebers eine Drehbewegung, die auf die Welle und somit auch
auf die Abgasklappe übertragen werden kann.
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Die
an der Schieberwandung vorgesehene Führung ist innenseitig
an dem Hülsenabschnitt des Schiebers ausgebildet. Sie kann
als nutartige Vertiefung oder aber auch als Ausnehmung ausgebildet sein.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die
zumindest eine am Schieber vorgesehene Führung als schrauben-
oder helixartige Kulisse ausgebildet, in welcher der zumindest eine
sich radial zur Welle erstreckende und an dieser angeordnete Stift
geführt ist. Durch die schraubenartige Kulissenführung
wird eine Axialverschiebung des Schiebers in eine in Radialrichtung
auf die Klappenwelle einwirkende Kraftkomponente übertragen, die
letztlich zur gewünschten Rotationsbewegung der Klappe
und der Klappenwelle führt.
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Von
Vorteil ist weiterhin, dass sich die zumindest eine am Schieber
vorgesehene Führung zumindest über 90° in
Umfangsrichtung an der Hülsenwand entlang erstreckt. Auf
diese Art und Weise kann die vom Zug-Druckmittel zur Verfügung
gestellte translatorische Bewegung zumindest in eine 90°-Rotation
der Klappe übertragen werden. Abhängig von der konkreten
Ausgestaltung der schraubenartigen Kulissenführung können
auch darüber hinausgehende Rotationswinkel erreicht werden.
Die Übersetzung zwischen Translations- und Rotationsbewegungen wird
vornehmlich über die Steigung der schraubenartigen Kulissenführung
bestimmt.
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Nach
der Erfindung ist insbesondere vorgesehen, dass am Schieber nicht
nur eine, sondern mehrere, vorzugsweise um 180° in Umfangsrichtung zueinander
versetzte und parallel zueinander geführte kulissenartige
Führungen vorgesehen sind, in welcher jeweils an der Welle
diametral gegenüberliegend angeordnete Stifte eingreifen.
Eine solche Anordnung ermöglicht eine symmetrische bzw.
lastverteilende, den Schieber und die Welle gleichermaßen beanspruchende,
Kraftübertragung.
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Die
Erfindung ist keinesfalls auf nur eine oder zwei am Schieber ausgebildete
schraubenartige Kulissenführungen beschränkt.
Nach der Erfindung können, je nach Anforderungsprofil,
beliebig viele und in Umfangsrichtung am hülsenartigen
Schieber verteilt angeordnete, aber auch axial zueinander versetzte
Kulissenführungen mit korrespondierenden wellenseitigen
Halte- oder Mitnehmerstiften vorgesehen werden.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
dass zur verdrehsicheren Anordnung des Schiebers innerhalb des Gehäuses der
Kopplungseinrichtung zumindest eine in Axialrichtung verlaufende
Längsnut und zumindest ein damit korrespondierendes Halteelement
vorgesehen sind. Das Halteelement kann beispielsweise als ein in die
Längsnut eingreifender Stift oder ein sich im Wesentlichen bereichsweise
in der Längsnut erstreckender Steg ausgebildet sein.
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Die
Anordnung von Halteelement und damit korrespondierender Längsnut
kann beliebig am Gehäuse oder am Schieber ausgebildet sein.
So ist denkbar, dass die Nut an der Innenwandung des Gehäuses
und das Halteelement außenseitig am Schieber angeordnet
sind. Eine umgekehrte Anordnung, bei welcher die Nut am Schieber,
das darin eingreifende Halteelement hingegen am Gehäuse
vorgesehen ist, kann gleichermaßen implementiert werden.
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Von
Vorteil ist weiterhin, dass die gesamte Kopplungseinrichtung eine
im Wesentlichen zylindrische Geometrie aufweist und sich mit ihrer
Zylinderlängsachse im Wesentlichen parallel zur Achse der Klappenwelle
erstreckt. Insoweit erstreckt sich die gesamte Stelleinrichtung
im Wesentlichen senkrecht zur Abgaseinrichtung, was sich vorteilhaft
auf die Minimierung thermischer Beanspruchungen auf die Funktionsteile
der Stelleinrichtung auswirkt.
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Die
Kopplungseinrichtung selbst als auch das antriebsseitig mit der
Kopplungseinrichtung verbundene Zug-Druckmittel sind somit direkt
von der Abgaseinrichtung weg weisend angeordnet. Eine bereichsweise
Parallelführung von kraftübertragenden Funktionsteilen
und Abgasrohr kann durch die erfindungsgemäße
Ausgestaltung der Kopplungseinrichtung in vorteilhafter Weise umgangen
werden.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist der hülsenartig ausgebildete
Teil des Schiebers über ein Zug-Druckgestänge
mit dem antriebsseitigen Zug-Druckmittel verbunden. Auf diese Art
und Weise kann die mit Hilfe des Betätigungszugs übertragbare Zug-Druckbewegung
unmittelbar auf den axial verschieblichen Schieber übertragen
werden.
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Schließlich
ist vorgesehen, dass das an den Schieber angelenkte Zug-Druckgestänge
mit dem kraftübertragenden, vorzugsweise als Betätigungszug
ausgebildeten Zug-Druckmittel, form- oder kraftschlüssig
verbunden ist. Es ist hierbei vorgesehen, dass der Innenzug des
Betätigungszugs mit dem Zug-Druckgestänge verpresst
ist.
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Ausführungsbeispiel
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Weitere
Ziele, Merkmale sowie vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten
der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die nachfolgende Beschreibung eines
Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen beschrieben.
Dabei bilden sämtliche beschriebenen und/oder bildlich
dargestellten Merkmale in ihrer sinnvollen Kombination den Gegenstand
der Erfindung, auch unabhängig von den Patentansprüchen und
deren Rückbezügen. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Darstellung der an der Abgaseinrichtung angeordneten
Kopplungseinrichtung,
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2 eine
Darstellung gemäß 1, teils geschnitten,
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3 die
Stelleinrichtung gemäß 1 in einer
weiteren Darstellung, teils geschnitten.
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Die
Stelleinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
ist in den 1 bis 3 in unterschiedlichen
Darstellungen und Konfigurationen gezeigt. Die Stelleinrichtung
ist zur Betätigung einer Abgasklappe 14 vorgesehen,
welche auf einer Welle 12 innerhalb einer Abgaseinrichtung 10,
wie etwa einer Auspuffanlage eines Kraftfahrzeugs drehbar gelagert
ist.
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Von
einem nicht explizit dargestellten elektromotorischen Antrieb werden
Zug- oder Druckkräfte mit Hilfe eines Betätigungszuges
zur Verfügung gestellt. Diese mittels des Betätigungszuges übertragbaren
Translationsbewegungen werden mit Hilfe der an die Abgaseinrichtung 10 angrenzenden
Kopplungseinrichtung 16 in eine auf die Welle 12 einwirkende
Rotationsbewegung übertragen.
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Die
Kopplungseinrichtung 16 weist eine im Wesentlichen zylindrische
Geometrie auf und einen in Axialrichtung zur Welle 12 verschiebbaren
hülsenartig ausgebildeten Schieber 20 auf. Dieser
ist innerhalb des Gehäuses der Kopplungseinrichtung 16 drehfest
gelagert und ist an der, der Abgaseinrichtung 10 abgewandten
Seite, sozusagen antriebsseitig, an einen an das Gehäuse
der Kopplungseinrichtung 16 angreifenden Betätigungszug
gekoppelt.
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Der
Außenzug 19 des Betätigungszuges ist hierbei
am Gehäuse der Kopplungseinrichtung 16 angelenkt,
während das als Innenzug fungierende Zug-Druckkabel 18 des
Betätigungszugs mit einer Zug-Druckstange 22 verbunden,
insbesondere verpresst ist. Innerhalb der Kopplungseinrichtung 16 ist diese
Zug-Druckstange 22 mit dem Schieber 20 verbunden.
Eine vom Betätigungszug übertragbare Zug- oder
Druckkraft kann somit in eine translatorische Axialbewegung des
Schiebers innerhalb des Gehäuses der Kopplungseinrichtung 16 übertragen
werden.
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Zur
drehsicheren Lagerung des Schiebers 20 ist am Schieber
eine in Axialrichtung verlaufende Längsnut oder Kulisse 26 vorgesehen,
die mit einem innenseitig am Gehäuse der Kopplungseinrichtung 16 angeordneten
Steg oder Stift 30 in Eingriff steht. Alternativ kann natürlich
auch die Innenwandung des Gehäuses der Kopplungseinrichtung 16 eine
der Längsnut 26 entsprechende Ausnehmung oder
Vertiefung aufweisen, in welcher ein am Schieber 20 sich radial
nach außen erstreckender Stift oder Steg gelagert oder
gehalten ist. Es können hierbei auch mehrere in Umfangsrichtung
oder Axialrichtung zueinander versetzt vorgesehene Paare von drehsichernden Führungen
vorgesehen sein.
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Der
Schieber 20, welcher als eine zur Welle 12 offene
Hülse ausgebildet ist, weist zumindest eine schräg
zur Axialrichtung verlaufende Führung 24 auf, in
welche ein an der Klappenwelle 12 angeordneter Stift 28 eingreift.
Wird der Schieber nun infolge einer an die Kopplungseinrichtung 16 übertragenen
Zug- oder Druckbeanspruchung axial verschoben, erfährt der
in der Führung 24 gehaltene Stift 28 aufgrund
der schraubenartigen Ausgestaltung der Führung 24 eine
in Radialrichtung wirkende Kraftkomponente, der zu Folge die Klappenwelle 12 in
Rotation versetzt wird.
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Eine
entgegengesetzte Rotation der Welle kann durch bloße Richtungsumkehr
der mittels des Betätigungszugs übertragbaren Translationsbewegung
in besonders einfacher Art und Weise initiiert werden.
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- 10
- Abgaseinrichtung
- 12
- Welle
- 14
- Klappe
- 16
- Gehäuse
- 18
- Zug-Druckkabel
- 19
- Außenzug
- 20
- Schieber
- 22
- Zug-Druckstange
- 24
- Schraubenförmige
Führung
- 26
- Längsführung
- 28
- Stift
- 30
- Stift
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004061381
A1 [0004]
- - DE 102005033601 A1 [0007]