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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stellvorrichtung zum bidirektionalen betätigen eines Stellglieds, insbesondere in einem Kraftfahrzeug. Die Erfindung betrifft außerdem eine Verwendung einer solchen Stellvorrichtung. Ferner betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, die mit einer solchen Stellvorrichtung ausgestattet ist.
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Stellvorrichtungen dieser Art können beispielsweise bei Brennkraftmaschinen, insbesondere in Kraftfahrzeugen, zur Anwendung kommen. Sie finden dort Verwendung z. B. zum Betätigen eines Wastegates einer Turbine eines Abgasturboladers oder zum Betätigen einer variablen Geometrie eines Abgasturboladers. Ferner können sie auch zum Betätigen eines Abgasventils oder eines Abgasrückführventils oder eines Frischluftventils oder einer sonstigen, insbesondere frischluftseitigen oder abgasseitigen, Klappenanordnung verwendet werden.
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Typischerweise umfasst eine derartige Stellvorrichtung einen Stellantrieb sowie eine Kopplungseinrichtung, die antriebsseitig mit dem Stellantrieb zur Durchführung bidirektionaler Stellbewegungen gekoppelt ist und abtriebsseitig zur Kopplung mit dem bidirektional zu betätigenden Stellglied ausgestaltet ist. Der Begriff „bidirektional” umfasst dabei sowohl Linearbewegungen als auch Drehbewegungen, jeweils in beiden Richtungen, insbesondere um das jeweilige Stellglied zwischen zwei Endstellungen verstellen zu können. Zweckmäßig kann hierzu die Kopplungseinrichtung antriebsseitig ein Antriebselement ausweisen, das mit dem Stellantrieb gekoppelt ist, während sie abtriebsseitig ein Abtriebselement aufweist, das mit dem Stellglied koppelbar ist und das über ein Gelenk mit dem Antriebselement gekoppelt ist, um in einer Längsachse Zug- und Druckkräften übertragen zu können. Durch diese gelenkige Verbindung zwischen Antriebselement und Abtriebselement können toleranzbedingte Lageabweichungen zwischen den linearen Stellbewegung des Stellantriebs und der linearen Stellbewegung des Stellglieds ausgeglichen werden. Beispielsweise kann ein derartiges Gelenk als Kugelkopfgelenk ausgestaltet sein, das einen am Abtriebselement ausgebildeten Kugelkopf aufweist, der in einer am Antriebselement ausgebildeten Kugelkopflagerung in beliebiger Richtung drehbar gelagert ist.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Stellvorrichtung der eingangs genannten Art beziehungsweise für eine damit ausgestattete Brennkraftmaschine beziehungsweise für eine zugehörige Verwendung eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine preiswerte Herstellbarkeit und/oder durch einen verbesserten Toleranzausgleich auszeichnen.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, das Gelenk so auszugestalten, dass es zwei Bewegungsfreiheitsgrade ausweist, nämlich einen ersten Bewegungsfreiheitsgrad, der zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement Schwenkbewegungen um eine im Gelenk quer zur Längsachse verlaufende Querachse ermöglicht, und einen zweiten Bewegungsfreiheitsgrad, der zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement im Gelenk Linearbewegungen parallel zur Querachse ermöglicht. Durch die Schwenkbarkeit des Gelenks kann das Abtriebselement einer vorgegebenen Kinematik des Stellglieds folgen. Durch die lineare Verschiebbarkeit lässt sich ein toleranzbedingter Versatz zwischen der optimalen Ausrichtung des Abtriebselements und der durch die Montage der Stellvorrichtung vorgegebenen Ausrichtung des Antriebselements ausgleichen.
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Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform kann das Gelenk als Zylinderkopfgelenk ausgestaltet sein, dessen Zylinderlängsachse quer zur Längsachse bzw. parallel zur Querachse orientiert ist. Ein derartiges Zylinderkopfgelenk lässt sich besonders preiswert realisieren.
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Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung kann das Zylinderkopfgelenk einen am Abtriebselement oder am Antriebselement ausgebildeten Zylinderkopf aufweisen, der in einem am Antriebselement oder am Abtriebselement ausgebildeten Zylinderlager um die Querachse verschwenkbar und in der Querachse verschiebbar gelagert ist. Auf diese Weise lassen sich die beiden Bewegungsfreiheitsgrade konstruktiv einfach realisieren.
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Das Antriebselement kann bei einer besonders preiswerten Weiterbildung zwei Halbschalen aufweisen, die jeweils eine Lagerhalbschale umfassen, die zusammen das Zylinderlager bilden.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform kann das Antriebselement eine zylindrische Außenkontur aufweisen und in einer Lagerbuchse in der Längsachse des Antriebselements bidirektional verstellbar und um die Längsachse des Antriebselements drehbar gelagert sein. Durch die Drehbarkeit des Antriebselements um seine Längsachse wird die Kopplung zwischen Stellantrieb und Stellglied mit einem weiteren Freiheitsgrad ausgestattet, wodurch es vereinfacht wird, Toleranzen auszugleichen.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine teilweise geschnittene, perspektivische Ansicht einer Stellvorrichtung,
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2 eine perspektivische Schnittansicht der Stellvorrichtung im Bereich einer Kopplungseinrichtung,
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3 eine perspektivische Ansicht der Stellvorrichtung im Bereich der Kopplungseinrichtung in auseinandergezogener Darstellung.
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Entsprechend 1 kann ein nur im Bereich einer Stellvorrichtung 1 dargestelltes Kraftfahrzeug 2 ein Stellglied 3 aufweisen. Das Stellglied 3 kann beispielsweise ein Bestandteil eines, im Übrigen nicht dargestellten, Wastegates 4 einer Turbine eines Abgasturboladers sein. Beispielsweise ist das Stellglied 3 als Ventilklappe ausgestaltet, um einen die Turbine umgehenden Bypass, nämlich das Wastegate, zu steuern. Ebenso kann es sich beim Stellglied 3 um ein Abgasventil oder um ein Frischluftventil oder um ein Abgasrückführventil handeln. Generell sind als Stellglied 3 auch andere Klappenanordnungen denkbar, die insbesondere frischluftseitig angeordnet sein können. Bei einer anderen Ausführungsform kann das Stellglied 3 auch einen Bestandteil einer variablen Geometrie eines Abgasturboladers der Brennkraftmaschine 2 bilden. Beispielsweise lassen sich über die Betätigung des Stellglieds 3 Leitschaufeln am Einlass einer Turbine oder am Auslass eines Verdichters hinsichtlich ihres Anstellwinkels einstellen.
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Die Stellvorrichtung 1 dient also zum Betätigen des Stellglieds 3, wobei die Stellvorrichtung 1 zum Durchführen bidirektionaler Betätigungsvorgänge ausgestaltet ist. Im Beispiel ist das Stellglied 3 um eine Rotationsachse drehbar angeordnet. Die bidirektionale Betätigung des Stellglieds 3 bewirkt somit Drehbewegungen entsprechend eines Drehbewegungspfeils 6 in entgegengesetzten Drehrichtungen. Ebenso sind auch lineare Verstellbewegungen für ein entsprechendes anderes Stellglied 3 denkbar.
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Die Stellvorrichtung 3 umfasst einen Stellantrieb 7, der im Beispiel einen Antriebsmotor 8 und ein Getriebe 9 umfasst. Der Antriebsmotor 8 ist bevorzugt als Elektromotor ausgestaltet. Grundsätzlich kann es sich auch um einen Hydraulikmotor oder um einen Pneumatikmotor handeln.
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Die Stellvorrichtung 1 weist außerdem eine Kopplungseinrichtung 10 auf. Diese ist antriebsseitig mit dem Stellantrieb 7 zur Durchführung bidirektionaler Stellbewegungen gekoppelt. Abtriebsseitig ist die Kopplungseinrichtung 10 zur Kopplung mit dem bidirektional zu betätigenden Stellglied 3 ausgestaltet. Hierzu weist die Kopplungseinrichtung 10 antriebsseitig ein Antriebselement 11 und abtriebsseitig ein Abtriebselement 12 auf. Das Antriebselement 11 ist mit dem Stellantrieb 7 gekoppelt. Im Beispiel ist das Antriebselement 11 direkt mit dem Getriebe 9 gekoppelt und über das Getriebe 9 mit dem Antriebsmotor 8 indirekt gekoppelt. Der Antriebsmotor 8 erzeugt eine Drehbewegung 13, die er über eine Ausgangswelle 14 in das Getriebe 9 einleitet. Das Getriebe 9 ist so ausgestaltet, dass es eine eingehende Drehbewegung in eine Linearbewegung 16 umwandelt. Dementsprechend wird die vom Antriebsmotor 8 erzeugte bidirektionale Drehbewegung 13 an einem ausgangsseitigem Abtriebsglied 15 des Getriebes 9 in eine bidirektionale Linearbewegung 16 transformiert. Diese wird vom Abtriebsglied 15 auf das Antriebselement 11 übertragen und von diesem über ein Gelenk 17 auf das Abtriebselement 12 übertragen. Die bidirektionale Linearverstellung des Abtriebsglieds 12 ist dabei mit 17 bezeichnet.
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Das Abtriebselement 12 ist im gezeigten montierten Zustand mit dem Stellglied 3 gekoppelt. Im Beispiel ist das Abtriebselement 12 um eine Schwenkachse 18 gelenkig an einem Betätigungsarm 19 gelagert, der drehfest mit einer Betätigungswelle 20 verbunden ist, die um die zuvor genannte Rotationsachse 5 des Stellglieds 3 beweglich gelagert ist. Die Welle 20 ist außerdem über einen Kopplungsarm 21 mit dem Ventilkörper 22 des Stellglieds 3 verbunden. Letztlich wird die Linearbewegung 17 des Abtriebsglieds 12 über die hier gezeigte Kopplung in die Drehbewegung 6 des Stellglieds 3 transformiert.
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Das Abtriebselement 12 ist über das Gelenk 17 mit dem Antriebselement 11 zur Übertragung von Zugkräften sowie von Druckkräften gekoppelt, und zwar jeweils in einer Längsachse 23. Im Beispiel handelt es sich um die Längsachse 23 des Abtriebselements 12. Das Abtriebselement 12 ist beispielsweise stabförmig ausgestaltet und erstreckt sich in der Längsachse 23.
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Das Gelenk 17 ist so ausgestaltet, dass es zwischen dem Antriebselement 11 und dem Abtriebselement 12 einerseits in 3 angedeutete Schwenkbewegungen 24 und andererseits ebenfalls in 3 dargestellte Linearbewegungen 25 ermöglicht. Die Schwenkbewegungen 24 erfolgen dabei um eine im Gelenk 17 quer zur Längsachse 23 verlaufende Querachse 26, während die Linearbewegungen parallel zur Querachse 26 und koaxial zur Querachse 26 erfolgen. Dementsprechend liegt der die Linearbewegungen 25 repräsentierende Doppelpfeil in 3 auf der Querachse 26.
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Entsprechend den 1 bis 3 ist das Gelenk 17 entsprechend der hier vorgestellten, bevorzugten Ausführungsform als Zylinderkopfgelenk ausgestaltet, das im Folgenden ebenfalls mit 17 bezeichnet wird. Das Zylinderkopfgelenk 17 weist eine Zylinderlängsachse 27 auf, die mit der Querachse 26 zusammenfällt beziehungsweise koaxial zur Querachse 26 orientiert ist. Das Zylinderkopfgelenk 17 weist einen Zylinderkopf 28 und ein Zylinderlager 29 auf. Der Zylinderkopf 28 ist bei der hier gezeigten Ausführungsform am Abtriebselement 12 ausgebildet, während das Zylinderlager 29 am Antriebselement 11 ausgebildet ist. Denkbar ist auch eine umgekehrte Bauweise, bei welcher der Zylinderkopf 28 am Antriebselement 11 ausgebildet ist, während dann das Zylinderlager 29 am Abtriebselement 12 ausgebildet ist.
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Der Zylinderkopf 28 ist im Zylinderlager 29 um die Querachse 26 verschwenkbar und außerdem in der Querachse 26 verschiebbar gelagert, wodurch einerseits die Schwenkbewegungen 24 und andererseits die Linearbewegungen 25 ermöglicht werden.
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Im gezeigten bevorzugten Beispiel weist das Antriebselement 11 zwei Halbschalen 30, 31 auf, die zusammen das Antriebselement 11 bilden. Jede Halbschale 30, 31 weist eine Lagerhalbschale 32, 33 auf, die zusammen das Zylinderlager 29 bilden. Insoweit ist eine Teilungsebene, in der die beiden Halbschalen 30, 31 aneinander liegen, so gewählt, dass darin die Zylinderlängsachse 27 beziehungsweise die Schwenkachse 26 liegt. Bei koaxialer Ausrichtung von Antriebselement 11 und Abtriebselement 12 liegt in dieser Teilungsebene auch die Längsachse 23.
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Das Antriebselement 11 besitzt eine Durchgangsöffnung 3. Diese mündet in das Zylinderlager 29 ein und ist in der Längsrichtung 23 orientiert. Durch die Durchgangsöffnung 34 erstreckt sich das Abtriebselement 12 bis zum Zylinderkopf 28, der im Zylinderlager 29 gelagert ist. Die Durchgangsöffnung 34 ist dabei so dimensioniert, dass sie einerseits die Schwenkbewegungen 24 und andererseits die Verschiebebewegungen 25 zwischen Antriebselement 11 und Abtriebselement 12 zulässt. Insbesondere ist daher eine Öffnungsweite der Durchgangsöffnung 34 größer als ein Außenquerschnitt des Abtriebselements 12, in dem die Durchgangsöffnung 34 durchsetzenden Bereich. Bei der hier gezeigten Schalenbauweise des Antriebselements 11 ist die Durchgangsöffnung 34 hälftig an den beiden Schalen 30, 31 ausgeformt.
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Das Antriebselement 11 besitzt, insbesondere im montierten Zustand, eine zylindrische Außenkontur 35, die in einer zylindrischen Lagerbuchse 36 gelagert ist. Dabei ist das Antriebselement 11 einerseits in seiner Längsachse 37 bidirektional in der Lagerbuchse 36 verschiebbar gelagert. Andererseits ist das Antriebselement 11 um seine Längsachse 37 in der Lagerbuchse 36 drehbar gelagert. Eine entsprechende Drehverstellbarkeit ist in 3 durch einen Doppelpfeil angedeutet und mit 38 bezeichnet. Hierdurch erhält die Kopplungseinrichtung 10 im montierten Zustand einen zusätzlichen Bewegungsfreiheitsgrad, nämlich die Drehbarkeit 38 um die Längsachse 37 des Antriebselements 11.
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Um diese zusätzliche Drehbarkeit 38 der gesamten Kopplungseinrichtung 10 realisieren zu können, ist das Antriebselement 11 entsprechend drehbar mit dem Antriebsglied 15 des Stellantriebs 7 beziehungsweise des Getriebes 9 gekoppelt.
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Hierzu weist das Antriebselement 11 in seinem vom Abtriebselement 12 entfernten Ende ein Axiallager 39 auf. Insbesondere ist besagtes distales Ende als Axiallager 39 ausgestaltet. An diesem Axiallager 39 stützt sich das Antriebsglied 15 des Stellantriebs 7 beziehungsweise des Getriebes 9 in der Längsachse 37 des Antriebselements 11 ab, wobei es außerdem um die Längsachse 37 drehbar abgestützt ist. Beispielsweise umfasst das Axiallager 39 eine Ringstufe 40, die am Antriebselement 11 ausgeformt ist. Bei der hier vorgestellten Schalenbauweise besitzen die beiden Halbschalen 30, 31 jeweils eine halbe Ringstufe 40 und somit jeweils ein halbes Axiallager 39, sowie einen halben Lagerzapfen 41. Ferner umfasst das Axiallager 39 einen zentralen Lagerzapfen 41, der sich koaxial zur Längsachse 37 des Antriebselements 11 erstreckt.
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Entsprechend 1 umfasst die Stellvorrichtung 1 ein Gehäuse 42 zur Aufnahme des Stellantriebs 7. Dementsprechend nimmt das Gehäuse 42 den Antriebsmotor 8 und das Getriebe 9 auf. Außerdem nimmt das Gehäuse 42 die Kopplungseinrichtung 10 auf. Insbesondere weist das Gehäuse 42 einen an die Ausgangsseite des Getriebes 9 anschließenden Ausgangsbereich 43 auf, in dem das Antriebselement 11 bidirektional verstellbar angeordnet ist und der die Lagerbuchse 36 aufnimmt. Beispielsweise ist die Lagerbuchse 36 im Verstellabschnitt 43 des Gehäuses 42 über einen Bund 44 an einer entsprechenden Ringstufe 45 des Gehäuses 42 abgestützt. In diesem Verstellbereich 43 ist entsprechend 1 außerdem eine Rückstellfeder 46 untergebracht, die sich einerseits über den Bund 44 an der Lagerbuchse 36 und andererseits am Antriebsglied 15 des Stellantriebs 7 beziehungsweise des Getriebes 9 abstützt. Das bedeutet, dass die Rückstellfeder 46 nicht das Antriebselement 11 in eine Ausgangsstellung vorspannt, sondern das Antriebsglied 15. Bevorzugt wird daher für das Axiallager 39 eine Kopplung 47 die auch eine Zugkraftübertragung ermöglicht. Beispielsweise kann diese Kopplung 47 als Klipsverbindung ausgestaltet sein, die eine Drehung um die Längsachse 37 des Antriebselements 11 zulässt. Diese Klipsverbindung bzw. diese Kopplung 47 kann am Lagerzapfen 41 realisiert sein, wodurch Kopplung 47 und Axiallager 39 eine integrale Einheit bilden.
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Der Zylinderkopf 28 kann grundsätzlich separat vom Abtriebselement 12 hergestellt sein. Entsprechend kann der Zylinderkopf 28 auf geeignete Weise am Abtriebselement 12 montiert sein. Alternativ ist auch integrale Bauweise denkbar, bei welcher der Zylinderkopf 28 integral am Abtriebselement 12 ausgeformt ist.
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Für die Materialien, aus denen der Zylinderkopf 28 und das Zylinderlager 29 hergestellt sind, können reibungsoptimierte Materialpaarungen verwendet werden, die insbesondere unterschiedliche Abriebsfestigkeiten aufweisen. Denkbar sind beispielsweise folgende Materialpaarungen, wobei jeweils das erstgenannte Material der Lagerschale 29 zugeordnet ist, während das jeweils zweitgenannte Material dem Zylinderkopf 28 zugeordnet ist:
Edelstahl – Edelstahl mit Teflonbeschichtung,
Edelstahl – Messing oder Bronze,
Metall mit Gleitschicht – Metall mit oder ohne Gleitschicht,
Kunststoff mit Teflonfüllung – Kunststoff mit Teflonfüllung,
Metall – Kunststoff,
Kunststoff – Metall.
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Da das Zylinderlager 29 insbesondere integral am Antriebselement 11 ausgeformt ist, ergibt sich für das jeweilige Antriebselement 11 eine entsprechende Materialauswahl. Entsprechendes gilt dann auch für das Abtriebselement 12, sofern der Zylinderkopf 28 daran integral ausgeformt ist.
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Der Zylinderkopf 28 besitzt zwei voneinander abgewandte Stirnseiten 48, die entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform bezüglich der Längsachse 23 des Abtriebselements 12 nach außen konvex gekrümmt sein können.
