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Die Erfindung betrifft ein Klappenelement für ein Abgasrohr eines Kraftfahrzeugs.
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In manchen Abgasanlagen beziehungsweise Abgasrohren von Kraftfahrzeugen sind bewegliche Klappen angeordnet, um z. B. bestimmte Abschnitte der Abgasanlage ganz oder teilweise zu verschließen oder freizugeben oder den Strömungswiderstand für Abgas in einem Abgasrohr zu erhöhen oder die Schalldämpferakustik zu beeinflussen. Die Klappen werden z. B. während des Betriebs des Kraftfahrzeugs von einem Aktuator bedient.
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Der später die Abgasklappe aufweisende Abschnitt des Abgasrohres ist hierbei in der Regel durch ein Klappenelement vorkonfektioniert. Bei diesem ist die Abgasklappe in einem Klappenkörper beweglich gelagert; der Klappenkörper umgreift also die Abgasklappe. Der Klappenkörper ist hierbei z. B. ein zylinderförmiger Rohrabschnitt, der in das restliche Abgasrohr beziehungsweise die Abgasanlage eingeschweißt wird und somit im endmontierten Zustand einen Teil des Abgasrohres bildet.
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Der Aktuator ist z. B. ein Stellmotor, der auf einem Träger, z. B. einem Gehäuse, montiert ist. Der Aktuator mit seinem Träger ist ein voluminöses Bauteil. Für verschiedene Abgasanlagen beziehungsweise verschiedene Kraftfahrzeuge ist es daher von dessen zur Verfügung stehendem Bauraum abhängig, in welcher Montageposition, d. h. Relativposition der Aktuator beziehungsweise dessen Träger zum Klappenkörper anzubringen ist.
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Der Träger bildet in der Regel gleichzeitig ein Abschirmblech, welches im Betrieb des Kraftfahrzeugs den Aktuator z. B. vor der Abwärme des Abgasrohres oder gegenüber mechanischen Beschädigungen von der Fahrzeugunterseite her schützt.
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Bekannt sind Klappenelemente, bei denen der Träger mit dem Klappenkörper verschweißt, also durch Stoffschluss verbunden ist. Bei derartigen Klappenelementen wird daher vor der Fertigstellung der Abgasanlage der vorhandene Bauraum an dem Kraftfahrzeug ermittelt, an den das Klappenelement angebracht werden soll. Anhand dessen wird eine bestimmte Montageposition beziehungsweise Relativlage des Aktuators zum Klappenelement festgelegt. Der Träger wird dann in der ermittelten Montageposition durch Anschweißen am Klappenkörper fixiert. Der Klappenkörper wird in das Abgasrohr eingeschweißt. Abschließend wird der Aktuator auf dem Träger fixiert und damit die Abgasanlage hinsichtlich des Klappenelements fertiggestellt.
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Da in der Regel verschiedene Einbausituationen, d. h. Kraftfahrzeuge oder Abgasanlagen, unterschiedliche Relativstellungen von Aktuator bzw. Träger und Klappenkörper erfordern, entstehen viele individuelle Baugruppen. Aufgrund der Schweißungen kann der z. B. hinsichtlich der Schweißung hitzeempfindliche Aktuator selbst, beziehungsweise dessen elektronische Bauteile, erst nach Beendigung der Schweißvorgänge am Träger montiert werden. Außerdem würde ein vorab am Klappenkörper montierter Aktuator die Zugänglichkeit einer Schweißpistole beim Einschweißen des Klappenkörpers in das Abgasrohr erschweren oder unmöglich machen.
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Die Schweißvorgänge finden außerdem stets an einer bereits vorher geprüften Abgasklappe statt. Dennoch muss auch nach den beiden Schweißvorgängen nochmals eine Endprüfung bzw. -kontrolle der Klappe beziehungsweise von deren Funktion stattfinden.
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Das Anbringen des Aktuators am Träger stellt zum Einschweißen des Klappenelements in das Abgasrohr und das Anschweißen des Grundträgers am Klappenkörper einen zusätzlichen Fertigungsschritt dar.
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Aus der
US 7,401,592 B2 ist ein Klappenelement bekannt, bei dem Klappenkörper und Aktuator aneinandergefügt sind.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Klappenelement anzugeben.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Klappenelement gemäß Patentanspruch 1 für ein Abgasrohr eines Kraftfahrzeuges. Das Klappenelement, enthält einen in das Abgasrohr einzuschweißenden Klappenkörper. Der Klappenkörper umgreift eine in diesem beweglich gelagerte Abgasklappe. Das Klappenelement enthält einen die Abgasklappe antreibenden Aktuator, wobei dieser außerhalb des Klappenkörpers angeordnet ist.
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Erfindungsgemäß weisen Aktuator und Klappenkörper jeweils ein Verbindungselement einer Reibschluß- und/oder Formschlussverbindung auf. Die Verbindungselemente sind hierbei so gestaltet, dass diese in verschiedenen Relativpositionen zueinander fügbar sind. So werden durch unterschiedliche Fügung verschiedene Relativ- bzw. Montagepositionen von Aktuator und Klappenkörper ermöglicht. Mit anderen Worten ist erfindungsgemäß der Aktuator mit dem Klappenkörper mittels einer Reibschluß- und/oder Formschlussverbindung verbunden, wobei diese Verbindung verschiedene Relativpositionen von Aktuator und Klappenkörper ermöglicht.
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Die Erfindung beruht auf der Idee, die bisherige Stoffschluß- bzw. Schweißverbindung durch eine Reibschluß- und/oder Formschlussverbindung zu ersetzen. Dies hat neben der anderen Verbindungstechnik weitreichende Effekte: Durch die Erfindung wird die Möglichkeit geschaffen, den gesamten Montageprozess, in welchen das Klappenelement eingebunden ist, grundlegend umzustrukturieren. Dadurch, dass der Schweißvorgang zur Befestigung des Aktuators auf dem Klappenkörper entfällt, kann bei der jetzigen Fügung von Aktuator und Klappenkörper der Aktuator bereits vollständig montiert sein, das heißt auch schweißempfindliche, z. B. elektronische Bauteile enthalten. Die Notwendigkeit eines schweißbaren Grundträgers, der getrennt von den schweißempfindlichen Teilen des Aktuators handhabbar ist, entfällt.
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Dank der Erfindung ist es damit möglich, einen Klappenkörper zusammen mit der Abgasklappe vorzumontieren und zu prüfen. Durch das Einschweißen in das Abgasrohr sind keine Beeinträchtigungen der geprüften Funktion zu erwarten. Auch der Aktuator kann vor der Endmontage am Klappenkörper geprüft werden. Auch hier ist durch die Fügung an den Klappenkörper keine Beeinträchtigung der geprüften Funktion zu erwarten. Außerdem kann das gesamte Klappenelement schon vor der Endmontage im zusammengesetzten Zustand geprüft werden, da beide Baugruppen – Aktuator und Klappenkörper mit Klappe – an den Verbindungselementen in der Regel auch wieder zerstörungsfrei trennbar sind. Nach erfolgter Prüfung kann das Klappenelement also ohne Einschränkung der Prüfgültigkeit für die Endmontage des Klappenkörpers im Abgasrohr nochmals demontiert und erst bei der Endmontage wieder gefügt werden. Eine Abschlussprüfung ist dann nicht mehr notwendig.
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Insbesondere kann außerdem die erforderliche Relativposition zwischen Aktuator und Klappenkörper auch erst bei der Endmontage beider Teile gewählt werden bzw. erfolgen. Das erfindungsgemäße Klappenelement ist somit universell für eine Vielzahl von Einbausituationen einsetzbar. Für einzelne Einbausituationen müssen keine verschiedenen Klappenelemente mehr bevorratet werden.
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Für die erfindungsgemäße Reibschluß- und/oder Formschlussverbindung stehen eine Reihe von bekannten Varianten zur Verfügung, aus welchen der Fachmann auswählen kann. Natürlich kann auch nach wie vor ein Grundträger für den Aktuator vorgesehen werden, der dann anstelle des eigentlichen Aktuators das Verbindungselement aufweist. Der Aktuator kann dann in bekannter Weise auf dem Grundträger montiert, z. B. angeschraubt werden. Gemäß der Erfindung kann aber auch dies nun bereits vor der Endmontage des Aktuators bzw. Trägers am Klappenkörper erfolgen.
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Aktuator und Klappenkörper weisen je ein Rastelement auf. Die beiden Rastelemente rasten während der Verbindung von Aktuator und Klappenkörper ineinander ein und halten ab diesem Moment beide Teile unverlierbar zusammen. So kann z. B. bei einer Reibschluß- und/oder Formschlussverbindung, welche auch nach der Fügung noch eine Relativdrehung zwischen Grundträger und Klappenkörper erlaubt, diese Drehung im Sinne einer Feinjustage in der Einbausituation durchgeführt werden. Die beiden Teile können jedoch nicht mehr auseinander fallen, da sie über die Rastelemente aneinander gehalten sind. Die Rastelemente sind also stets so ausgestaltet, dass sie verschiedene der o. g. Montagepositionen erlauben.
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Entsprechende Rastelemente können z. B. einen Hinterschnitt aufweisen, der die Rastung bewirkt. Eines der Rastelemente ist hierbei in der Regel federnd ausgebildet, um die Fügung bzw. das Einrasten zu erlauben. Auch die Rastelemente können wieder lösbar sein, so dass das Klappenelement auch wieder zerlegt werden kann. Sind die Verbindungselemente z. B. so gefügt, dass die Teile um eine Drehachse zueinander verdrehbar sind, um verschiedene Montagepositionen zu ermöglichen, können die Rastelemente in Axialrichtung der Drehachse wirken. In einer bevorzugten Ausführungsform sind entsprechende Rastelemente an den Verbindungselementen angeordnet.
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Ein Rastelement kann z. B. durch einen etwas zurückgesetzten Kragen an einem Fügeteil, z. B. dem Aktuator, gebildet werden, der nach dem Fügen in axialer Richtung an einem Gegenstück am anderen Fügeteil, z. B. dem Klappenkörper, einrastet. Z. B. durch eine Klemmschelle, welche Kragen und Gegenstück umgreift, kann ein erneutes Ausrasten verhindert werden, so dass ein axiales Verrutschen bzw. Lösen der Fügeteile verhindert ist. Die Rastelemente können mit den Verbindungselementen zusammenfallen bzw. in diese integriert sein, aber auch eigenständige Elemente sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Aktuator ein Abschirmteil auf. Im Gegensatz zur bekannten Lösung kann nun das Abschirmteil, z. B. ein bisher übliches Abschirmblech, integral mit dem Aktuator ausgeführt sein, z. B. fest in dessen Gehäuse integriert sein oder dessen Gehäuse bilden. Da ein z. B. mechanisch festes und hitzebeständiges Abschirmteil in der Regel ohnehin für den Aktuator notwendig ist, kann dieses aber auch wie bisher als Träger ausgestaltet sein, da dieses in der Regel metallisch ist und eine hohe Festigkeit aufweist. So kann das Verbindungselement des Aktuators in besonders vorteilhafter Weise am Abschirmteil, z. B. in Form eines Trägers angeordnet, z. B. angeformt sein.
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In einer weiteren Ausführungsform enthält das Klappenelement ein Fixiermittel, welches die Reibschluß- und/oder Formschlussverbindungen in einer der Montagepositionen arretiert. Insbesondere im Zusammenhang mit den oben genannten Rastelementen ist so eine einfache Verdrehung zwischen Grundträger und Klappenkörper zwischen verschiedenen Montagepositionen möglich, wobei z. B. insbesondere eine Reibschlussverbindung diese Drehung erlaubt, wenn die Reibkraft hinreichend klein ist. Ist die gewünschte Montageposition dann erreicht, wird mit Hilfe des Fixiermittels die Reibschlussverbindung arretiert. Geeignete Fixiermittel sind z. B. im Bereich der Verbindungselemente anzubringende Fixierstifte oder eine Klemmschelle, welche die Verbindungselemente umgreift und aneinander presst, um die Reibkraft zu erhöhen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen Aktuator und Klappenkörper eine im gefügten Zustand ineinandergreifende Rasterpassung auf, welche mindestens zwei verschiedene Montagepositionen erlaubt. Über die Rasterpassung ist also die Anzahl möglicher Relativpositionen von Klappenkörper und Grundträger begrenzt. Die möglichen Relativpositionen sind z. B. für eine bestimmte Anzahl von Fahrzeugherstellern vorkonfigurierte relative Montagepositionen von Grundträger und Klappenkörper, wobei der jeweilige Fahrzeughersteller nur die für ihn richtige Montageposition durch entsprechend richtige Relativstellung der entsprechenden Rasterpassung wählt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Verbindungselement des Klappenkörpers, das heißt die Kontaktstelle zum Aktuator nicht direkt am z. B. abgasrohrförmigen Teil des Klappenkörpers, sondern an einem an diesem befestigten Halter angeordnet. So wird das Problem umgangen, eine in der Regel verdrehbare Reibschluß- und/oder Formschlussverbindung an dem in der Regel zylinderförmigen Klapenkörper konstruieren zu müssen. Der Klappenkörper kann weiterhin z. B. als Abgasrohrabschnitt zylinderförmig ausgeführt sein und der Halter an diesem z. B. angeschweißt sein, um eine beispielsweise ebene Ausgangsfläche für die Anordnung des Verbindungselements zu schaffen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Abgasklappe eine im Betrieb vom Aktuator betätigte Antriebswelle auf, die von einem ersten Kragen des Klappenkörpers beziehungsweise des oben genannten Halters umfasst ist. Der Kragen bildet das Verbindungselement. Der Aktuator weist dann als Verbindungselement ebenfalls einen mit dem ersten Kragen im Sinne der Reibschluß- und/oder Formschlussverbindung zusammenwirkenden zweiten Kragen auf. Besonders günstig ist hier. eine Lösung, bei welcher sich die beiden Kragen z. B. konzentrisch in der Montageposition umschließen. Ein derartiger konzentrisch innenliegender Kragen wird auch als Halterbord bezeichnet.
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Für eine weitere Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen. Es zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:
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1 ein erfindungsgemäßes Klappenelement im Überblick,
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2 ein alternatives Klappenelement im vormontierten Zustand,
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3 das Klappenelement aus 2 im endmontierten Zustand.
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4 ein alternatives Klappenelement im Querschnitt,
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5 das Klappenelement aus 4 nach Fixierung des Aktuators in Blickrichtung V.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Klappenelement 2, welches aus zwei Baugruppen 8a, b aufgebaut ist: Ein Klappenkörper 4 enthält eine bewegliche Abgasklappe 6 und stellt zusammen mit dieser eine erste Baugruppe 8a dar. Ein Motor 9 dient zum Antrieb, das heißt zur Bewegung der Abgasklappe 6 im Klappenkörper 4 und stellt einen ersten Teil einer zweiten Baugruppe 8b dar. Ein Abschirmteil 12 bildet den zweiten Teil der Baugruppe 8b. Die Baugruppe 8b bildet einen Aktuator 10. Das Abschirmteil 12 dient der mechanischen Verbindung von Klappenkörper 4 und Aktuator 10. Der Motor 9 wird bei der nachfolgenden Montage über Schrauben 14 mit dem Abschirmteil 12 als Grundträger verschraubt. Das Abschirmteil 12 trägt ein erstes Verbindungselement 15a. Der Klappenkörper 4 trägt ein zweites Verbindungselement 15b. Beide Verbindungselemente 15a, b bilden eine Reibschlussverbindung 16, um so die Baugruppen 8a, b bzw. den Aktuator 10 mit dem Klappenkörper 4 zu verbinden. Das Verbindungselement 15b bzw. die Reibschlussverbindung 16 ist nicht direkt am Klappenkörper 4, sondern an einem an diesem angeschweißten Halter 5 angeordnet.
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Der Klappenkörper 4 wird beim späteren Einbau in ein nicht dargestelltes Kraftfahrzeug über einen Schweißbund 20 in das Abgasrohr 22 des Fahrzeugs eingeschweißt (1 gestrichelt dargestellt).
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Die Abgasklappe 6 ist um eine Drehachse 24 drehbar im Klappenkörper 4 gelagert, wobei entlang der Drehachse 24 auch eine die Abgasklappe 6 betätigende Welle 26 aus dem Klappenkörper 4 hervorsteht. An der Antriebswelle 26 wiederum greift eine Abtriebswelle 28 des Aktuators 10 an, welche im Betrieb die motorische Verstellung der Abgasklappe 6 um die Drehachse 24 bewirkt. Die Antriebswelle 26 ist hier als Antriebskrone mit stirnseitigen Eingriffsnuten ausgebildet. In letztere greift die in Umfangsrichtung der Drehachse 24 federnd, d. h. als Torsionsfeder ausgebildete Abtriebswelle 28 ein. So entsteht ein gewisses Federspiel zwischen Motor 9 und Abgasklappe 6. Näher soll hier nicht auf diese Konstruktion eingegangen werden.
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Die Reibschlussverbindung 16 wird erreicht, indem die Baugruppen 8a, b in einer Fügerichtung 27 zusammengebracht werden. Das Verbindungselement 15a umgreift dann das Verbindungselement 15b unter Reibschluss, so dass die Reibschlussverbindung 16 entsteht. Diese Reibschlussverbindung 16 ersetzt die an der entsprechenden Stelle gemäß Stand der Technik an etwa dieser Stelle durchgeführte Schweißverbindung zwischen Klappenkörper 4 und Abschirmteil 12. Letzteres besitzt dann die Funktion eines Grundträgers.
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Gemäß Stand der Technik (nicht dargestellt) war es daher notwendig, zunächst die Schweißverbindung zwischen Abschirmteil 12 und Klappenkörper 4 herzustellen, ohne bereits den Motor 9 zu montieren, da dieser beispielsweise temperaturempfindliche elektrische Bauteile enthält, welche einem Schweißvorgang nicht standhalten würden. Erst nach erfolgter Schweißung konnte der Motor 9 über die Schrauben 14 am Abschirmteil 12 und damit am Klappenkörper 4 befestigt werden.
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2 zeigt das Klappenelement 2 aus 1 in einer alternativen Ausführungsform, in welcher die Reibschlussverbindung 16 durch eine Formschlussverbindung 18 ersetzt ist. Die Formschlussverbindung 18 ist in 2 realisiert durch eine am Verbindungselement 15a angeformte Verzahnung 30, welche in eine am Verbindungselement 15b angeformte Gegenzahnung 32 eingreift. Der Eingriff bewirkt ein Rasterpassung 33 und damit, dass das Abschirmteil 12 und der Klappenkörper 4 in verschiedenen Relativlagen, also Montagepositionen M1,2,... zueinander montiert werden können.
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Die Relativlagen unterscheiden sich durch verschiedene Drehwinkel um die Drehachse 24, in welchen die Baugruppen 8a, b zueinander stehen. In 2 besitzen Verzahnung 30 und Gegenzahnung 32, also die Rasterung sechsunddreißig Zähne bzw. Nuten, so dass die Baugruppen 8a, b in jeweiligen 10°-Schritten verdreht werden können. Gezeigt ist in 2 beispielsweise die Montageposition M1 des Aktuators 10 und gestrichelt angedeutet dessen hierzu um 50° um die Drehachse 24 rotierte Montageposition M2.
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2 zeigt eine Vormontageposition, bei welcher die Baugruppe 8b bereits zum Aktuator 10 komplettiert ist, nämlich der Motor 9 mit den Schrauben 34 in aufgeschweißten Muttern fest auf dem Abschirmteil 12 fixiert ist. Sowohl die Baugruppen 8a als auch 8b können so jeweils für sich bereits vor der Endmontage geprüft werden.
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3 zeigt das Klappenelement 2 aus 2 nach erfolgter Endmontage, wenn also die Verzahnung 30 in der gewünschten Montageposition M1 in die Gegenzahnung 32 eingeführt ist und so die Formschlussverbindung 18 hergestellt ist, die eine Fixierung in Umfangsrichtung der Drehachse 24 bewirkt. Durch ein Fixiermittel 36 in Form einer Klemmschelle bzw. eines Clips werden außerdem die Baugruppen 8a, b in axialer Richtung der Drehachse 24 aneinander gehalten. Hierzu dient z. B. ein weiter unten erläuterter rastender Hinterschnitt.
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Die in 1 und 2 gezeigten Formschluß- und Reibschlussverbindungen 18,16 bilden getrennte Lösungen, um beide Baugruppen 8a, b zu verbinden. Sie können jeweils einzeln, aber auch in Verbindung benutzt werden. So könnte z. B. in 1 alternativ das Verbindungselement 15a zusätzlich mit zwei gestrichelt gezeichneten radial einwärtigen Vorsprüngen 17a ausgerüstet sein, die in die beiden Ausschnitte 17b des Verbindungselements 17b eingreifen. Hier wäre eine Rasterpassung mit zwei möglichen, um 180° versetzten Drehstellungen zwischen den Baugruppen 8a, b realisiert.
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4 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Klappenelements 2 im Schnitt. Hier ist der Einfachheit halber der bereits auf dem Abschirmteil 12 montierte Motor 9 nur gestrichelt angedeutet. Die Ausführungsform gemäß 4 weist wiederum keine Formschlussverbindung 18 sonder nur eine Reibschlussverbindung 16 auf, welche wie folgt gestaltet ist:
Ein Abschnitt des Halters 5 ist als Halterbord 38 kragenförmig bzw. im Wesentlichen zylinderförmig gestaltet, so dass dieser das Verbindungselement 15b bildet. Die Antriebswelle 26 ist von diesem konzentrisch umgriffen. Am Abschirmteil 12 bzw. dem Aktuator 10 ist ein den Halterbord 38 passgenau umfassendes Verbindungselement 15a als Kragen 40, ebenfalls zylindrisch, angebracht. Sowohl der Halterbord 38 als auch der Kragen 40 weisen beide einen Hinterschnitt 42 auf, und bilden damit gleichzeitig je ein Rastelement 43 aus. In der gezeigten Endmontageposition hintergreifen sich die Rastelement 43 derart, dass in Axialrichtung der Drehachse 24 der Aktuator 10 und der Klappenkörper 4 unverlierbar aneinander gehalten sind. Um dabei das vorausgehende Fügen in Fügerichtung 27, also das Zusammenfügen der Baugruppen 8a, b in Richtung der Drehachse 24 bewerkstelligen zu können, sind im Kragen 40 nicht dargestellte elastische Dehnschlitze vorhanden. So kann dieser über den Halterbord 38 beziehungsweise dessen Hinterschnitt 42 gleiten und in der in 4 gezeigten Position verrasten.
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Die Reibschlussverbindung 16 zwischen Kragen 40 und Halterbord 38 ist in 4 noch nicht fixiert, d. h. die Reibkraft zwischen den Verbindungselementen 15a, b kann händisch überwunden werden. Daher kann in 4 eine gewünschte Montageposition durch eine relative Verdrehung zwischen Klappenkörper 4 und Abschirmteil 12 um die Drehachse 24 gewählt werden.
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5 zeigt die Anordnung aus 4 in Richtung der Blickrichtung des Pfeils V. Hier ist der Kragen 40 zusätzlich von einer festgeschraubten Klemmschelle als Fixiermittel 36 umgeben, wodurch eine Anpressung des Kragens 40 an den Halterbord 38 erfolgt. Die Reibschlussverbindung 16 wird so in der gezeigten Montageposition M1 fixiert.
