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Bereich der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für Klappenventilanordnungen sowie die auf diese Art und Weise hergestellten Anordnungen für die Luftansaugkrümmer von Verbrennungsmotoren.
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Die Erfindung betrifft allgemein Verbesserungen bei Verbrennungsmotoren und insbesondere bei Klappenventilanordnungen zur Regulierung des Luftdurchsatzes im Luftzufuhrsystem eines Verbrennungsmotors.
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Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Herstellungsverfahren für eine Klappenventilanordnung für einen Luftansaugkrümmer eines Verbrennungsmotors.
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Die Erfindung betrifft ebenfalls eine auf diese Art und Weise hergestellte Klappenventilanordnung für einen Luftansaugkrümmer. Eine derartige bekannte Anordnung beinhaltet eine Welle, wobei auf der Welle mindestens eine Klappe angeformt und auf dieser gegen die Drehung fixiert ist, sowie mindestens ein auf der Welle angeformtes Lager zur Aufrechterhaltung der Drehung der Welle. Das Lager ist auf der Welle von der Klappe getrennt.
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Stand der Technik
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Die Klappenventilanordnungen haben üblicherweise eine Welle aus Metall, auf der die Klappen entweder durch Schweißen oder Vernieten angebracht sind, um drehfest mit der Achse verbunden zu sein. Außerdem beinhaltet die Anordnung typischerweise Lager, um ihre Drehung aufrechtzuerhalten. Für die Herstellung der Klappenventilanordnung können die Lager auf die Welle geschoben werden, bevor die Klappen auf der Welle befestigt werden.
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So beschreibt das Dokument
US 2003/0009881 A1 ein Herstellungsverfahren für eine Klappenventilanordnung. Bei dieser Anordnung werden die Ventile durch Anformen auf der Welle hergestellt. Gemäß diesem bekannten Verfahren wird mindestens ein Lager auf der Welle angebracht, wobei dieses Lager einen geschlossenen Durchgang hat, in dem die Welle aufgenommen wird, dann wird die Welle mit dem Lager in die Spritzform eingelegt, um die Klappen auf der Welle anzuformen, so dass das Lager sich zwischen zwei angeformten Klappen befindet. Die angeformten Klappen verhindern, dass das Lager sich von der Welle löst.
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Das Dokument
US 200910084335 A1 beschreibt einen Luftansaugkrümmer mit einer Klappensystem bestehend aus einer Welle, aus Lagern in Form von Buchsen und aus Klappenventilen. Während der Montage des Klappensystems werden diese drei Bauteile am Gehäuse des Luftansaugkrümmers angefügt.
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Die beiden Dokumente
US 2006/0278268 A1 und
US 2008/0128038 A1 betreffen eine Klappenventilanordnung und deren Herstellungsverfahren. Das Herstellungsverfahren für eine Klappenventilanordnung besteht darin, mindestens eine Klappe und mindestens einen Lagerabschnitt als eine einheitliche Struktur auf der Welle anzuformen. Dann werden Lagerabschnitt und Klappe getrennt, damit sich der Lagerabschnitt unabhängig von der Klappe auf der Welle drehen kann. Diese Dokumente beschreiben ebenfalls eine Klappenventilanordnung für einen Luftansaugkrümmer eines Verbrennungsmotors. Die beschriebene Anordnung umfasst eine Welle mit mindestens einer auf der Welle angeformten und gegen die Drehung fixierten Klappe sowie mindestens ein Lager zum Abstützen der sich drehenden Welle. Das Lager wird von der Klappe und von der Welle getrennt angeformt. Um eine Klappenventilanordnung von einer einheitlichen Struktur zu erhalten, ist eine Trennphase erforderlich, typischerweise eine Schneidephase, um so einen Teil der angeformten Masse zwischen dem Lager und der Klappe zu entfernen, wodurch sich die Fertigungszeit und demzufolge die Fertigungskosten erhöhen.
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Ziel der Erfindung
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile von bereits bekannten Lösungen zu beheben und ein Herstellungsverfahren für eine Klappenventilanordnung für einen Luftansaugkrümmer eines Verbrennungsmotors sowie eine derartige Anordnung und den mit dieser Anordnung ausgestatteten Krümmer zu entwickeln.
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Offenlegung und Vorteile der Erfindung
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Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung ein Verfahren wie unten beschrieben, das dadurch gekennzeichnet ist, dass mindestens eine Klappe und mindestens ein Lager auf der Welle angeformt werden, wobei die Klappe und das Lager als zwei getrennte Strukturen auf der Welle angeformt werden.
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Durch das Abformen der Klappen und der Lager auf der Welle ist es nicht erforderlich, zwei getrennte Strukturen vorzusehen, was die Fertigungskosten der Anordnung reduziert.
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Gemäß eines Merkmals des Verfahrens wird das Lager auf der Welle angeformt, indem es gegen die Drehung relativ zur Welle in Anformposition fixiert wird. Nach dem Anformen oder dem Einspritzen der Lager in Anformposition werden die Lager auf der Welle (Metallwelle) durch Schrumpfen des Kunststoffmaterials befestigt. Die Lager bleiben in ihrer Anformposition. Somit ist die Klappenventilanordnung leichter zu handhaben, was wiederum die Montage der Anordnung am Luftansaugkrümmer vereinfacht.
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Gemäß eines weiteren Merkmals werden zum Einbau der Klappenventilanordnung in dem Luftansaugkrümmer der oder die Lager entlang der Welle von ihrer Anformposition bis zu ihrer funktionalen Position verschoben, in der das Lager die Drehung der Welle ermöglicht. Dadurch stützen die Lager die Welle. Typischerweise werden die Lager sofort vor oder nach dem Einbau der Klappenventilanordnung in dem Luftansaugkrümmer in ihre funktionale Position gebracht. Die Welle ist so ausgelegt, dass die Lager von ihrer Anformposition bis zu ihrer funktionalen Position entlang der Welle gleiten können, deren Durchmesser sich in Richtung der funktionalen Position verringert, so dass zwischen der Welle und dem Lager in der funktionalen Position ein Abstand entsteht, wodurch die relative freie Drehung des Lagers und der Welle ermöglicht wird. Die Welle muss ausreichend lang sein, um ein Gleiten der Lager zu ermöglichen. Wenn üblicherweise unter diesen Bedingungen die Klappenventilanordnung in einem Luftansaugkrümmer eingebaut wird, dann ist eine Klappe für jeden zweiten Luftdurchfluss vorgesehen.
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Typischerweise wird die Welle vor dem Anformen bearbeitet, um einen ersten Wellenabschnitt fertigzustellen, welcher der funktionalen Position entspricht, mit einem kreisförmigen Querschnitt, dessen Durchmesser kleiner als der Durchmesser eines zweiten Wellenabschnitts in einer zweiten Position der Welle ist. Der Durchmesser der Welle in der Anformposition definiert im Wesentlichen den Durchmesser des geschlossenen Durchlasses des Lagers, in dem die Welle gelagert ist, wodurch zwischen dem Lager und der Welle in der funktionalen Position ein Abstand entsteht, was es dem Lager ermöglicht, sich frei um die Welle zu drehen.
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Gemäß eines weiteren Merkmals hat ein dritter Wellenabschnitt, der sich zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt befindet, einen größeren Durchmesser als der erste Wellenabschnitt und typischerweise ist dieser Durchmesser kleiner als der Durchmesser des zweiten Wellenabschnitts in der Anformposition. Der dritte Wellenabschnitt befindet sich typischerweise an einer Stelle der Welle, die mindestens teilweise von dem Lager sowohl in ihrer funktionalen Position als auch in ihrer Anformposition bedeckt ist, wobei mittels des dritten Wellenabschnitts der Durchmesser der Welle zwischen dem zweiten Wellenabschnitt und dem ersten Wellenabschnitt schrittweise verringert wird, wodurch die Haftkraft durch das Schrumpfen des Lagers auf der Welle verringert wird.
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Gemäß eines weiteren Merkmals wird die Welle vor dem Anformen bearbeitet, um einen zweiten Wellenabschnitt fertigzustellen, der einen kreisförmigen, sich in Richtung der funktionalen Position verjüngenden Querschnitt hat, wobei der zweite Wellenabschnitt vorzugsweise eine konische Form hat. Der sich durchgehend verjüngende Durchmesser ermöglicht es, die durch das Schrumpfen der Lager auf der Welle entstandene Haftkraft zu verringern.
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Bei dem beschriebenen Herstellungsverfahren wird das Anformen mindestens einer Klappe und mindestens eines Lagers auf der Welle mittels Einspritzen mit der gleichen Spritzform realisiert. Anders ausgedrückt ist eine einzige Spritzform ausreichend, um die gesamte Klappenventilanordnung herzustellen. Typischerweise werden sowohl die Klappe als auch das Lager gleichzeitig angeformt, was durch gleichzeitiges Einspritzen von Kunststoffmaterial in die Spritzform zum Abformen der Welle für die Fertigung der Klappe(n) und der/des Lager(s) geschehen kann.
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Typischerweise wird die Klappe auf einen Abschnitt des nicht kreisförmigen Querschnittes der Welle angeformt, damit die Klappe drehfest mit der Welle verbunden ist. Der Abschnitt des nicht kreisförmigen Querschnittes der Welle kann eine oder mehrere Aussparungen und/oder mehrere Vorsprünge an seinem Umfang beinhalten, um so eine mechanische Verriegelung zum Befestigen der Klappe(n) für die Drehung auf der Welle herzustellen.
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Gemäß eines weiteren Merkmals betrifft die Erfindung ebenfalls eine Klappenventilanordnung, deren Lager sich in der Anformposition befindet, in der es gegen die Drehung der Welle fixiert ist. Wie oben bereits beschrieben, befinden sich die Lager wegen des Schrumpfens des Kunststoffmaterials nach dem Anformen in Anformposition drehfest mit der Achse verbunden, was den Transport der Klappenventilanordnung erleichtert und den Einbau dieser Anordnung in dem Luftansaugkrümmer vereinfacht.
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Typischerweise wird die Welle vor dem Anformen bearbeitet, um einen ersten Wellenabschnitt fertigzustellen, welcher der funktionalen Position entspricht, mit einem kreisförmigen Querschnitt, dessen Durchmesser kleiner als der Durchmesser eines zweiten Wellenabschnitts in einer zweiten Position der Welle ist. Der Durchmesser der Welle in der Anformposition definiert im Wesentlichen den Durchmesser des geschlossenen Durchlasses des Lagers, in dem die Welle gelagert ist, wodurch zwischen dem Lager und der Welle in der funktionalen Position ein Abstand entsteht, was es dem Lager ermöglicht, sich frei um die Welle zu drehen.
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Gemäß eines weiteren Merkmals hat der zweite Abschnitt an der Anformposition einen kreisförmigen, sich in Richtung der funktionalen Position durchgehend verjüngenden Querschnitt, wobei der zweite Wellenabschnitt vorzugsweise eine konische Form hat. Die konische Form ermöglicht eine durchgehende Verjüngung des Durchmessers der Welle, wodurch die Haftkraft wegen des Schrumpfens der Lager auf der Welle nach dem Einspritzen verringert wird.
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Gemäß eines weiteren Merkmals wird mindestens eine Klappe auf einem Wellenabschnitt mit nicht kreisförmigem Querschnitt angeordnet, so dass die Klappe drehfest mit der Welle verbunden ist. Die Welle hat typischerweise Aussparungen und/oder Vorsprünge, um so die Klappe und die Welle an der Einbaustelle der Klappe zu verriegeln.
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Gemäß eines weiteren Merkmals betrifft die Erfindung einen Luftansaugkrümmer mit einer Klappenventilanordnung wie oben beschrieben. Der Einbau der Klappenventilanordnung in den Luftansaugkrümmer wird vereinfacht, denn die Lager werden in Anformposition blockiert und wieder freigegeben, um kurz vor oder während des Einbaus in ihre funktionale Position gebracht zu werden.
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Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden detaillierter beschrieben und zwar mit Hilfe von Ausführungsbeispielen, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, in denen:
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die 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Klappenventilanordnung zeigt,
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die 2a, 2b einen Luftansaugkrümmer mit einer Klappenventilanordnung gemäß 1 zeigen, wobei die Klappen in 2a geschlossen und in 2b geöffnet sind,
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die 3 eine Welle der Klappenventilanordnung von 1 in einer Gesamtansicht zeigt,
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die 3a eine Detailansicht der Welle von 3 zeigt,
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die 4a–4d vier Fertigungsschritte für die Klappenventilanordnung von 1 zeigen,
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die 5a, 5b die Lager der Klappenventilanordnung in Anformposition (5a) und in funktionaler Position (5b) zeigen,
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die 6 eine Detailansicht einer Ausführungsform der Klappenventilanordnung mit einem konischen Vorsprung auf dem Wellenabschnitt zeigt.
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Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung
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Die 1 zeigt eine Klappenventilanordnung 1 mit einer Welle 2 in der Form einer Metallachse, mit vier auf der Welle 2 angeformten Klappen 3 fixiert gegen die Drehung relativ zur Welle 2, sowie sechs Lager 4, die auf der Welle 2 jeweils in einer funktionalen Position verteilt sind und sich nahe dem Ende der jeweiligen Klappe 3 befinden, wobei die Lager 4 sich frei relativ zur Welle 2 drehen, wenn sie sich in der funktionalen Position befinden.
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Die 2a, 2b zeigen die Klappenventilanordnung 1 von 1 in eingebautem Zustand zwischen einem oberen Gehäuseteil 5a und einem unteren Gehäuseteil 5b eines Luftansaugkrümmers 6. Der Luftansaugkrümmer 6 besteht aus einer Vielzahl von Lufteinlässen 7, die Lager 4 befinden sich zwischen den Lufteinlässen 7, um die Welle 2 der Klappenventilanordnung 1 zu stützen, damit sie sich in dem Gehäuse 5a, 5b drehen kann. Die Klappenventilanordnung 1 ist in dem Gehäuse 5a, 5b derart eingebaut, dass sich eine Klappe 3 nur in jedem zweiten Lufteinlass 7 befindet. Der Lufteinlasskrümmer 6 beinhaltet einen an einem Ende der Welle 2 angebrachten Drehantrieb 8 zum Drehen der Welle 2 in dem Gehäuse 5a, 5b zwischen einer geschlossenen Position, in der die Klappen 3 die Lufteinlässe 7 verschließen (siehe 2a) und einer geöffneten Position, in der die Klappen 3 sich praktisch senkrecht zur Öffnung der Lufteinlässe 7 befinden, um nicht den Luftstrom durch die Lufteinlässe 7 einzuschränken.
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Das Herstellungsverfahren für eine Klappenventilanordnung 1 gemäß 1 wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die 3, 3a und 4a–4d beschrieben.
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Während einer ersten Fertigungsphase wird die Welle 2 an den Abschnitten 9 bearbeitet, wo die Klappen 3 eingebaut werden, wobei durch die Bearbeitung Aussparungen in Form von ebenen Flächen am Außendurchmesser der Welle 2 entstehen. Die Welle 2 wird ebenfalls derart bearbeitet, dass drei Wellenabschnitte 10a–10c mit kreisförmigem Querschnitt und unterschiedlichem Durchmesser entstehen, und zwar ein erster Wellenabschnitt 10a neben dem nicht kreisförmigen Wellenabschnitt 9, ein zweiter, von dem nicht kreisförmigen Wellenabschnitt 9 entfernter Wellenabschnitt 10b und ein dritter Wellenabschnitt 10c, der sich zwischen dem ersten und dem zweiten Wellenabschnitt 10a, 10b befindet. Ausgehend von dem Wellenabschnitt 9 mit nicht kreisförmigem Querschnitt haben die Wellenabschnitte 10a, 10b, 10c einen zunehmenden Querschnitt; der Durchmesser D3 des dritten Wellenabschnitts 10c ist größer als der Durchmesser D1 des ersten Wellenabschnitts 10a; der Durchmesser D2 des zweiten Wellenabschnitts 10b ist größer als der Durchmesser D3 des dritten Wellenabschnitts 10c (D1 < D3 < D2).
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Die 4a, b zeigen die bearbeitete Welle 2 von 3, die zwischen einem oberen Teil und einem unteren Teil einer Spritzform 11 angeordnet ist. Das Kunststoffmaterial wird in die Aussparungen (nicht gezeigt) der Spritzform 11 eingespritzt, um die Welle 2 durch Einspritzen abzuformen und die Klappen 3 und Lager 4 zu bilden (siehe 4c).
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Während der Abkühlung befinden sich die Lager 4 in ihrer Anformposition M, die auf die Welle 2 durch das Schrumpfen des Kunststoffmaterials der Lager 4 angepresst werden. Die Lager sind so gegen die Drehung relativ zur Welle 2 fixiert. Auf die gleiche Art und Weise werden die Klappen 3 auf den nicht kreisförmigen Abschnitt 9 der Welle 2 angepresst, so dass sie ebenfalls gegen die Drehung fixiert werden. Die so geformte Klappenventilanordnung 1 wird aus der Spritzform 11 ausgeworfen und kann sowohl mit den Lagern 4 als auch mit den Klappen 3, beide drehfest verbunden, transportiert werden.
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Gemäß einer weiteren, in 4d gezeigten Phase werden die Lager 4 von ihrer Anformposition M auf der Welle 2 in ihre funktionale Position F zwischen den Klappen 3 verschoben. In ihrer funktionalen Position F können sich die Lager 4 frei auf der Welle drehen, wobei sie die Drehung der Welle 2 ermöglichen, wenn die Klappenventilanordnung 1 in dem Luftansaugkrümmer 6 eingebaut wird. Die Lager 4 können entweder vor oder während des Einbaus der Klappenventilanordnung 1 in den Luftansaugkrümmer 6 der 2a, 2b verschoben werden.
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Die Verschiebephasen der Lager 4 von ihrer Anformposition M in ihre funktionale Position F werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die 5a, 5b detaillierter erklärt. Wie in 5a gezeigt, bedecken die Lager 4 in Anformposition M den zweiten und dritten Wellenabschnitt 10b, 10c derart, dass der Durchmesser des verschlossenen Durchlasses, der in den Lagern 4 zum Halten der Welle 2 ausgebildet ist, jeweils den Durchmessern D2 und D3 der zweiten und dritten Wellenabschnitte 10b, 10c entspricht, und die Lager 4 werden auf der Welle 2 durch das Schrumpfen des Kunststoffmaterials nach dem Einspritzen befestigt.
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Wenn sich allerdings, wie in 5b gezeigt, das Lager 4 in der funktionalen Position F findet, bedeckt das Lager 4 nur den ersten Wellenabschnitt 10a und einen Teil des dritten Wellenabschnitts 10c. Da die Durchmesser D1 und D3 des ersten und dritten Wellenabschnitts 10a, 10b kleiner als die Durchmesser D3, D2 der jeweiligen Abschnitte des in dem Lager 4 während des Anformens gebildeten Durchlasses sind, wird ein Abstand 12 zwischen der Welle 2 und dem Lager 4 in funktionaler Position F gebildet, so dass das Lager 4 sich frei auf der Welle 2 drehen kann.
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Es bleibt festzuhalten, dass zum Verschieben der Lager 4 von ihrer Anformposition M in ihre funktionale Position F der Durchmesser der Welle 2 in Richtung funktionale Position F verkleinert werden muss. Allerdings ist es nicht unbedingt notwendig, den Durchmesser der Welle 2 schrittweise wie im obigen Beispiel zu verringern. Er kann sich auch kontinuierlich verringern, wie in 6 gezeigt, wo die Welle 2 einen zweiten, konisch geformten Wellenabschnitt 10b hat, was das Ergebnis einer kontinuierlichen Verringerung des Durchmessers der Welle 2 entlang dem zweiten Wellenabschnitt 10b ist. Indem die Welle 2 mit einem derartigen konischen Wellenabschnitt 10b ausgestattet wird, werden die aufgrund des Schrumpfens der Lager 4 auf der Welle 2 entstandenen Reibungskräfte verringert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2003/0009881 A1 [0006]
- US 200910084335 A1 [0007]
- US 2006/0278268 A1 [0008]
- US 2008/0128038 A1 [0008]
