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Die Erfindung betrifft ein einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine zugeordnetes Verzweigungs- oder Zusammenführungselement für gasförmige Fluide, welches einlassseitig und auslassseitig jeweils einen Anschlussstutzen aufweist, wobei ein erster Anschlussstutzen mit einer Sammelleitung und ein zweiter Anschlussstutzen mit zumindest zwei Anschlussleitungen verbindbar ist, und welches mit zwei rotationssymmetrischen, relativ zueinander um ihre gemeinsame Drehachse schwenkbewegliche, Durchbrechungen aufweisende Scheiben ausgestattet ist, wobei für eine Strömungsverteilung des Fluids zwischen der Sammelleitung des ersten Anschlussstutzens und wahlweise zumindest einer der beiden Anschlussleitungen des zweiten Anschlussstutzens durch eine zumindest abschnittsweise fluchtende Relativposition der Durchbrechungen der Scheiben zumindest zwei Betriebspositionen einstellbar sind.
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Zur variablen Strömungsverteilung des Fluids sind solche, je nach Strömungsrichtung als Verzweigungselement oder als Zusammenführungselement dienende Vorrichtungen mit zwei relativ zueinander schwenkbaren Scheiben ausgestattet. Der Durchfluss wird dabei durch eine fluchtende oder kongruente Position der Durchbrechungen der beiden als Drehschieber und Lochscheibe bezeichneten Scheiben erreicht. Solche Elemente werden in der Praxis bereits vielfach eingesetzt und zählen somit zum Stand der Technik.
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Beispielsweise bezieht sich die
DE 102 40 131 A1 auf eine Dosiervorrichtung zur Zudosierung eines Zusatzmittels innerhalb einer Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs mittels eines solchen Verzweigungselements. Um den Gasstrom in zwei Teilströme aufzuteilen, ist eine Steuerscheibe vorgesehen, die mit einer im Strömungsquerschnitt des Gasstroms angeordneten Segmentscheibe zusammenwirkt. In Strömungsrichtung des Gasstroms gesehen ist innerhalb eines Zuleitungsabschnitts, der einen Diffusorabschnitt enthalten kann, beispielsweise eine Trennwand vorgesehen, welche den Strömungsquerschnitt in einen ersten und einen zweiten Strömungsquerschnitt mit jeweils halbkreisförmiger Querschnittsform unterteilt. Die Segmentscheibe und die zu dieser relativ bewegbare Steuerscheibe umfassen gleichmäßig auf den beiden Flächen ausgebildete Öffnungen. Eine Androsselung bzw. eine ungedrosselte Freigabe des ersten bzw. des zweiten Strömungsbereichs innerhalb des Rohrleitungsabschnitts lässt sich durch eine Relativbewegung der Steuerscheibe zur Segmentscheibe erreichen. Vorzugsweise ist für eine leichtgängige Verstellbarkeit zwischen Segment- und Steuerscheibe ein Luftspalt vorgesehen.
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Aus der
EP 1 022 048 B1 ist eine Vorrichtung zur Reduzierung von Stickoxiden im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine bekannt, die einen Abgasstrang mit einem Katalysator aufweist, wobei dem Katalysator in Strömungsrichtung des Abgases gesehen ein schwenkbar gelagertes Leitblech vorgeschaltet ist. Die Schwenkbewegung kann durch einen elektrisch oder hydraulisch beaufschlagbaren Stellmotor erfolgen. Als Antriebseinrichtung besonders geeignet ist ein Elektromotor, dessen Antriebswelle dicht und drehbar durch eine Wand des Abgaskanals durchgeführt ist.
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Eine vergleichbare Vorrichtung ist aus der
DE 10 2007 047 774 A1 bekannt, die ebenfalls eine im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordnete Katalysatoreinrichtung hat. Die Vorrichtung hat eine einstellbare Mischflügeleinrichtung zur Vermischung eines Reduktionsmittels mit dem Abgasstrom. Dabei weist die Mischflügeleinrichtung wenigstens einen motorisch um eine Flügeldrehachse antreibbaren Mischflügel auf, der in Abhängigkeit von einer Motordrehzahl durch die auf den Mischflügel einwirkende Fliehkraft in eine vorgesehene Anstellposition im Abgasstrom beweglich ist.
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Die
DE 699 02 334 T2 bezieht sich auf Brennkraftmaschinen mit einem Katalysator zur Behandlung von Abgasen. Die Anordnung hat einen Ventilteller mit zwei Öffnungen, die jeweils kleiner als ein Viertel-Sektor des Ventildeckels sind. Die Öffnungen sind versetzt angeordnet, sodass jede der Öffnungen entweder mit dem Einlasshohlraum oder mit dem Auslasshohlraum kommuniziert. Wenn der Ventilteller von der ersten Position in eine zweite Position gedreht wird, werden die Öffnungen zu einer gegenüberliegenden Seite der quer verlaufenden Wand bewegt und danach kommunizieren die Öffnungen mit jeweils dem anderen Hohlraum, dem Einlasshohlraum bzw. dem Auslasshohlraum.
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Weiterhin ist aus der
DE 10 2006 001 191 A1 ein Kreuzgelenk zur Übertragung von Drehbewegungen und -momenten zwischen zwei zueinander winklig angeordneten Wellen bekannt. Ferner sind aus der
US 1 945 701 A eine Sprühvorrichtung für Duschköpfe und aus der
GB 819 395 A ein Ventil für Flüssigkeiten bekannt.
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Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verzweigungs- oder Zusammenführungselementen für gasförmige Fluide ist der mit der relativen Drehung verbundene hohe Kraftaufwand aufgrund des Reibungswiderstands zwischen den einander zugewandten Flächen der Scheiben. Insbesondere dann, wenn die Scheiben aufgrund des wirkenden Gasdrucks mit einer erhöhten Kraft beaufschlagt werden, steigen die Betätigungskräfte erheblich. Die hohe Reibung kann zudem im Betrieb zu Verschleißerscheinungen führen, die eine zuverlässige Abdichtung in der geschlossenen Stellung, in welcher die Durchbrechungen nicht fluchten, sondern zueinander versetzt sind, beeinträchtigen. Man könnte daran denken, die Scheiben mit einem entsprechenden Abstand voneinander anzuordnen und den Spalt durch zusätzliche Dichtungsmittel abzudichten, die auch unter Belastung keinen wesentlich erhöhten Reibungswiderstand gegenüber der Verstellbewegung verursachen. Hierdurch entsteht jedoch ein zusätzlicher konstruktiver Aufwand. Zudem führt eine solche Konstruktion zu erhöhten Herstellungskosten.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verzweigungs- oder Zusammenführungselement der eingangs genannten Art derart auszuführen, dass der Reibungswiderstand bei der relativen Drehbewegung der Scheiben vermindert und dadurch die Betätigung erleichtert wird. Insbesondere soll dabei im Vergleich zu an sich bekannten Verzweigungs- oder Zusammenführungselementen kein zusätzlicher konstruktiver Aufwand entstehen.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verzweigungs- oder Zusammenführungselement gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß weist also der zweite Anschlussstutzen zum Anschluss von koaxialen Anschlussleitungen zwei koaxiale Flansche auf, die eine kreisförmige Öffnung für die erste Leitung und eine kreisringförmige Öffnung für die zweite Leitung einschließen, wobei das für die relative Drehbewegung erforderliche Drehmoment mittels einer Antriebswelle auf eine der beiden Scheiben übertragen wird, die durch eine von einer rohrförmigen Aufnahme gebildete Durchbrechung in der Leitung geführt ist. Hierdurch wird in überraschend einfacher Weise das zur Einleitung der relativen Schwenkbewegung erforderliche Drehmoment wesentlich reduziert und damit die Betätigung vereinfacht sowie auch der im Betrieb auftretende Verschleiß vermindert. Es hat sich nämlich gezeigt, dass bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verzweigungs- oder Zusammenführungselementen die relative Neigung der Scheiben zueinander aufgrund der in Bezug auf die Drehachse exzentrischen Krafteinleitung zu einem Verkippen der Scheiben führt, sodass einerseits eine hohe Gleitreibung entsteht, andererseits die Scheiben an gegenüberliegenden Bereichen partiell voneinander getrennt werden und dort entsprechend die Abdichtung nicht zuverlässig erfüllt werden kann. Indem erfindungsgemäß die beiden Flansche sowie die daran angeschlossenen Leitungen koaxial zu der Drehachse der Scheiben angeordnet sind, kommt es aufgrund des einwirkenden Fluiddrucks zu einer achssymmetrischen Krafteinleitung und dadurch zu insgesamt erheblich geringeren Reibungswiderständen. Dieser vorteilhafte Effekt ergibt sich dabei sowohl bei einer Nutzung der Erfindung als Verzweigungselement als auch als Zusammenführungselement. In beiden Fällen wird bei den koaxialen Teilströmen des aus den beiden Leitungen zugeführten oder in diese abgeführten Fluidstroms eine symmetrische Strömungsverteilung und somit Druckbeaufschlagung auf die Scheiben sichergestellt. Außerdem konnte ein insgesamt reduzierter Strömungsverlust bzw. Druckabfall bei der Durchströmung des Verzweigungs- oder Zusammenführungselements ermittelt werden, welcher auf erkennbar reduzierte Wirbelbildungen zurückgeführt werden kann. Obwohl die Erfindung vornehmlich im Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs Anwendung finden soll, sind eine Vielzahl sinnvoller Einsatzbereiche denkbar und realisierbar. Weiterhin können auch Varianten realisiert werden, bei denen zusätzlich zu einer kreisförmigen Öffnung für die erste Leitung zwei oder weitere, koaxiale, kreisringförmige Öffnungen für zwei oder weitere Leitungen vorgesehen werden. Unter dem Begriff der Durchbrechung soll erfindungsgemäß jede Form einer Ausnehmung in der Scheibe verstanden werden, unabhängig von ihrer jeweiligen Größe oder Form und der Art der Einbringung. Die Übertragung des für die Verstellung erforderlichen Drehmomentes erfolgt mittels einer Antriebswelle auf eine Scheibe, die durch eine von einer rohrförmigen Aufnahme gebildete Durchbrechung in der Leitung geführt ist. Die Antriebswelle ist hierzu gasdicht und drehbar durch die Wandfläche der Leitung hindurchgeführt. In der zugleich als Lager dienenden Aufnahme können an sich bekannte Lager- und Dichtungselemente vorgesehen sein, um den unerwünschten Austritt eines Fluids zu verhindern.
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Dabei erweist es sich als besonders zweckmäßig, wenn in der ersten Betriebsposition durch die relative Schwenkbewegung die kreisförmige Öffnung für die erste Leitung und in der zweiten Betriebsposition die kreisringförmige Öffnung für die zweite Leitung zumindest bereichsweise verschlossen sind. In der Praxis kann so beispielsweise eine an die Kaltlaufphase oder die Warmlaufphase angepasste Betriebsposition realisiert werden. Bedarfsweise kann in einer Übergangsphase auch eine Mischung mit unterschiedlichen Anteilen des den beiden Leitungen jeweils zugeführten Fluids erfolgen.
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Dabei ist gemäß einer weiteren besonders sinnvollen Abwandlung der Erfindung in der jeweiligen Betriebsposition entweder die kreisförmige Öffnung für die erste Leitung oder die kreisringförmige Öffnung für die zweite Leitung durchströmbar bzw. verschließbar, sodass der Strömungsdurchlass ausschließlich zwischen der ersten Leitung und der Sammelleitung oder der zweiten Leitung und der Sammelleitung erfolgt. Eine Durchmischung des aus der Sammelleitung zugeführten Fluidstroms kann hingegen bei einer solchen Variante zuverlässig ausgeschlossen werden, sodass insbesondere auch lediglich genau zwei Betriebspositionen vorgesehen sind.
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Weiterhin erweist es sich als besonders praxisgerecht, wenn gemäß einer Variante der Erfindung die Querschnittsfläche der kreisförmigen Öffnung und die Querschnittsfläche der kreisringförmigen Öffnung im Wesentlichen übereinstimmend bemessen sind, sodass auch die von den Durchbrechungen bestimmte maximale Durchlassfläche für das jeweils ein- oder ausströmende Fluid übereinstimmend ausgeführt werden kann. Selbstverständlich sind auch abweichend bemessene maximale Durchlassöffnungen realisierbar.
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Vorzugsweise sind die Durchbrechungen gleichverteilt in Bezug auf die Drehachse angeordnet. Durch die achssymmetrische Verteilung der Durchbrechungen wird eine gleichmäßige Druckbeaufschlagung sichergestellt, sodass insbesondere auslenkende Kippmomente in Bezug auf die Drehachse weitestgehend vermieden werden können.
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Die Scheiben könnten eben bzw. flach ausgeführt sein. Eine andere besonders praxisgerechte Ausgestaltungsform der Erfindung wird dann erreicht, wenn die Scheiben zumindest abschnittsweise konisch, kegelförmig oder sphärisch ausgeführt sind, sodass die Fläche der so ausgeführten Scheibe vergrößert und zudem die Strömung vorteilhaft beeinflusst werden kann. Insbesondere wirkt sich eine gegenüber der Strömungsrichtung lediglich geringfügig geneigte Scheibenfläche vorteilhaft aus. In der Praxis können die Scheiben je nach Einsatzzweck beliebige rotationssymmetrische Formgebungen aufweisen.
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Bei einer einfachen Variante sind die Durchbrechungen so verteilt, dass durch eine relative Drehung der Scheiben ohne Drehrichtungsumkehrung abwechselnd die erste und die zweite Betriebsposition eingestellt werden. Eine andere ebenfalls besonders Erfolg versprechende Abwandlung der Erfindung wird dadurch erreicht, dass die Scheiben in entgegengesetzte Schwenkrichtungen in Bezug auf die Drehachse relativ zueinander schwenkbeweglich ausgeführt sind, um so beispielsweise auch Zwischenstellungen zuverlässig und bedarfsweise einstellen zu können.
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Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe, den Reibungswiderstand zu verringern und die Abdichtung zu verbessern, wird in besonders wirkungsvoller Weise auch dadurch unterstützt, dass die Scheiben in Richtung der Schwenkachse relativ zueinander axial beweglich, insbesondere verschiebbar ausgeführt sind, sodass während oder vor dem Wechsel der Betriebspositionen der beiden Scheiben ein Abstand eingestellt werden kann, durch den eine Kontaktfläche und die dadurch bedingte Reibung zwischen den Scheiben vorübergehend aufgehoben bzw. vermindert werden kann.
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Vorzugsweise kann dadurch nicht nur während der Verstellbewegung ein ausreichender Abstand zwischen den Scheiben sichergestellt werden, sondern darüber hinaus auch erreicht werden, dass die Scheiben in vorbestimmten Betriebspositionen mit einer Vorspannung gegeneinander anliegen. Hierzu eignet sich beispielsweise ein Federelement, welches die axiale bewegliche Scheibe gegen die benachbarte Scheibe vorspannt.
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Die Aufhebung dieser Vorspannung und ein gegebenenfalls gewünschter Abstand der Scheiben kann durch eine axiale Verlagerung der die Scheiben tragenden Achse, insbesondere der Schwenkachse, erreicht werden. Besonders einfach ist es, wenn den Scheiben ein Formkörper zugeordnet ist, durch den der Abstand der Scheiben schwenkwinkelabhängig vorbestimmt ist. Hierdurch kann auf eine äußere Steuerung des axialen Abstands verzichtet werden, wenn dieser durch den Formkörper bestimmt ist, welcher eine drehwinkelabhängig unterschiedliche, wirksame axiale Erstreckung aufweist.
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Hierzu weist der Formkörper in axialer Richtung jeweils einer Scheibe zugeordnete Vorsprünge und Ausnehmungen auf, die bei der relativen Drehbewegung den Abstand der Scheiben definieren. Insbesondere kann also durch die Länge der Vorsprünge in Richtung der Drehachse der Abstand der Scheiben festgelegt werden.
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Vorzugsweise sind die Vorsprünge und Ausnehmungen durch jeweils ein mit der jeweiligen Scheibe drehfest verbundenes Raststück gebildet. Paarweise bilden die Raststücke so ein Funktionselement nach der Art einer Stirnverzahnung oder einer Planverzahnung, sodass der Abstand der Scheiben dann sein Maximum hat, wenn die axial vorspringenden Zähne der beiden Raststücke gegeneinander liegen. Bevorzugt sind die Raststücke rotationssymmetrisch und weisen eine regelmäßige Abfolge übereinstimmender Vorsprünge und Ausnehmungen auf.
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Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung sind die Vorsprünge und Ausnehmungen in den einander zugewandten Flächen der Scheiben angeordnet oder in diese integriert, sodass auf einen separaten Form- oder Rastkörper verzichtet werden kann. Vielmehr sind die Vorsprünge und Ausnehmungen dabei integraler Bestandteil der jeweiligen Scheibe, sodass der konstruktive Aufwand vermindert werden kann.
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Weiterhin hat es sich gezeigt, dass in vorteilhafter Weise die relative Schwenkbarkeit der Scheiben durch zumindest einen Anschlag begrenzbar ist, um so durch den Anschlag die kongruente bzw. fluchtende Winkelstellung der Durchbrechungen sicherzustellen. Hierzu wird also die Schwenkbewegung zur Einstellung der beiden Betriebspositionen fortgesetzt, bis der Anschlag eine weitere Relativbewegung verhindert. Der Anschlag kann zu diesem Zweck auch einstellbar ausgeführt sein.
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Eine andere besonders nutzbringende Abwandlung wird dann erreicht, wenn die Vorrichtung als Verzweigungselement mit der Sammelleitung als eine Zuführleitung für einen den beiden Leitungen alternativ zuführbaren Abgasstrom ausgeführt ist.
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Das Verzweigungs- oder Zusammenführungselement kann zwei zylindrische Flansche aufweisen. Besonders vielversprechend hat sich bereits eine Abwandlung erwiesen, bei welcher die Querschnittsfläche zumindest eines Flansches in einem den Scheiben zugewandten Leitungsabschnitt wesentlich größer als die Querschnittsfläche der zugeordneten Leitung bemessen ist. Hierdurch kann der jeweilige Flansch zugleich als Diffusor wirken und dementsprechend den Strömungsverlauf vorteilhaft begünstigen.
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In überraschend einfacher Weise kann eine solche Abdichtung auch dadurch erreicht werden, dass die Aufnahme ein Innengewinde aufweist, welches mit einem an der Antriebswelle angeordneten Außengewinde zusammenwirkt. Die damit verbundene axiale Verlagerung kann beispielsweise von demselben Element ausgeglichen werden, welches die relative axiale Beabstandung der beiden Scheiben ermöglicht.
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Die Aufnahme könnte bei dem Einsatz eines Rohrbogens in der Sammelleitung entlang der Drehachse die Wandung des Rohrbogens durchbrechen. Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, bei welcher die Sammelleitung gerade verläuft, erweist es sich als besonders sinnvoll, wenn die Antriebswelle zwei Wellenabschnitte aufweist, die durch ein in der Leitung angeordnetes Kreuzgelenk verbunden sind. Durch den Einsatz des Kreuzgelenks kann der den Scheiben abgewandte Wellenabschnitt der Antriebswelle schräg durch die Aufnahme nach außen geführt werden. Auf diese Weise kann der Antrieb in unterschiedlichen, durch die jeweilige Einbausituation bestimmten Positionen und Orientierungen angeordnet werden.
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Anders als beim Stand der Technik, bei dem der jeweilige Endabschnitt der zu verbindenden Wellenabschnitte eine gabelförmige Aufnahme für einen Kreuzzapfen aufweist, ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, dass der erste und der zweite Wellenabschnitt der Antriebswelle an seinem jeweiligen Endabschnitt einen Kreuzzapfen mit kreisförmiger Querschnittsfläche aufweist und dass die Kreuzzapfen durch ein mit Aufnahmen für die Kreuzzapfen ausgestattetes Verbindungselement verbunden sind. Hierdurch kann das Kreuzgelenk mit einer reduzierten Anzahl von Bauteilen realisiert werden, wodurch die Montage erleichtert und die Herstellungskosten reduziert werden. Zudem sind die Bauteile durch ihre jeweilige Einbauposition in der vorbestimmten Position festgelegt, sodass auf zusätzliche Fixiermittel verzichtet werden kann.
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Weiterhin erweist es sich als besonders zweckmäßig, wenn das Verbindungselement zumindest einen Kreuzzapfen in der Aufnahme quer zu der Drehachse des den Kreuzzapfen aufweisenden Wellenabschnitts verschiebbar aufnimmt. Hierdurch wird mit geringem Aufwand ein zusätzlicher Freiheitsgrad geschaffen, sodass es gelingt, mögliche Toleranzeinflüsse bei der Montage des Verzweigungs- oder Zusammenführungselements auszugleichen. Insbesondere können durch das so geschaffene Kreuzgelenk sowohl nicht fluchtende, beispielsweise windschiefe Wellenabschnitte, als auch parallel versetzte Wellenabschnitte verbunden werden. Hierzu ist der jeweilige Kreuzzapfen in der Aufnahme schwenkbeweglich und quer zur Drehachse des Wellenabschnitts verschiebbar geführt.
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Darüber hinaus kann gemäß einer weiteren besonders vorteilhaften Abwandlung der vorliegenden Erfindung zumindest ein Kreuzzapfen in der Aufnahme in Richtung der Drehachse des den Kreuzzapfen aufweisenden Wellenabschnitts der Antriebswelle verschiebbar geführt sein. Indem in der jeweiligen Aufnahme der Kreuzzapfen auch in Richtung der Drehachse des Wellenabschnitts eine eingeschränkte axiale Beweglichkeit aufweist, die beispielsweise durch eine nutenförmig vertiefte Aufnahme des Kreuzzapfens erreicht wird, kann in einfacher Weise ein zusätzlicher Längenausgleich erreicht werden. Das Drehmoment kann daher auch bei einem zunehmenden Abstand zwischen den Kreuzzapfen uneingeschränkt übertragen werden, sodass Fehlfunktionen oder gar ein Abgleiten der Kreuzzapfen von dem Verbindungselement in der Praxis ausgeschlossen werden können.
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Eine weitere ebenfalls besonders sinnvolle Abwandlung wird dann erreicht, wenn die Aufnahme zur Übertragung von Drehmomenten in lediglich einer einzigen Richtung mit einer durch die gewünschte Drehrichtung bestimmen Anlagefläche sowie einer Gleitfläche ausgestattet ist, sodass eine unerwünschte Drehrichtungsumkehr nicht zu einer Beschädigung sonstiger Funktionselemente, insbesondere der Scheiben, führt, sondern vielmehr zu einer Trennung des Kreuzgelenks. Auf diese Weise kann auch eine einfache Demontage zu Servicezwecken sichergestellt werden.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
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Diese zeigt in
- 1 eine Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Verzweigungselements;
- 2 eine als Lochscheibe ausgeführte Scheibe;
- 3 eine als Drehschieber ausgeführte Scheibe;
- 4 das Verzweigungselement in einer ersten Betriebsposition;
- 5 das Verzweigungselement in einer zweiten Betriebsposition;
- 6 das Verzweigungselement in einer ersten Betriebsposition in einer weiteren Ansicht;
- 7 das Verzweigungselement in einer zweiten Betriebsposition in einer weiteren Ansicht;
- 8 eine geschnittene Seitenansicht des Verzweigungselements;
- 9 ein erstes Raststück in einer Vorderansicht;
- 10 das in 9 gezeigte Raststück in einer rückwärtigen Ansicht;
- 11 ein zweites Raststück in einer Vorderansicht;
- 12 das in 11 gezeigte Raststück in einer rückwärtigen Ansicht;
- 13 eine axial bewegliche Anordnung einer Scheibe auf einer Drehachse;
- 14 eine Variante einer ersten und einer zweiten Scheibe mit integrierten Vorsprüngen und Ausnehmungen;
- 15 eine Einbausituation des Verzweigungselements mit einer geraden Antriebswelle in einer ersten Betriebsposition;
- 16 die in 15 gezeigte Einbausituation des Verzweigungselements in einer zweiten Betriebsposition;
- 17 eine Einbausituation des Verzweigungselements mit einer zweiteiligen, ein Kreuzgelenk aufweisenden Antriebswelle in einer ersten Betriebsposition;
- 18 die in 17 gezeigte Einbausituation des Verzweigungselements in einer zweiten Betriebsposition;
- 19 das in 17 gezeigte Kreuzgelenk in einer vergrößerten Darstellung;
- 20 zwei mit einem jeweiligen Abschnitt des Antriebsstücks verbundene Kreuzzapfen des in 19 gezeigten Kreuzgelenks;
- 21 ein den Kreuzzapfen gemäß den 19 und 20 zugeordnetes Verbindungselement des Kreuzgelenks;
- 22 eine Darstellung der durch das Kreuzgelenk gemäß 19 realisierten Freiheitsgrade;
- 23 eine Variante des Kreuzgelenks mit einer asymmetrischen Formgebung.
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1 zeigt in einer Explosionsdarstellung ein in einem nicht weiter dargestellten Abgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordnetes Verzweigungselement 1 für unterschiedliche Abgasströme. Hierbei bilden zwei in den 2 und 3 näher dargestellte, relativ zueinander drehbewegliche Scheiben 2, 3 einen Drehschieber zur bedarfsweisen Verteilung eines eintretenden Abgasstroms auf zwei verschiedene Leitungen. Das Verzweigungselement 1 hat einlassseitig und auslassseitig jeweils einen Anschlussstutzen 4, 5, wobei der erste Anschlussstutzen 4 mit einer als Zuführleitung dienenden Sammelleitung verbunden ist und der zweite Anschlussstutzen 5 zum Anschluss von zwei nicht weiter gezeigten Anschlussleitungen zwei koaxiale Flansche 6, 7 aufweist. Dabei schließt der erste Flansch 6 eine kreisförmige Öffnung 8 für die erste Leitung und der zweite Flansch 7 eine kreisringförmige Öffnung 9 für die zweite Leitung ein. Zur wahlweisen Zuführung des Abgases aus der Sammelleitung zu der ersten oder der zweiten Leitung hat das Verzweigungselement 1 zwei rotationssymmetrische, relativ zueinander um ihre gemeinsame Drehachse 10 schwenkbewegliche Scheiben 2, 3. Für eine Strömungsverteilung des Fluids zwischen der mit dem ersten Anschlussstutzen 4 verbundenen Sammelleitung und wahlweise einer der beiden Anschlussleitungen des zweiten Anschlussstutzens 5 wird jeweils eine entsprechende relative Winkelposition eingestellt, wie dies nachstehend noch anhand der 4 bis 7 dargestellt wird. Hierzu ist die als Drehschieberscheibe ausgeführte Scheibe 3 mittels einer Antriebswelle 11 schwenkbar angeordnet. Zusätzlich ist auf der Antriebswelle 11 ein Federelement 12 mittels eines Wellensicherungsrings 13 und eines Rings 14 abgestützt, durch das die beiden Scheiben 2, 3 gegeneinander vorgespannt sind.
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Wie in den 2 und 3 zu erkennen weisen die beiden Scheiben 2, 3 jeweils mehrere zu der Drehachse achssymmetrische Durchbrechungen 15, 16 auf. Dabei sind die Durchbrechungen 15 der einen Scheibe 2 für sich genommen kongruent zu den entsprechenden Durchbrechungen 16 der anderen Scheibe 3. Die radial inneren Durchbrechungen 15, 16 der beiden Scheiben 2, 3 weisen jedoch erkennbar einen Winkelversatz auf, sodass in der jeweiligen, durch die beiden Betriebspositionen bestimmten Endlage eine alternative Durchströmung ausschließlich der radial inneren Durchbrechungen oder der radial äußeren Durchbrechungen ermöglicht wird. Die beiden Betriebspositionen sind durch einen die relative Winkelstellung definierenden Anschlag 17 der in 2 gezeigten Scheibe 2 bestimmt, die in eine als Langloch ausgeführte Ausnehmung 18 der zweiten, in 3 gezeigten Scheibe 3 eingreift. Wie auch in 1 erkennbar ist die in 2 gezeigte, als Lochscheibe ausgeführte Scheibe 2 gehäusefest angeordnet und daher im Betrieb unbeweglich. Beide Scheiben 2, 3 haben eine polygonale, zentrale Ausnehmung 19, 20 zur drehfesten Verbindung mit einem in den 9 bis 11 näher dargestellten Raststück 22, 23.
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Die beiden Betriebspositionen werden anhand der 4 bis 7 näher dargestellt. Während einer Motorstartphase oder Kaltlaufphase wird die erste Betriebsposition eingestellt, in welcher der Abgasstrom durch die äußeren Durchbrechungen 15, 16 aus der Sammelleitung durch die kreisringförmige Öffnung 9 in die äußere Leitung gelangt. Dieser Strömungsverlauf der ersten Betriebsposition ist in den 4 und 6 aus verschiedenen Perspektiven dargestellt. Der Wechsel der Betriebsposition erfolgt durch eine einfache Drehung der Antriebswelle 11 in Pfeilrichtung 21. Dadurch wird eine der Warmlaufphase oder gewöhnlichen Betriebsphase entsprechende Betriebsposition eingestellt, in welcher der Abgasstrom durch die radial inneren Durchbrechungen 15, 16 durch die kreisförmige Öffnung 8 strömt. Um einen möglichst verlustfreien Strömungsverlauf im gewöhnlichen Betrieb sicherzustellen, sind die in der zweiten Betriebsposition eingestellten Durchbrechungen 15, 16 wesentlichen größer als die in der Kaltlaufphase durchströmbaren Durchbrechungen 15, 16.
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Wie in 8 zu erkennen weist der innere Flansch 6 im Bereich der Scheiben 2, 3 eine Querschnittserweiterung von einem Leitungsquerschnitt D1 auf einen zweiten, erweiterten Leitungsquerschnitt D2 auf, um so die der inneren, kreisförmigen Öffnung 8 zugeordneten Durchbrechungen 15, 16 entsprechend groß dimensionieren zu können. In der dargestellten Variante entspricht der Leitungsquerschnitt D1 zugleich dem Leitungsquerschnitt D3 der Sammelleitung. In 8 ist auch das mittels des Rings 14 auf der Antriebswelle 11 festgelegte Federelement 12 zu erkennen, durch das die in 3 gezeigte axial bewegliche Scheibe 3 gegenüber der anderen Scheibe 2 vorgespannt ist.
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Hierzu ist ein von dem Federelement 12 beaufschlagtes, in den 9 und 10 erkennbares Raststück 22 vorgesehen, das mit einem korrespondierenden, in den 11 und 12 gezeigten Raststück 23 zusammenwirkt. Um jeweils übereinstimmend mit den beiden Betriebspositionen die gewünschte Vorspannung der Scheiben 2, 3 zu erzeugen, sind die mittels einer polygonalen Ausformung 24 drehfest mit der jeweiligen Scheibe 2, 3 verbundenen Raststücke 22, 23 mit stirnseitigen Vorsprüngen 25 und Ausnehmungen 26 versehen. Hierdurch wird auch erreicht, dass die beiden Scheiben 2, 3 in einer relativen Winkelstellung, die keiner Betriebsposition entspricht, zueinander einen Abstand aufweisen, der eine einfache relative Schwenkbewegung ermöglicht.
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Wie in 13 erkennbar wird die axiale Verschiebbarkeit der Scheibe 3 bei gleichzeitiger rotatorischer Mitnahme von Antriebswelle 11 und Raststück 22 mittels eines Stifts 27 erreicht, welcher in eine in 10 erkennbare Mitnehmernut 28 des Raststücks 22 eingreift. Durch die entsprechend bemessene axiale Erstreckung der Mitnehmernut 28 wird auch bei einer axialen Verlagerung ein zuverlässiger Kontakt zu dem Stift 27 sichergestellt. Das in den 9 und 10 gezeigte Raststück 22 ist formschlüssig und drehfest in die Ausnehmung 19 der Scheibe 3 eingesetzt, wobei die axiale Positionierung durch die Federkraft des Federelements 12 erfolgt.
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In 14 ist noch eine Variante dargestellt, bei welcher die Vorsprünge 25 und Ausnehmungen 26 jeweils als integraler Bestandteil der Scheiben 2, 3 ausgeführt sind, die im Übrigen mit den in den 2 und 3 gezeigten Scheiben 2, 3 übereinstimmen.
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In den 15 und 16 ist eine Einbausituation des Verzweigungselements 1 zu erkennen, bei dem die Antriebswelle 11 durch eine mit einem Rohrkrümmer ausgestattete Leitung nach außen geführt ist. Der Rohrkrümmer weist eine rohrförmige Aufnahme 29 für die Antriebswelle 11 auf, die koaxial zu der Drehachse 10 der Antriebswelle 11 angeordnet ist. Die rohrförmige Aufnahme 29 dient zugleich der Lagerung und der Abdichtung der Antriebswelle 11. Da die Drehbewegung zur Einstellung der in 15 gezeigten ersten Betriebsposition und der in 16 gezeigten zweiten Betriebsposition nur eine geringe Änderung der Winkelstellung erfordert, kann die rohrförmige Aufnahme 29 auch mit einem nicht gezeigten Innengewinde versehen sein, welches mit einem auf der Antriebswelle 11 außenseitig angeordneten Außengewinde zusammenwirkt.
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Demgegenüber ist bei einer Einbausituation des Verzweigungselements, wie sie in den 17 und 18 dargestellt ist, zur Betätigung der Antriebswelle 11 ein Kreuzgelenk 30 erforderlich, welches nach Art einer Kardanwelle zwei Wellenabschnitte 11a, 11b der Antriebswelle 11 verbindet. Die Durchführung durch das in diesem Fall gerade Rohrstück erfolgt daher in einem spitzen Winkel zu der Drehachse 10, wobei ebenso wie in der in den 15 und 16 dargestellten Variante die rohrförmige Aufnahme 29 für den ersten Wellenabschnitt 11a der Antriebswelle 11 vorgesehen ist, die zugleich der Lagerung und der Abdichtung dieses Wellenabschnitts 11a dient. Durch eine Drehbewegung erfolgt der Wechsel zwischen der in 17 gezeigten ersten Betriebsposition und der in 16 gezeigten zweiten Betriebsposition.
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Das Kreuzgelenk 30 wird nachstehend noch in den 19 bis 23 in einer vergrößerten Darstellung näher erläutert. Im Unterschied zu den an sich bekannten Gelenken weisen der erste Wellenabschnitt 11a und der zweite Wellenabschnitt 11 b der Antriebswelle 11 an ihrem jeweiligen Endabschnitt einen Kreuzzapfen 31 mit kreisförmiger Querschnittsfläche auf. Ein Verbindungselement 32 des Kreuzgelenks 30 hat zwei senkrecht zueinander angeordnete Aufnahmen 33 für jeweils einen dieser Kreuzzapfen 31. Hierdurch kann das Kreuzgelenk 30 mit einer reduzierten Anzahl von Bauteilen realisiert werden, wodurch einerseits die Montage erleichtert, andererseits die Herstellungskosten reduziert werden können.
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Wie insbesondere in 22 erkennbar ist das Verbindungselement 32 so ausgeführt, dass jeder Kreuzzapfen 31 in der Aufnahme 33 nicht nur in Pfeilrichtung 34 schwenkbeweglich, sondern auch quer zu der Drehachse des den Kreuzzapfen 31 aufweisenden Wellenabschnitts 11a, 11b in der Richtung der Mittelachse des Kreuzzapfens 31 in Pfeilrichtung 35 verschiebbar angeordnet ist, um so auch nicht fluchtende oder parallel versetzte Wellenabschnitte 11a, 11b problemlos verbinden und das erforderliche Drehmoment übertragen zu können. Ein weiterer Freiheitsgrad des Kreuzgelenks 30 wird noch dadurch realisiert, dass jeder Kreuzzapfen 31 in der Aufnahme 33 in Richtung der Drehachse des den Kreuzzapfen aufweisenden Wellenabschnitts 11a, 11b der Antriebswelle 11 in Pfeilrichtung 36 verschiebbar angeordnet ist, um so in einfacher Weise einen zusätzlichen Längenausgleich realisieren zu können.
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Eine demgegenüber abgewandelte Variante eines Kreuzgelenks 37 wird, wie in 23 gezeigt, noch dadurch erreicht, dass die Aufnahme 33 zur Übertragung von Drehmomenten in lediglich einer einzigen Richtung mit einer durch die gewünschte Drehrichtung bestimmten Anlagefläche 38 sowie einer Gleitfläche 39 ausgestattet ist. Diese die Montage vereinfachende Variante des Kreuzgelenks 37 ist bei solchen Ausgestaltungen eines Verzweigungs- oder Zusammenführungselements sinnvoll einsetzbar, die ohne eine Drehrichtungsumkehrung betätigbar ausgeführt sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verzweigungselement
- 2
- Scheibe
- 3
- Scheibe
- 4
- Anschlussstutzen
- 5
- Anschlussstutzen
- 6
- Flansch
- 7
- Flansch
- 8
- Öffnung
- 9
- Öffnung
- 10
- Drehachse
- 11
- Antriebswelle
- 11a, 11b
- Wellenabschnitt
- 12
- Federelement
- 13
- Wellensicherungsring
- 14
- Ring
- 15
- Durchbrechung
- 16
- Durchbrechung
- 17
- Anschlag
- 18
- Ausnehmung
- 19
- Ausnehmung
- 20
- Ausnehmung
- 21
- Pfeilrichtung
- 22
- Raststück
- 23
- Raststück
- 24
- Ausformung
- 25
- Vorsprung
- 26
- Ausnehmung
- 27
- Stift
- 28
- Mitnehmernut
- 29
- rohrförmige Aufnahme
- 30
- Kreuzgelenk
- 31
- Kreuzzapfen
- 32
- Verbindungselement
- 33
- Aufnahme
- 34
- Pfeilrichtung
- 35
- Pfeilrichtung
- 36
- Pfeilrichtung
- 37
- Kreuzgelenk
- 38
- Anlagefläche
- 39
- Gleitfläche
- D1
- Leitungsquerschnitt
- D2
- Leitungsquerschnitt
- D3
- Leitungsquerschnitt
