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Die Erfindung betrifft eine Absperrklappe, insbesondere für eine Abgasanlage, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Abgasanlage mit einer derartigen Absperrklappe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
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In der Strömungslehre wird eine Armatur als Absperrklappe, teilweise auch als Klappenventil bezeichnet, welche den Durchfluss eines Fluids durch eine Rohrleitung steuert, indem sie deren Strömungsquerschnitt mittels einer drehbaren Scheibe steuert, die in vollständig geöffneter Stellung der Armatur im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung ausgerichtet und zur Drosselung um einen konstruktiv bedingten Drehpunkt geschwenkt wird. Bekannt ist etwa eine zentrische Bauweise, bei welcher der Drehpunkt der Scheibe näherungsweise in der Mitte des Sitzes der Absperrklappe und somit ungefähr in der Mitte der Rohrleitung liegt. Neben weichdichtenden Absperrklappen, welche auf einem polymeren, insbesondere elastomeren Dichtungsmaterial basieren, sowie metallisch dichtenden Ausführungen umfasst der Stand der Technik sogenannte keramisch dichtende Ausgestaltungen, wie sie zum Beispiel in Abgasanlagen von Verbrennungskraftmaschinen und Feuerungen Einsatz finden.
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So offenbart etwa
WO 2006/003017 A1 eine gattungsgemäße Absperrklappe für die Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs. Gemäß diesem Vorschlag ist außen an einem Gehäuse ein Lagergehäuse gasdicht angebracht, das von einer Welle der Absperrklappe durchgesetzt wird. Innerhalb des Lagergehäuses ist die Welle von einem Lagerring umfasst, der eine zur Absperrklappe weisende, quer zur Welle ausgerichtete Stützfläche und eine von der Absperrklappe weg weisende Gleitfläche aufweist. Im Lagergehäuse ist ein die Welle umgreifendes Federelement angeordnet, das den Lagerring mit seiner Gleitfläche einem Innenwandbereich des Lagergehäuses drückt. Zwischen dem Lagerring und dem Federelement als Dichtelement ist eine radial von der Welle abstehende Dichtscheibe aus metallischem Material angeordnet, die mit ihrer einen Seite dichtend an der Stützfläche des Lagerrings anliegt und mit der Umfangsfläche der Welle verbunden ist.
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Die
EP 0 835 998 B1 offenbart ein Ventil, das ebenfalls einen rohrförmigen Körper und eine im Inneren des Körpers um eine im Wesentlichen diametrale Drehachse drehbar montierte Verschlussklappe aufweist und bei dem die Verschlussklappe mit einem Drehzapfen fest verbunden ist, der in einem Lager um die Achse drehbar montiert ist, wobei außerdem an einem dem Drehzapfen diametral entgegengesetzten Punkt der Drehachse ein Drehlager angeordnet ist, um die Drehung der Verschlussklappe bezüglich des Körpers zu gewährleisten, das Ventil außerdem elastische Mittel zur Beaufschlagung der Verschlussklappe in seiner Drehachse auf das Drehlager zu aufweist, das Lager eine durch eine Seitenwand mit Rotationskörperform und einen Boden abgegrenzte zylindrische Aussparung zur Aufnahme des Drehzapfens besitzt und der Boden eine kegelstumpfförmige Fläche aufweist und mit einer Öffnung versehen ist, durch die sich eine Stange zur Betätigung des Drehzapfens erstreckt, und dass die elastischen Mittel zur Beaufschlagung der Klappe zwischen einem sich an der kegelstumpfförmigen Fläche des Bodens abstützenden Wulstring und einem Körper des Drehzapfens angeordnet sind.
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Ein Nachteil dieser herkömmlichen Absperrklappen liegt in ihrer konstruktiven Komplexität, welche sich in hohen Stückkosten und einer unvorteilhaften Baugröße äußert.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Absperrklappe, insbesondere zur vorteilhaften Verwendung in einer Abgasanlage, konstruktiv zu vereinfachen und zu optimieren. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine entsprechend optimierte Abgasanlage, insbesondere für einen Verbrennungsmotor, zu schaffen.
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Diese Aufgaben werden durch eine Absperrklappe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine entsprechende Abgasanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
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Die Erfindung fußt demnach auf dem Grundgedanken, eine keramisch dichtende Absperrklappe zentrischer Bauweise mit einem Gehäuse in Form eines Gussstücks auszustatten. Die erfindungsgemäße Urformung des Gehäuses als homogenes Gusskörpergefüge erlaubt eine präzise Wellenlagerung der Scheibe entlang ihrer vorgesehenen Drehachse unter weitgehendem Verzicht auf Techniken des Verbindungsschweißens mit seinen – durch die Schweißwärme und die anschließende verhältnismäßig schnelle Abkühlung verursachten – bekanntermaßen nachteiligen Einflüssen auf das Gehäusematerial wie drohender Aufhärtung oder Versprödung. Auch unvorteilhafte Eigenspannungen des Gehäuses, wie sie im Übergang etwaiger Schweißnähte zum Grundwerkstoff entstehen können, lassen sich mittels des vorgeschlagenen Ansatzes vermeiden. Aufwändige schweißtechnische Maßnahmen wie die Verwendung geeigneter Schweißzusatzwerkstoffe, Nachbehandlung der Schweißnähte oder Vorwärmung des Werkstücks werden auf diese Weise entbehrlich und stehen einer wirtschaftlichen Herstellung der erfindungsgemäßen Absperrklappe in beliebiger Stückzahl nicht im Wege.
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Neben der bereits genannten Kostenreduzierung birgt die konstruktive Vereinfachung der Absperrklappe den zusätzlichen Vorteil einer erhöhten Prozesssicherheit im Rahmen der Fertigung, welche sich ihrerseits in einer erhöhten Qualität des Endprodukts auswirkt. So begegnet die einstückige Urformung des Gehäuses insbesondere der Gefahr einer Schiefstellung einzelner Bauteile, welche im Falle konventioneller Vorrichtungen unter Umständen zu einer unerwünschten Selbsthemmung sich berührender Komponenten und somit letztlich zu einem Verkanten oder Verklemmen der gesamten Absperrklappe führen mag.
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Zur Verwendung als Werkstoff der Scheibe empfiehlt sich dabei eine technische Keramik, wie sie dem Fachmann für Werkstoffkunde unter den Bezeichnungen Ingenieurkeramik, Hochleistungskeramik, Industriekeramik, industrielle Keramik oder Funktionskeramik vertraut ist. Eine entsprechende Absperrklappe weist eine insbesondere für den Kontakt mit Verbrennungsabgasen unentbehrliche Hitze- und Korrosionsbeständigkeit, Härte sowie Abrieb- und Verschleißfestigkeit auf und eignet sich somit in hohem Maße für den Einsatz in Abgasanlagen. Die geringe thermische Ausdehnung und Formstabilität einer keramischen Scheibe tragen zudem in vorteilhafter Weise zur Vermeidung des Verklemmens einer erfindungsgemäßen Absperrklappe bei. Angesichts ihrer niedrigen physikalischen Dichte bietet sich die Nutzung von Keramik vor allem im Kraftfahrzeugbau an.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Scheibe dabei rechtwinklig zur vorgesehenen Drehachse mit einer radial angeordneten Welle verschraubt, welche – durch das Gehäuse nach außen ragend – zur äußerlichen Betätigung der Absperrklappe dienen kann. Der resultierende Formschluss zwischen Scheibe und Welle vermag die im Betrieb der Absperrklappe in die Welle eingeleiteten Drehmomente mit hoher Effizienz und Zuverlässigkeit auf die Scheibe zu übertragen. Ein endseitig an der Schraube vorgesehener Schraubenkopf, dessen der Scheibe zugewandte Ringfläche dieser zugleich als Anschlag dient, gestattet dabei mittels eines geeignet profilierten Formelements das Eingreifen eines herkömmlichen Schraubwerkzeugs im Rahmen der Fertigung.
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Durch die Ergänzung der beschriebenen Konfiguration um eine zweite, koaxial zur ersten Schraube ausgerichtete zweite Schraube lässt sich die Scheibe zusätzlich in ihrer vorgesehenen Lage sichern. Eine günstige Länge des zwischen den Schraubverbindungen gebildeten Hebelarms ergibt sich insbesondere, wenn die erste Schraube näherungsweise mittig und die zweite Schraube in einem randnahen Bereich der Scheibe angeordnet wird. Auch eine auf gegenüberliegenden Randflächen der Scheibe gezogene Nut trägt in diesem Sinne zur Stabilisierung der Gesamtanordnung bei.
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Zur Gewährleistung höchstmöglicher Formtreue bei minimalem Nachbearbeitungsbedarf kann dabei neben dem Gehäuse auch die Welle in Formguss, insbesondere in Feinguss nach dem Wachsausschmelzverfahren ausgeführt sein. Die resultierende, typischerweise ohne weiteres einbaufertige Welle verfügt über eine vorteilhafte Detailstärke, Maßgenauigkeit und Oberflächengüte, welche bei linearen Toleranzen zwischen ±0,4 und ±0,7% vom Nennmaß die Zuverlässigkeit der erfindungsgemäßen Klappe weiter erhöhen.
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Eine besonders reibungsarme und somit unter funktionellen Gesichtspunkten vorteilhafte Materialpaarung entsteht, wenn eine derartige Welle mittels eines keramischen Radialgleitlagers in einem einseitig in dem Gehäuse ausgebildeten radialen Durchbruch desselben gehalten wird. Der Durchbruch fungiert in diesem Szenario gleichermaßen als integral ausgeführte Lagerbuchse zur Aufnahme der Welle, welche in aller Regel keiner besonderen Schmierung zur Trennung seiner umlaufenden Kontaktfläche von der Welle bedarf.
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Der mechanische Kontakt zwischen Welle und Lager lässt sich dabei auf ein geringstmögliches Flächenmaß reduzieren, indem gleich zwei koaxiale Keramikscheiben die Welle innerhalb des Durchbruchs lagern. Da sich der – einer angestrebten Drehung der Scheibe entgegengesetzte – Gleitwiderstand der Welle in diesem Fall auf einen exakt umrissenen Bereich entlang der Innenränder beider Radialgleitlager beschränkt, bürgt deren keramischer Werkstoff für minimalen Verschleiß und maximale Langlebigkeit der Klappe.
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Zur elastischen gegenseitigen Positionierung der Radialgleitlager innerhalb des Durchbruchs mag in diesem Fall eine zwischen diesen in das Gehäuse eingefügte Feder dienen, welche die beidseitig angeordneten Radialgleitlager zugleich hinsichtlich in axialer Richtung auftretender Stöße oder Schwingungen voneinander entkoppelt und somit insgesamt eine dämpfende Wirkung entfaltet. Fertigungspraktische Erwägungen legen gerade in diesem Szenario eine baugleiche Ausführung der Radialgleitlager nahe. Anstelle einer herkömmlichen Runddraht-Druck- oder anderen Schraubenfeder ist hier vorrangig an den Einsatz einer Wellenfeder zu denken, welche durch ihre reduzierte Länge eine kompakte Anordnung der Radialgleitlager innerhalb des räumlich eng begrenzten Durchbruchs ermöglicht. Als mechanische Verbindungtechnik indes kommt insbesondere das dem Fachmann geläufige Pressfügen in Betracht, um zwischen Welle und umlaufender Wellenfeder eine Presspassung zur kraftschlüssigen Übertragung von Quer- und Längskräften zu erzielen. Gleichzeitig verhilft das Einpressen der Wellenfeder zu einer vorteilhaften Selbstzentrierung innerhalb des Durchbruchs, welche den stoß- und wechselartigen Betriebsbeanspruchungen der Absperrklappe in aller Regel standhalten kann.
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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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Dabei zeigen, jeweils schematisch:
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1 eine Explosionsdarstellung einer Absperrklappe gemäß einer Ausführungsform,
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2 eine detaillierte Darstellung des erfindungsgemäßen Lagermechanismus,
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3 eine perspektivische Gesamtansicht der betriebsbereiten Absperrklappe zum Steuern des Volumenstroms von Verbrennungsabgas in einer Abgasanlage.
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1 illustriert den konstruktiven Aufbau einer erfindungsgemäßen Absperrklappe 1, welche mittels eines durch drei Befestigungsmuttern 19, 20, 21 gehaltenen Antriebselements 18 als Stellglied im Rahmen eines Regelkreises fungiert. Ein entsprechendes Antriebselement 18 wird in der Steuer- und Regelungstechnik mitunter auch als Aktor oder Aktuator bezeichnet und setzt analoge oder digitale elektrische Signale eines (in 1 nicht dargestellten) Steuergeräts, welche dem Antriebselement 18 beispielsweise über den Feldbus eines Kraftfahrzeugs – zu denken ist etwa an das in der Automobilindustrie häufig verwendete Controller Area Network (CAN-Bus) – zugeführt werden, in entsprechende Betriebszustandsänderungen der Absperrklappe 1 um. Das durch ein Abschirmblech 16 geschützte Antriebselement 18 ist hierzu mittels einer als gewundene Torsionsfeder ausgeführten Schraubenfeder 17 mechanisch mit einem endseitigen Mitnehmer 15 einer Welle 4 verbunden. Dabei sind sowohl die Welle 4 als auch der an einer ringförmigen Stirnfläche derselben befestigte Mitnehmer 15 Feingussstücke.
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Die detailreichere Darstellung der 2 lässt die Wechselwirkung des von der Schraubenfeder 17 angetriebenen Mitnehmers 15 einerseits und der diesen tragenden Welle 4 andererseits im Zuge einer Betätigung der Absperrklappe 1 im Einzelnen erkennen. Von Interesse ist dabei vor allem der – in einem Durchbruch 10 eines mit dem Abschirmblech 16 mechanisch verbundenen Gehäuses 5 aufgenommene – Lagermechanismus der besagten Absperrklappe 1, welcher auf dem Zusammenwirken zweier keramischer Radialgleitlager 11, 12 mit einer in das Gehäuse 5 eingepressten Wellenfeder 13 beruht. Gemäß der in der Werkstoffkunde üblichen Begriffsbestimmung ist dabei jedwedes Radialgleitlager als keramisch anzusehen, welches im Wesentlichen aus einem anorganischen, feinkörnigen Rohstoff unter Wasserzugabe bei Raumtemperatur geformt, getrocknet und in einem anschließenden Brennprozess oberhalb von 700°C gehärtet wurde. Mangels einer diesbezüglich eindeutigen Begriffsbestimmung sei dabei ausdrücklich auch die Rohstoffgruppe der Metalloxide erfasst.
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Die Radialgleitlager 11, 12 der vorliegenden Ausführungsform sind dabei als scheibenförmige, im Wesentlichen baugleiche Drehlager mit Feststoffreibung ausgeführt, welche zumindest zwei Freiheiten der die Radialgleitlager 11, 12 axial durchragenden Welle 4 in radialer Richtung ihres kreisförmigen Querschnitts, also quer zur angestrebten Drehachse der Welle 4, unterbinden. Ein dem beschriebenen Wirkprinzip entsprechendes Lager wird aus diesem Grund mitunter auch als Querlager oder Traglager bezeichnet. Der Freiheitsgrad der Anordnung wird durch einen den Durchbruch 10 in radialer Richtung des Gehäuses 5 verschließenden Deckel 14 weiter eingeschränkt, sodass der Welle 4 auch eine Linearbewegung entlang ihrer Drehachse weitgehend verwehrt bleibt. Ein seitliches Verkippen der Welle 4 innerhalb des Durchbruchs 10 wird ferner dadurch unterbunden, dass das erste Radialgleitlager 11 vom zweiten Radialgleitlager 12 durch die elastische Vorspannkraft einer zwischen den Radialgleitlagern 11, 12 eingefügten Wellenfeder 13 in einem durch den Deckel 14 konstruktiv begrenzten Abstand gehalten wird.
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3 schließlich zeigt eine perspektivische Gesamtansicht der Absperrklappe 1 im Rahmen einer gattungsgemäßen Abgasanlage 2, wie sie etwa zur Abgas- oder Rauchgasreinigung, als Saugzug oder Schornstein einer Feuerung sowie als sogenannter Auspuff eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug ihren Einsatz findet. Ungeachtet alternativer Ausführungsformen sei vorliegend vom Auspuff eines Ottomotors auszugehen, wobei die Abgasanlage 2 neben der in 3 dargestellten Absperrklappe 1 weitere nicht gezeigte, untereinander in Fluidverbindung stehende Baugruppen wie beispielsweise einen Abgaskrümmer, ein Hosenrohr, einen Katalysator, einen Mittelschalldämpfer oder Vorschalldämpfer, einen Endschalldämpfer sowie ein Endrohr umfasst.
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In ihrem in 3 illustrierten betriebsbereiten Zustand ist die Scheibe 3 innerhalb des Gehäuses 5 mittels einer – quer zu der vorgesehenen Drehachse knapp oberhalb des Mittelpunkts der Scheibe 3 angeordneten – ersten Schraube 6 sowie einer achsparallel zu dieser ausgerichteten, jedoch in einem oberen Randbereich der Scheibe 3 angeordneten zweiten Schraube 7 mit der Welle verbunden. Eine zusätzliche Stabilisierung ihrer Drehachse erfährt die Scheibe 3 dabei durch das Zusammenwirken eines diametral gegenüber der Welle 4 am abbildungsgemäß untersten Randpunkt der Scheibe 3 befestigten Zapfens 9 mit einer in dessen Verlängerung in dem Gehäuse 5 komplementär geformten Vertiefung. Die als Rotationskörper ausgebildete, der Scheibe 3 als Drehfinger dienende Spitze des Zapfens 9 besitzt hierzu vorliegend die Gestalt eines abgerundeten Kegelstumpfes, welcher im Bereich seiner konoiden Mantelfläche in die konkave Vertiefung eingreift und einem unerwünschten Abrutschen des Zapfens aus seinem vorgesehenen Sitz während der Drehbewegung entgegenwirkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2006/003017 A1 [0003]
- EP 0835998 B1 [0004]
