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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Filterelement, insbesondere ein Flachfilterelement, insbesondere eines Luftfilters, zum Einsetzen in ein Filtergehäuse, insbesondere einer Brennkraftmaschine. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Filtergehäuse, eine Spannvorrichtung für ein Filterelement eines Filters sowie ein Filtersystem.
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Stand der Technik
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Es sind Filterelemente, insbesondere Flachfilterelemente, für Luftfilter bekannt, welche austauschbar in ein Filtergehäuse eingesetzt werden können. Derartige Filterelemente werden im Betrieb über eine rohluftseitige Anströmfläche angeströmt. Auf der Reinseite des Filterelements verlässt die gereinigte Luft das Filterelement über eine Abströmfläche, welche in der Regel gegenüber der Anströmfläche liegt. Das Filterelement kann beispielsweise reinseitig gegenüber dem Filtergehäuse abgedichtet sein. Eine solche Dichtung umfängt die Anströmfläche und wird mittels einer Spannvorrichtung gegen das Filtergehäuse gepresst.
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Mit der Forderung nach immer größeren Filterstandzeiten und/oder größeren Luftvolumenströmen erhöht sich die Größe und damit auch die Masse eines solchen Filterelements. Bei einem Einsatz derartiger Filterelemente in entsprechenden Filtersystemen treten beispielsweise aufgrund von Vibrationen, die auf das Filtersystem übertragen werden, hohe Beschleunigungen des Flachfilterelements auf. Übersteigt die auf das Filterelement ausgeübte Kraft die Anpresskraft des Filterelements gegen die Dichtung, können kurzzeitig Undichtigkeiten entstehen. Auf diese Weise können in den Ansaugkanal Luftverschmutzungen eindringen und die Funktionsfähigkeit und die Lebensdauer eines Motors beeinträchtigen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Filterelement, ein Filtergehäuse, eine Spannvorrichtung für ein Filterelement eines Filters sowie ein Filtersystem anzugeben, welche die genannten Nachteile vermeiden und insbesondere eine dauerhafte Dichtigkeit zwischen Filterelement und Filtergehäuse auch bei hohen Beschleunigungen sicherstellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch ein Filterelement gemäß Anspruch 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Filterelement weist eine Anströmfläche, eine Abströmfläche sowie eine Spannvorrichtung zur Befestigung des Filterelements in einem Filtergehäuse auf. Das Filterelement weist außerdem eine Dichtung zum luftdichten Abdichten der Anströmfläche oder der Abströmfläche gegen ein Filtergehäuse auf. Über die Spannvorrichtung ist eine Kraft auf die Dichtung zum Erzielen oder Verstärken der Dichtwirkung einleitbar. Die Spannvorrichtung weist ein Elastomer oder ein elastisches Element in einem Bereich auf, über den die Kraft auf die Dichtung einleitbar ist. Insbesondere kann das elastische Element eine Dämpfungseigenschaft besitzen. Das Elastomer oder das elastische Element begrenzt zum einen die auf die Dichtung ausgeübte Kraft der Spannvorrichtung auf einen bestimmten Wert im gespannten Zustand. Es ist damit möglich, zum Erzielen einer zuverlässigen Dichtwirkung die Dichtung mit einer definierten Kraft zu verpressen. Es ist nicht notwendig, die auf die Dichtung ausgeübte Kraft so groß als möglich zu gestalten, da ein Anliegen der Dichtung des Filterelements an dem Filtergehäuse über die definierte Dichtkraft gewährleistet ist. Als Konsequenz kann die Dichtung bei eventuell auftretenden Beschleunigungen weiter komprimiert werden, ein Beschädigen der Dichtung wird verringert. Andererseits wirkt bei Kräften, die das Filterelement von dem Filtergehäuse abzuheben versuchen, die Federkraft des Elastomers oder des elastischen Elements entgegen. Insbesondere verstärkt sich diese Kraft mit zunehmender Auslenkung und hält somit das Filterelement im an das Filtergehäuse angepressten Zustand. Das Risiko einer Undichtigkeit ist somit deutlich verringert.
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Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Spannvorrichtung mittels eines Drehgelenks an dem Filterelement befestigt ist und mittels eines Hebels, insbesondere mittels eines Exzenterhebels, betätigbar ist. Dies stellt eine bauraumoptimierte Ausführungsform dar, die gleichzeitig das Übertragen einer hohen Spannkraft ermöglicht.
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Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der Hebel im geschlossenen Zustand des Filtergehäuses blockiert ist. Es kann somit ein unbeabsichtigtes Verringern der durch die Spannvorrichtung ausgeübten Spannkraft verhindert werden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das elastische Element in einem Kontaktbereich zwischen Spannvorrichtung und Filtergehäuse angeordnet ist. Somit wird die Federungs- und Dämpfungseigenschaft der Spannvorrichtung an dem Punkt entfaltet, der dem Filtergehäuse am nächsten ist. Dies reduziert die bewegten Massen beim Federvorgang und verringert somit insgesamt die auftretenden Kräfte.
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Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das elastische Element eine Metallfeder aufweist. Metallfedern sind einfach herzustellen, die Federkraft bleibt über einen langen Zeitraum weitgehend verschleißfrei erhalten.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Elastomer ein thermoplastisches Elastomer, insbesondere ein thermoplastisches Polyurethan, ist. Es lässt sich somit einfach und kostengünstig in der gewünschten Form produzieren.
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Die Aufgabe wird des weiteren durch ein Filtergehäuse, insbesondere eines Luftfilters, zur Aufnahme eines Filterelements, insbesondere eines Flachfilterelements, gelöst. Das erfindungsgemäße Filtergehäuse weist eine Anströmöffnung, eine Abströmöffnung und eine Stützstruktur auf. Über die Stützstruktur ist mittels einer Spannvorrichtung eine Kraft auf ein Filterelement zum Erzielen oder Verstärken einer Dichtwirkung zwischen dem Filtergehäuse und einem Filterelement einleitbar. Die Stützstruktur weist ein elastisches Element, insbesondere mit Dämpfungseigenschaft, auf. Es sind somit die Vorteile des erfindungsgemäßen Filterelements auch allein durch das Vorsehen eines entsprechenden elastischen Elements an einem Filtergehäuse realisierbar. Auch hier kann es sich bei dem elastichen Element um ein Elastomer, insbesondere ein thermoplastisches Elastomer, insbesondere ein elastisches Thermopolyurethan oder eine Metallfeder handeln.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird außerdem durch eine Spannvorrichtung für ein Filterelement eines Filters gelöst. Die Spannvorrichtung ist dazu ausgelegt, über eine Abstützung an einer Stützstruktur eines Filtergehäuses eines Filters eine Kraft auf ein Filterelement einzuleiten, die eine Dichtwirkung einer Dichtung zwischen dem Filterelement und dem Filtergehäuse erzielt oder verstärkt. Die Spannvorrichtung weist ein elastisches Element, insbesondere mit Dämpfungseigenschaft, in einem Bereich auf, in dem die Kraft auf Filtergehäuse und Filterelement ausgeübt wird. Die Spannvorrichtung kann beispielsweise oben auf das Filterelement aufgeschoben, angeclipst oder in das Filtergehäuse eingeschoben werden.
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Die Erfindung wird außerdem durch ein Filterystem mit einem erfindungsgemäßen Filterelement sowie einem herkömmlichen Filtergehäuse zur Aufnahme eines solchen Filterelements oder einem erfindungsgemäßen Filtergehäuse sowie einem herkömmlichen Filterelement für ein solches Filtergehäuse oder einer erfindungsgemäßen Spannvorrichtung, einem Filterelement für eine solche Spannvorrichtung sowie ein Filtergehäuse für ein solches Filterelement gelöst.
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Es ist möglich, an die Spannvorrichtung, das Filterelement oder das Filtergehäuse das elastische Dämpfungselement mittels 2K-Spritzgießtechnik anzubringen. Das Dämpfungselement kann durch metallische Federn oder durch thermoplastische Elastomere wie zum Beispiel TPU realisiert werden. So können Toleranzen des Filtergehäuses, des Filterelements, etc. kompensiert werden und das Element unter Last oder unter Schwingung über den elastischen beziehungsweise federnden Anteil eine Dämpfung erfahren.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine Teilansicht eines Filters mit einem erfindungsgemäßen Filterelement;
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2 eine Teilansicht eines Filters mit einem alternativen erfindungsgemäßen Filterelement;
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3 eine Ansicht des erfindungsgemäßen Filterelements der 2;
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4 eine vergrößerte Teilansicht des erfindungsgemäßen Filterelements der 3;
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5 eine alternative Ausführung in einer vergrößerten Teilansicht eines erfindungsgemäßen Filterelements;
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6 eine weitere alternative Ausführungsform in einer vergrößerten Teilansicht eines erfindungsgemäßen Filterelements;
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7 eine weitere alternative Ausführungsform in einer vergrößerten Teilansicht eines erfindungsgemäßen Filterelements;
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8 eine erfindungsgemäße Spannvorrichtung;
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9 ein erfindungsgemäßes Filtergehäuse;
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10 ein Detail des erfindungsgemäßen Filtergehäuses der 9;
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11 eine Querschnittsansicht des in 1 gezeigten Filters;
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12 eine Seitenansicht des in 11 gezeigten Filters mit einer teilweise weggelassenen Seitenfläche;
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13 eine Seitenansicht des in 11 gezeigten Filters mit vollständig weggelassener Seitenfläche; und
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14 eine vergrößerte Detailansicht des in 13 gezeigten Filters.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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1 zeigt eine Ansicht eines Filters 10 mit einem erfindungsgemäßen Filterelement 100. Der Filter 10 weist ein Filtergehäuse 12 auf, welches das Filterelement 100 vollständig umschließt. Zur besseren Veranschaulichung der Einbausituation sind Teile des Filtergehäuses 12 weggelassen. Im Oberbereich des Filtergehäuses 12 ist ein abnehmbarer Deckel 13 vorgesehen. Das Filterelement 100 wird mit vorgereinigter Ansaugluft über einen Zyklonblock 15 versorgt. Mit dem Filtergehäuse 12 luftdicht verbunden ist ein Abströmbereich 14, über den gefilterte Luft das Filterelement 100 verlässt. In 1 ist das Filterelement als sogenannter Doppelbalg ausgeführt. In 2 ist eine Ausführungsform ohne Zyklonblock gezeigt, in der das Filterelement 100 als Flachfilter ausgeführt ist.
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3 zeigt das Filterelement 100 der 2 außerhalb des Filtergehäuses 10. Das erfindungsgemäße Filterelement 100 ist vorliegend als Flachfilterelement für einen Luftfilter ausgebildet und kann beispielsweise im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine Anwendung finden. Das Filterelement 100 weist eine Abströmfläche 110 auf. Über die reinluftseitige Abströmfläche 110 wird durch das in dem Filterelement 100 befindliche Filtermedium (nicht abgebildet) gereinigte Luft abgeführt. Über eine Anströmfläche 120 wird rohluftseitige Ansaugluft dem Filterelement 100 zugeführt. Hier kann auch ein Zyklonblock zur Vorabscheidung (nicht dargestellt) vorgeschaltet sein. Die Anströmfläche 120 liegt bei der gewählten Bauform eines Flachfilterelements der Abströmfläche 110 gegenüber. Es ergibt sich in dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel eine Hauptströmungsrichtung von links nach rechts, also von der Anströmfläche 120 zu der Abströmfläche 110, dargestellt durch die strichpunktierte Achse X.
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Das insgesamt im Wesentlichen quaderförmig gestaltete Filterelement 100 weist eine in einer Ebene senkrecht zur Hauptluftströmungsrichtung X umlaufende Verstärkungsstruktur 200 auf. An dieser Verstärkungsstruktur 200 ist an zwei einander gegenüberliegenden Seiten des Filterelements 100 je ein Drehlager 210 vorgesehen. In 3 ist nur ein Drehlager sichtbar. Die Drehlager 210 weisen einen an der Verstärkungsstruktur 200 angebrachten Lagerzapfen 220 auf. Um diesen Lagerzapfen 220 drehbar angeordnet ist ein das Filterelement 100 umgreifendes Hebelelement 230. Das Hebelelement 230 weist im Bereich des Drehgelenks 210 auf der entgegen der Hauptströmungsrichtung X, also anströmseitig des Drehzapfens 220 einen Abstützbereich 240 und abströmseitig des Drehzapfens 220 einen elastischen Bereich 250 so ausgebildet auf, dass sich insgesamt ein Exzenterhebel ergibt.
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In der in 3 gezeigten Stellung der Spannvorrichtung 130 kontaktiert der Abstützbereich 240 eine Stützstruktur 260 des Filtergehäuses 12. Der elastische Bereich 250 kontaktiert einen mit dem Filterelement 100 fest verbundenen Tragrahmen 270. Es entsteht dadurch ein Kraftschluss zwischen dem Filtergehäuse 12 und dem Filterelement 100. Der Drehzapfen 220 ist vorteilhafterweise in dem Drehgelenksbereich 210 des Hebelements 230 mit so ausreichend Spiel gelagert, dass die Kraftübertragung mit ausreichendem Federweg stattfinden kann.
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4 zeigt eine vergrößerte Teilansicht des Drehgelenkbereichs 210 des Filterelements 100 der 3. Wie erwähnt weist der Drehzapfen 220 in dem Drehlager 210, insbesondere bezüglich einer Lagerfläche 215 des Drehlagers 210, ausreichend Spiel auf. Die Stützstruktur 260 kann beispielsweise als Filtergehäusestufe realisiert sein. Der elastische Bereich 250 ist in der vorliegenden Ausführungsform mit zwei Metallfedern 251 sowie einem beweglich gelagerten Anlageelement 252 ausgebildet. Das Anlageelement 252 ist so ausgebildet, dass es sich um einen definierten Federweg entgegen der Hauptströmungsrichtung X, also stromaufwärts in Richtung des Lagerzapfens 220 beziehungsweise stromabwärts in Richtung des Tragrahmens 270 bewegen kann. Es ist gegen ein Herausfallen gesichert. Das Anlageelement 252 liegt an dem Tragrahmen 270, insbesondere an einer Anlagefläche 271 desselben auf. Die Anlagefläche 271 ist in dem Bereich, in dem das Anlageelement 252 anliegt, im Wesentlichen parallel zu der beispielsweise als Gehäusestufe ausgebildeten Stützstruktur 260 ausgebildet. Das Anlageelement 252 kann an seiner der Anlagefläche 271 des Tragrahmens 270 zugewandten Fläche so ausgeformt sein, dass es teilweise in die Anlagefläche 271 eingreift. Dies verhindert ein Verschieben von Anlageelement 252 und Tragrahmen 270 relativ zueinander.
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Im Falle einer Auslenkung des Filterelements 100 entgegen der Hauptströmungsrichtung X, die zu einer Verringerung der Dichtkraft oder einem Abheben der Dichtung 140 von dem Filtergehäuse 12 führen würde, übt das Filterelement 100 über die Anlagefläche 271 des Tragrahmens 270 eine Kraft auf das Anlageelement 252 aus. Das Anlageelement 252 wiederum komprimiert die Federn 251, da das Hebelelement 230 über den Abstützbereich 240 an der Stützstruktur 260 anliegt. Die durch die Federn 251 ausgeübte Gegenkraft ist durch die Kennlinie der Federn 251 bestimmt und kann beispielsweise linear mit der Auslenkung zunehmen. Alternativ kann auch eine nicht lineare Federkennlinie vorgesehen sein. Dies kann insbesondere bei Vibrationen eine Dämpfung der Bewegung des Filterelements 100 bewirken.
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5 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Drehlagers 210 einer alternativen Ausführungsform eines Filterelements 100. Im Unterschied zu der in 4 gezeigten Ausführungsform ist vorliegend anstatt einer metallischen Federung ein thermoplastisches Elastomerelement 253, wie beispielsweise TPU, in dem elastischen Bereich 250 vorgesehen. Das Anlageelement 252 ist aus einem härteren und damit abriebfesteren Material ausgestaltet. Dies hat den Vorteil, dass das Elastomerelement 253 ausschließlich hinsichtlich seiner elastischen Eigenschaften optimiert werden kann. Zur besseren Gestaltung der Federungs- und Dämpfungseigenschaften des Elastomerelements 253 sind Aussparungen 254 in dem Elastomerelement 253 angebracht.
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6 eine vergrößerte Ansicht des Drehlagers 210 einer alternativen Ausführungsform eines Filterelements 100. Im Unterschied zu der Ausführungsform der 5 ist ein Elastomerelement 255 vorgesehen, das ohne Anlageelement ausgebildet ist. Dies hat den Vorteil einer einfacheren und damit kostengünstigeren Fertigung.
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7 eine vergrößerte Ansicht des Drehlagers 210 einer alternativen Ausführungsform eines Filterelements 100. Im Unterschied zu den vorhergehend beschriebenen Ausführungsformen ist der stromabwärts des Drehzapfens 210 befindliche Bereich des hebelseitigen Teils des Drehgelenks 210 nicht als elastischer Bereich, sondern als Abstützbereich 241 ausgebildet. Als elastische Komponente ist in den Tragrahmen 270, wie beispielsweise die Endscheibe des Filterelements 100, ein elastisches Dämpfungselement 257 integriert. Dies kann durch eine geeignete Strukturierung des Tragrahmens 270 und/oder durch Verwendung eines geeigneten Materials wie TPU realisiert werden.
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8 zeigt eine erfindungsgemäße Spannvorrichtung 300. Die erfindungsgemäße Spannvorrichtung 300 weist einen Rahmen 310 sowie ein als Exzenterhebel ausgebildetes Hebelelement 230 auf. Der Rahmen 310 ist so gestaltet, dass er über ein passendes Filterelement geschoben werden kann. Die Ausgestaltung des Hebelelements 230 entspricht der der vorausgehend beschriebenen Ausführungsformen. Eine detaillierte Beschreibung des Hebelelements 230 sowie der zugehörigen Drehlager 210 wird somit weggelassen. Der Rahmen 310 der Spannvorrichtung wird im Betrieb über ein Filterelement geschoben und gelangt an einer Rahmenstruktur eines Filterelements stromabwärts zum Anschlag. Wie bereits vorausgehend beschrieben, gelangt bei einer Verspannung der Spannvorrichtung 300 der Abstützbereich 240 des Drehlagers 210 zum Anschlag mit einer Stützstruktur eines Gehäuses, wie etwa Gehäusestufe. Der elastische Bereich 250 wiederum liegt an einer Tragstruktur des Filterelements an. Somit werden über die Spannvorrichtung 300 auf ein Filterelement auftretende Kräfte an das Filtergehäuse über das Hebelelement 230, insbesondere über den elastischen Bereich 250 und den Abstützbereich 240, weitergeleitet beziehungsweise gedämpft.
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9 zeigt ein erfindungsgemäßes Filtergehäuse 400. Das Filtergehäuse 400 weist eine Abströmöffnung 414, eine Anströmöffnung 412 sowie eine Gehäusestufe oder -rippe 410 auf. Diese ist in einer Detailansicht in 10 deutlicher gezeigt. Die Gehäusestufe 410 ist in einem elastischen Bereich 420 federnd ausgelegt. Dies kann beispielsweise durch ein Elastomer oder durch eine Metallfederanordnung realisiert werden. Gelangen Kräfte auf den elastischen Bereich 420, beispielsweise vermittelt durch eine Spannvorrichtung 130 eines Filterelements 100, können diese Kräfte den elastischen Bereich 420 auslenken und entsprechende Gegenkräfte aufgebaut werden. Das Filterelement weist in diesem Fall an dem Drehlager 210 stromabwärts keinen elastischen Bereich, sondern einen Abstützbereich 258 vergleichbar mit der Ausführungsform der 7 auf.
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11 zeigt eine Schnittansicht des in 1 dargestellten Filters 10 mit erfindungsgemäßem Filterelement 100. Das Filterelement 100 weist als primäres Filterelement des Filters 10 einen Doppelbalg auf. Die über die Anströmfläche 120 in das Filterelement 100 gelangte vorgereinigte Ansaugluft verlässt über eine Abströmfläche bzw. einen Abströmbereich 120 das Filterelement und gelangt in den Abströmbereich 14 des Gehäuses 12. Die Spannvorrichtung 130 ist in ihrer Funktionalität gleich zu der in den vorherigen Ausführungsbeispielen beschriebenen Spannvorrichtung und wirkt mit einem Tragrahmen 270 des Filtergehäuses 12 zusammen. Dies ist deutlicher in 12 gezeigt.
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12 zeigt eine Seitenansicht des in 11 und 1 gezeigten Filters 10 mit einer teilweise weggelassenen Seitenfläche des Filtergehäuses 12. Durch die teilweise weggelassene Seitenfläche ist der Tragrahmen 270 gut zu erkennen, mit dem die Spannvorrichtung 130 zusammenwirkt. Der Tragrahmen 270 ist in 13 gut zu erkennen, bei der in der gezeigten Seitenansicht die Seitenfläche des Gehäuses 12 vollständig weggelassen wurde. Der Tragrahmen 270 erstreckt sich im Wesentlichen senkrecht zur Hauptsteuerungsrichtung X entlang einer Einführrichtung Y des Filterelements 100. Die Ausdehnung des Tragrahmens 270 vergrößert sich mit zunehmender Einführtiefe des Filterelements 100. Die genaue Ausgestaltung der Anlagefläche 271 des Tragrahmens 270 an der Stelle, an der die Spannvorrichtung 130 im gespannten Zustand zu liegen kommt, ist in 14 im Detail gezeigt.
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14 zeigt eine Detailansicht der 13. Der Aufbau der Spannvorrichtung 130 entspricht im Wesentlichen der, wie sie in den 4–6 erläutert wurde. Im Unterschied zu den in den genannten Figuren beschriebenen Strukturen weist das Elastomerelement 255 einen Verraststeg 262 auf. Der Verraststeg 262 korrespondiert mit einer Verrastnut 272, die in der Anlagefläche 271 des Tragrahmens 270 vorgesehen ist. In dem Zustand, in dem das Filterelement 100 sich in dem Filtergehäuse 12 befindet und die Spannvorrichtung 130 durch den Deckel 13 des Gehäuses 12 in seiner Endposition gehalten ist, gelangt der Verratsteg 262 mit der Verrastnut 272 in Eingriff und bietet so eine zusätzliche Sicherheit gegen ein unbeabsichtigtes Öffnen der Spannvorrichtung 130. Gleichzeitig kann noch bei geöffnetem Deckel 13 des Gehäuses 12 der Bediener leicht feststellen, ob die Spannvorrichtung 130 in den Endzustand bewegt wurde. Durch das Verrasten ergibt sich eine spürbare Rückkopplung auf die Spannvorrichtung 130, die der Bediener als Signal wahrnimmt.
