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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgasturbolader mit einer Turbine, die mit einer verstellbaren Turbinengeometrie und/oder einem Wastegateventil ausgestattet ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem solchen Abgasturbolader.
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Aus der
DE 11 2012 002 909 T5 ist ein gattungsgemäßer Abgasturbolader mit einer Turbine bekannt, die mit einer verstellbaren Turbinengeometrie und/oder einem Wastegateventil ausgestattet ist. Ebenfalls vorgesehen ist eine Betätigungseinrichtung, die über ein erstes Betätigungselement gelenkig mit einem zweiten Betätigungselement des Wastegateventils oder der variablen Turbinengeometrie verbunden ist, wobei das erste Betätigungselement über einen Pin mit dem zweiten Betätigungselement gekoppelt ist. Der Pin weist dabei eine zylindrische Außengestalt auf und ist in einer ebenso zylindrischen Durchgangsöffnung des zweiten Betätigungselements gelagert. Aus diesem Grund besteht zwischen dem Pin und der Durchgangsöffnung im zweiten Betätigungselement ein Radial- und Axialspiel, welches durch Fertigungstoleranzen und Randbedingungen des Abgasturboladers sowohl größer als auch kleiner ausgeprägt sein kann. Insbesondere durch ein erhöhtes Axialspiel kann es im Betrieb des Abgasturboladers zu Relativbewegungen zwischen dem Pin und der Durchgangsöffnung kommen, wodurch ein erhöhter Verschleiß und insbesondere auch akustische Auffälligkeiten auftreten können.
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Aus der
US 2013/0333379 A1 ist ebenfalls ein gattungsgemäßer Abgasturbolader bekannt, bei welchem ein zusätzlicher Federclip zur Reduzierung des Axialspiels eingesetzt wird. Ein derartiger Federclip ist jedoch sowohl in der Herstellung als auch in der Montage vergleichsweise teuer.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Abgasturbolader der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, bei welcher insbesondere akustische Auffälligkeiten und ein erhöhter Verschleiß im Bereich einer Koppelstelle zwischen einem ersten Betätigungselement und einem zweiten Betätigungselement konstruktiv einfach minimiert werden können.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, anstelle eines bislang zylindrischen Pins zum gelenkigen Koppeln eines zweiten Betätigungselements mit einem ersten Betätigungselement nun erstmals einen konusförmigen Pin zu verwenden, der eine komplementär dazu ausgebildete konusförmige Durchgangsöffnung im zweiten Betätigungselement durchgreift. Durch den konusförmigen Pin und die zugehörige konusförmige Durchgangsöffnung wird der Pin bei einer über das erste Betätigungselement eingetragenen Stellkraft in Axialrichtung des Pins verstellt, bis er flächig an der konusförmigen Durchgangsöffnung des zweiten Betätigungselements anliegt und an einer weiteren Axialbewegung, je nach Anordnung des Konus durch einen Sicherungsring, einen auf den Pin aufgestauchten Kopf oder aber durch das erste Betätigungselement selbst gehindert wird. Der konusförmige Pin und die zugehörige konusförmige Durchgangsöffnung bewirken somit eine Zwangsführung, wobei die Steigung des konischen Pins so zu wählen ist, dass keine Selbsthemmung auftritt, was dadurch erreicht werden kann, dass eine tangential an der Geometrie verlaufende Stellkraft FST größer ist als eine Reibkraft FR. Der erfindungsgemäße Abgasturbolader weist dabei in bekannter Weise eine Turbine auf, die mit einer verstellbaren Turbinengeometrie und/oder einem Wastegateventil ausgestattet ist. Ebenfalls vorgesehen ist eine Betätigungseinrichtung, die über das erste Betätigungselement gelenkig mit dem zweiten Betätigungselement entweder des Wastegateventils oder der variablen Turbinengeometrie verbunden ist. Das erste Betätigungselement ist nun über den zumindest bereichsweise konusförmigen Pin mit dem zweiten Betätigungselement gekoppelt, der die im zweiten Betätigungselement komplementär dazu ausgebildete, konusförmige Durchgangsöffnung durchgreift.
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In der nachfolgenden Beschreibung wird dabei stets davon ausgegangen, dass der konusförmige Pin an dem ersten Betätigungselement angeordnet ist, während die konusförmige Durchgangsöffnung am zweiten Betätigungselement vorgesehen ist. Rein theoretisch ist es selbstverständlich aber auch denkbar, dass der konusförmige Pin am zweiten Betätigungselement und die komplementär dazu ausgebildete konusförmige Durchgangsöffnung an dem ersten Betätigungselement angeordnet sind.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist der Pin fest mit dem ersten Betätigungselement verbunden, beispielsweise vernietet. Hierdurch ist es möglich, den Pin einfach, zuverlässig und gleichzeitig schnell an dem ersten Betätigungselement anzuordnen, wofür zunächst in das erste Betätigungselement selbst eine Bohrung eingebracht wird, durch welche der zumindest bereichsweise konusförmig ausgebildete Pin mit einem Nietfuß gesteckt wird. Anschließend wird der Nietfuß zu einem Nietkopf auf der dem Konus gegenüberliegenden Seite der Bohrung umgeformt und dadurch der Pin fest mit dem ersten Betätigungselement verbunden. Alternativ kann der Pin selbstverständlich mit dem ersten Betätigungselement auch verklebt, verschweißt, verlötet oder in anderer Weise verbunden werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist ein Winkel α einer konusförmigen Flanke des Pins wie folgt definiert: µ < tanα, wobei µ der Reibwert zwischen dem Pin und der Durchgangsöffnung ist. Durch dieses Verhältnis kann zuverlässig gewährleistet werden, dass zwischen dem Pin und der zugehörigen konusförmigen Durchgangsöffnung kein Selbsthemmungseffekt auftritt und dadurch eine zumindest geringfügige Axialverstellung des Pins in der Durchgangsöffnung ermöglicht wird. Durch die flächige oder zumindest linienförmige Anlage des Pins in der konusförmigen Durchgangsöffnung lassen sich sowohl der Verschleiß als auch das Auftreten akustischer Auffälligkeiten deutlich reduzieren. Durch die konusförmigen Flanken des Pins und der zugehörigen Durchgangsöffnung kann zudem auch ein Verkanten des Pins in der Durchgangsöffnung zuverlässig verhindert werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist ein Sicherungselement, insbesondere ein Sicherungsring, vorgesehen, das/der den Pin in der Durchgangsöffnung sichert. Zur Fixierung des als Sicherungsring ausgebildeten Sicherungselements, weist der Pin an einem dem ersten Betätigungselement abgewandten Ende eine Ringnut oder eine nutartige Vertiefung zur Aufnahme des Sicherungsrings auf. Diese Ringnut kann dabei wahlweise ebenfalls in einem konusförmigen Bereich des Pins oder aber in einem sich daran anschließenden zylinderförmigen Abschnitt vorgesehen werden. Durch den Sicherungsring kann auf jeden Fall zuverlässig gewährleistet werden, dass ein zumindest geringes Axialspiel des Pins in der Durchgangsöffnung ermöglicht, ein Herausgleiten desselben aus der Durchgangsöffnung jedoch zuverlässig unterbunden wird. Selbstverständlich kann das Sicherungselement auch als Sicherungsstift ausgebildet sein, das in einer zugehörigen Bohrung am Pin eingreift.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem solchen Abgasturbolader auszustatten, wodurch der große Vorteil erreicht werden kann, dass die aufgrund der häufigen Stellbewegungen des Wastegateventils bzw. der variablen Turbinengeometrie im Bereich der Koppelstelle zwischen erstem Betätigungselement und zweitem Betätigungselement auftretenden Stellkräfte einen lediglich geringeren Verschleiß und geringere akustischen Auffälligkeiten erzeugen. Hierdurch kann insbesondere ein ruhigerer und verschleißärmerer Betrieb der Brennkraftmaschine erreicht werden.
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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 Komponenten beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine Schnittdarstellung durch eine Koppelstelle zwischen einem ersten Betätigungselement und einem zweiten Betätigungselement bei einem Abgasturbolader gemäß dem Stand der Technik,
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2 eine Darstellung wie in 1, jedoch mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Pin und einer komplementär dazu ausgebildeten Durchgangsöffnung bei Anlage des Pins am zweiten Betätigungselement,
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3 eine Darstellung wie in 2, jedoch bei einer Anlage des Pins und eines Sicherungsrings am zweiten Betätigungselement.
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In der nachfolgenden Beschreibung werden für die 1 bis 3 jeweils die gleichen Bezugszeichen für gleiche Bauteile verwendet, wobei die gemäß der 1 verwendeten Bezugszeichen aufgrund des Umstandes, dass es sich bei der 1 um eine Darstellung einer Koppelstelle aus dem Stand der Technik handelt, zusätzlich um ein Apostroph ergänzt wurden.
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Entsprechend den 2 und 3, weist ein erfindungsgemäßer Abgasturbolader 1 eine nicht näher dargestellte Turbine 2 auf, die mit einer verstellbaren Turbinengeometrie 3 und/oder einem Wastegateventil 4 ausgestattet ist. Ebenso vorgesehen ist eine Betätigungseinrichtung 5, die über ein erstes Betätigungselement 6 gelenkig mit einem zweiten Betätigungselement 7 des Wastegateventils 4 oder der variablen Turbinengeometrie 3 verbunden ist. Das erste Betätigungselement 6 ist dabei über einen Pin 8 mit dem zweiten Betätigungselement 7 gelenkig verbunden. Im zugehörigen zweiten Betätigungselement 7 ist dabei eine Durchgangsöffnung 9 vorgesehen, die der Pin 8 durchgreift.
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Generell kann es sich bei dem ersten oder zweiten Betätigungselement 6, 7 um eine Regelstange, einen Aktuatorenhebel, eine Koppelstange oder einen Stellhebel handeln, die über eine Dreipunktkinematik oder eine Vierpunktkinematik gelenkig miteinander verbunden sind. Bei einer Vierpunktkinematik ist auch denkbar, dass zwei Pins 8 an der Koppelstange fest angeordnet sind und in zugehörige Durchgangsöffnungen 9 des Aktuatorenhebels und des Stellhebels eingreifen.
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In diesem Fall wäre somit die Koppelstange das erste Betätigungselement 6 und der Aktuatorenhebel und der Stellhebel das zweite Betätigungselement 7.
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Betrachtet man nun den Abgasturbolader 1’ gemäß der 1 entsprechend dem Stand der Technik, so kann man erkennen, dass der Pin 8’ ebenso wie die zugehörige Durchgangsöffnung 9’ im zweiten Betätigungselement 7’ zylindrisch ausgebildet sind, was insbesondere zu einem Verkanten des Pins 8’ in der Durchgangsöffnung 9’ und damit zu einem erhöhten Verschleiß und akustischen Auffälligkeiten führen kann. Um sowohl den Verschleiß als auch das Auftreten akustischer Auffälligkeiten zumindest reduzieren zu können, schlägt die Erfindung, wie sie in den 2 und 3 dargestellt ist, vor, dass der Pin 8 zumindest bereichsweise konusförmig ausgebildet ist, das heißt im vorliegenden Fall im Bereich 10, während im zweiten Betätigungselement 7 eine komplementär dazu ausgebildete, konusförmige Durchgangsöffnung 9 vorgesehen ist, die der Pin 8 durchgreift.
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Betrachtet man dabei die 2 und 3, so kann man erkennen, dass der Pin 8 fest mit dem ersten Betätigungselement 6 verbunden, beispielsweise vernietet, verklebt, verschweißt, verlötet oder verschraubt ist. Im vorliegenden Fall ist der Pin 8 über eine Nietverbindung 11 mit dem ersten Betätigungselement 6 verbunden. Zudem kann man erkennen, dass sich der konusförmige Pin 8 ausgehend von dem ersten Betätigungselement 6 verjüngt, oder umgekehrt.
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Des Weiteren vorgesehen ist ein Sicherungsring 12, der den Pin 8 in der Durchgangsöffnung 9 sichert, wobei der Pin 8 hierzu an einem dem ersten Betätigungselement 6 abgewandten freien Ende bzw. Endbereich eine Ringnut 13 zur Aufnahme des Sicherungsrings 12 aufweist. Die Ringnut 13 bzw. eine entsprechende Nut zur Fixierung des Sicherungsrings 12 am Pin 8 kann dabei innerhalb des konischen Bereichs 10 bzw. an dessen Längsende oder wie in den 2 und 3 dargestellt ist, in einem sich an den konischen Bereich 10 anschließenden, zylindrischen Abschnitt 14 angeordnet sein und einen Übergang zwischen dem konischen Bereich 10 und dem zylindrischen Abschnitt 14 markieren. Anstelle des Sicherungsringes 12 kann der Pin 8 auch einen gestauchten Kopf 17 aufweisen, wie dies mit unterbrochen gezeichneter Linie in 3 dargestellt ist. Wiederum alternativ hierzu ist ein beliebiges anderes Sicherungselement, beispielsweise ein Splint, anstelle des Sicherungsringes denkbar.
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Generell funktioniert der zumindest bereichsweise konusförmige Pin 8 mit der zugehörigen konusförmigen Durchgangsöffnung 9 wie folgt: Durch eine Krafteinwirkung FS wird der Pin 8 an das zweite Betätigungselement 7 gedrückt, wie dies gemäß der 2 dargestellt ist. Die konische Geometrie des Pins 8 und der zugehörigen Durchgangsöffnung 9 zwingen nun den Pin 8 in eine Abwärtsbewegung, bis der Sicherungsring 12 am zweiten Betätigungselement 7 anliegt, wie dies gemäß der 3 gezeigt ist. Hierdurch wird ein Anlegen des Pins 8 innerhalb der Durchgangsöffnung 9 durch die Zwangsführung ermöglicht. Damit sich diese Zwangsführung einstellen kann, ist die Steigung einer konischen Flanke 15 des konischen Pins 8 so zu wählen, dass keine Selbsthemmung auftritt. Hierzu muss die tangential an der Geometrie verlaufende Stellkraft FST größer sein als die Reibkraft FR.
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Für die Berechnung des Winkels α gilt somit Folgendes: FR < FST und FN = FSN, wobei für die Reibkraft FR gilt: FR < FS μ·sinα und für die Normalkraft FN = FS·cosα.
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Hieraus folgt FR < FN·tanα mit FR = µ·FN, woraus sich folgende Gleichung ergibt: µ·FN < FN·tanα, woraus sich wiederum unter der Bedingung, dass die Normalkraft FN > 0 ist, die Bedingung µ < tanα ergibt.
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In den vorherigen Gleichungen bedeuten:
FS Stellkraft,
FST tangentiale Stellkraft,
FSN normale Stellkraft,
FR Reibkraft, und
FN Normalkraft.
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Mit dem erfindungsgemäßen Pin 8, der selbstverständlich rein theoretisch auch am zweiten Betätigungselement 7 angeordnet sein kann, wobei in diesem Fall dann die Durchgangsöffnung 9 am ersten Betätigungselement 6 angeordnet wäre, kann ein verschleißärmerer und insbesondere auch akustisch wenig auffälligerer Betrieb eines solchen Abgasturboladers 1 durch eine einfache geometrische Gestaltung des Pins 8 und der Durchgangsöffnung 9 und ohne zusätzliche Federelemente erreicht werden.
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Ein derartiger Abgasturbolader 1 kann dazu genutzt werden, um eine hiermit ausgestattete Brennkraftmaschine 16 ebenfalls verschleiß- und geräuschärmer betreiben zu können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112012002909 T5 [0002]
- US 2013/0333379 A1 [0003]
