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Die Erfindung betrifft ein Klappenventil für den Abgasstrang eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Kraftfahrzeugs.
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Moderne Abgassysteme von Verbrennungsmotoren verfügen in der Regel über ein Klappenventil, das der Steuerung des Abgasstroms des Verbrennungsmotors dient. Das Klappenventil weist nach einer etablierten Bauart ein Ventilgehäuse auf, durch das der Abgasstrom in Richtung der Längsachse des Ventilgehäuses führbar ist. Zur Steuerung der Abgasmenge, die durch das Ventilgehäuse strömt, dient eine Ventil- oder Klappenscheibe, die im Ventilgehäuse schwenkbar angeordnet ist. Zum Verstellen der Klappenscheibe dient ein Steller oder Aktor.
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Der Aktor kann beispielsweise druckgesteuert oder auch elektrisch betätigbar sein. Der Aktor ist über seine Aktorwelle mit einer Klappenwelle verkoppelt, an der die Klappenscheibe befestigt ist. Die Klappenscheibe ist mittels des Aktors zwischen einer den Durchgangsquerschnitt des Ventilgehäuses, zumeist vollständig, verschließenden Schließstellung und einer den Durchgangsquerschnitt des Ventilgehäuses freigebenden Öffnungsstellung schwenkbar. Für ein präzises Ansprechverhalten der Klappenscheibe auf Stellbewegungen des Aktors ist eine möglichst spielfreie mechanische Drehverkopplung des Aktors und der Klappenwelle erforderlich. Das System muss einerseits aufgrund von Montagetoleranzen axiale und radiale Ausgleichsbewegungen der Bauteile zulassen und andererseits den mit dem Betrieb der Klappeneinrichtung einhergehenden Temperaturgängen der einzelnen Bauteile Rechnung tragen können. Im Kupplungsbereich der beiden Bauteile werden für das möglichst spielfreie rotatorische Verkoppeln der beiden Wellen sowie auch die Kompensation der genannten Ausgleichsbewegung in der Regel separate Federelemente eingesetzt, durch die jedoch die Montage des Klappenventils erschwert und verteuert wird.
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Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Klappeneinrichtung mit einem guten Ansprechverhalten anzugeben, bei der Montagetoleranzen der Aktorwelle sowie der Klappenwelle relativ zueinander sowie jeweilige betriebsbedingte Wärmeausdehnungen der Bauteile zuverlässig kompensiert werden und die besonders einfach und kostengünstig zu fertigen ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Klappeneinrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung.
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Die Klappeneinrichtung kann insbesondere bei der Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor eingesetzt werden und weist ein Ventilgehäuse mit einer an einer Klappenwelle befestigten Klappenscheibe zum Variieren eines von einem Fluid durchströmbaren Durchgangsquerschnitts des Ventilgehäuses auf. Zum Verstellen der Klappenscheibe dient ein Aktor mit einer Aktorwelle, die in axialer Verlängerung der Klappenwelle angeordnet ist. Die Aktorwelle und die Klappenwelle sind über ein Verbindungselement drehfest miteinander verkoppelt. Das Verbindungselement weist einen Zentralabschnitt für den Eingriff einer der beiden Wellen, bevorzugt der Aktorwelle, und zumindest zwei Federarme auf, die sich vom Zentralabschnitt in einer zur Aktorwelle bzw. Klappenwelle radialen Richtung wegerstrecken. Die Federarme sind nach der Erfindung am Kupplungsabschnitt der jeweilig anderen Welle derart gelagert, dass das Verbindungselement an beiden Wellen in axialer Richtung federelastisch vorgespannt anliegt. Das Verbindungselement weist bei der erfindungsgemäßen Klappeneinrichtung somit eine Doppelfunktion auf. Einerseits dient dieses der rotatorischen Zwangskopplung der Aktorwelle und der Klappenwelle. Andererseits dient das Verbindungselement der axial gerichteten Entkopplung der Aktorwelle und der Klappenwelle. Dadurch können Montagetoleranzen der Aktorwelle und der Klappenwelle sowie auch Ausgleichsbewegungen der Bauteile mit dem Betrieb der Klappeneinrichtung einhergehenden Temperaturgängen der einzelnen Bauteile zuverlässig Rechnung getragen werden. So können insbesondere Wärmeausdehnungen der Klappenwelle, die im Betriebseinsatz der Klappeneinrichtung im Abgasstrang eines Kraftfahrzugs mit Verbrennungsmotor großen thermischen Belastungen ausgesetzt ist, dadurch zuverlässig kompensiert werden. Insgesamt können dadurch Funktionsstörungen der Klappeneinrichtungen minimiert und deren Lebensdauer verbessert werden. Aufgrund der Doppelfunktion des Verbindungselements erübrigt sich darüber hinaus ein eingangs erläutertes zusätzliches Federelement, sodass die erfindungsgemäße Klappeneinrichtung mit einer kleineren Anzahl erforderlicher Bauteile insgesamt kostengünstiger realisiert werden kann.
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Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung erstrecken sich die Federarme in Ausnehmungen des Kupplungsabschnitts der jeweilig anderen Welle hinein oder erstrecken sich durch die Ausnehmungen des Kupplungsabschnitts der jeweilig anderen Welle hindurch. Dadurch kann eine zuverlässige spielfreie und drehfeste Anbindung des Verbindungselements am Kupplungsabschnitt einer der beiden Wellen realisiert werden. Der Kupplungsabschnitt ist unter konstruktiven sowie auch fertigungstechnischen Gesichtspunkten bevorzugt durch einen Endabschnitt der betreffenden Welle gebildet. Die Federarme sind in der jeweilgen Ausnehmung vorzugsweise ohne ein rotatorisches Spiel form- und/oder kraftschlüssig gehalten angeordnet. Ist das Verbindungselement mit seinen Federarmen in radialer Richtung im Gleitspiel-Formschluss in den Ausnehmungen gehalten angeordnet, so kann dadurch ein erwünschter seitlicher Toleranzausgleich bezüglich eines toleranzbedingten radialen Versatzes der beiden Wellen gewährleistet werden.
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Besonders bevorzugt greifen die Federarme des Verbindungselements einenends, d. h. mit ihrem jeweiligen freien Ende, jeweils in eine außenumfangsseitig am Kupplungsabschnitt der anderen Welle angeordnete Nut form- und/oder kraftschlüssig ein. Dadurch kann die Montage der Klappeneinrichtung nochmals zuverlässiger und sicherer gestaltet werden. So kann das Verbindungselement beispielsweise auf dem betreffenden Kupplungsabschnitt aufgeklipst sein. Es versteht sich, dass die Ausnehmungen des Kupplungsabschnitts diesbezüglich in axialer Richtung zur jeweilig anderen Welle (Aktorwelle/Klappenwelle) hin offen ausgebildet sein müssen. Die Ausnehmungen sind mit anderen Worten jeweils als Randausnehmungen oder Randnuten des Kupplungsabschnitts ausgeführt.
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Durch den Eingriff der freien Endabschnitte der Federarme in die Nut kann einem unerwünschten rotatorischen Spiel zwischen dem Verbindungselement und dem das Verbindungselement tagenden Kupplungsabschnitt nochmals zuverlässiger entgegengewirkt werden. Das Ansprechverhalten des Klappeneinrichtung kann dadurch insgesamt nochmals weiter verbessert werden und es kann einer unerwünschten Geräuschentwicklung im Betriebseinsatz der Klappeneinrichtung entgegengewirkt werden. Darüber hinaus ist das Verbindungselement dadurch verliersicher auf der Klappenwelle gehalten angeordnet, was für die Montage der Klappeneinrichtung bzw. erforderliche Wartungs- und Reparaturmaßnahmen Vorteile bietet. Zu beachten ist dabei, das eine für den Toleranzausgleich erwünschtes radiales Spiel des Verbindungselements relativ zu dem mit den Nuten versehenen Kupplungsabschnitt auch bei dieser Ausführungsform erhalten werden kann.
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Der vorstehend genannte Kupplungsabschnitt ist nach der Erfindung vorzugswiese gabelförmig ausgeführt. Dadurch kann der Kupplungsbereich zwischen Aktorwelle und Klappenwelle mit einem geringen Materialeinsatz und einer verringerten Wärmeübertragung vom Ventilgehäuse bzw. von der Klappenwelle in Richtung des Aktors realisiert werden. Außerdem kann dadurch die Montage der Klappeneinrichtung weiter vereinfacht werden.
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Der Zentralabschnitt des Verbindungselements weist nach der Erfindung vorteilhaft zwei Durchgangsausnehmungen oder, bevorzugt muldenförmige, Vertiefungen, für den Eingriff der einen Welle auf. Dadurch kann die eine Welle auf einfache Weise mit dem Verbindungselement lösbar drehfest verkoppelt werden. Darüber hinaus kann ein gegebenenfalls erforderlicher Austausch des Aktors dadurch weiter vereinfacht werden.
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Erfindungsgemäß ist der Zentralabschnitt des Verbindungselements im Vergleich zu den Federarmen biegesteif ausgeführt. Dadurch wird jederzeit eine zuverlässige Ankopplung der einen Welle am Verbindungselement gewährleistet. Darüber hinaus kann dadurch bei geringem Materialeinsatz ein präzises Ansprechverhalten der Klappeneinrichtung ermöglicht werden.
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Der Zentralabschnitt des Verbindungselements kann nach der Erfindung insbesondere ringförmig oder Scheibenförmig ausgeführt sein.
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Die Federarme des Verbindungselements sind nach der Erfindung vorzugsweise in Form von Flachprofilen ausgeführt. Dadurch kann eine ausreichend große Verformbarkeit der Federarme in axialer Richtung gewährleistet werden, um die Wärmeausdehnung der Klappenwelle zu kompensieren. Zugleich können die Federarme dadurch mit einer ausreichend großen Steifigkeit gegenüber in Umfangsrichtung (relativ zur Aktorachse) auf die Federarme wirkenden Kräften gewährleistet werden. Dadurch können vom Verbindungselement auch größere Drehmomente verformungsfrei bzw. im Wesentlichen verformungsfrei aufgenommen werden.
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Unter Kostengesichtspunkten hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Verbindungselement insgesamt als ein einstückiges Formbiegeteil aus Flachmaterial ausgeführt ist. Dadurch kann das Verbindungselement zudem in Massenfertigung mit nur geringen Fertigungstoleranzen bereitgestellt werden.
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Nach der Erfindung besteht das Verbindungselement bevorzugt aus Federstahl oder einem, insbesondere faserverstärkten, Kunststoffmaterial. Im letztgenannten Fall kann das Verbindungselement zudem einer thermischen Abschirmung des Aktors gegenüber dem Ventilgehäuse bzw. der Klappenwelle dienen.
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Das Verbindungselement kann nach einer Ausführungsform der Erfindung mehr als zwei Federarme aufweisen. Auch können die Federarme zumindest abschnittsweise mehrschenklig ausgeführt sein.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt sowie aus den Ansprüchen. Die in der Zeichnung gezeigten Merkmale sind derart dargestellt, dass die erfindungsgemäßen Besonderheiten deutlich sichtbar gemacht werden können.
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In der Zeichnung zeigen:
- 1 eine Klappeneinrichtung, wie diese im Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor einsetzbar ist, mit einem Aktor zum Betätigen einer mittels einer Klappenwelle schwenkbaren Klappenscheibe, wobei die Aktorwelle und die Klappenwelle über ein Verbindungselement aus Flachmaterial miteinander drehfest verkoppelt sind, das im Montagezustand der Klappeneinrichtung an der Aktorwelle sowie an der Klappenwelle axial in Richtung der beiden Wellen federelastisch vorgespannt anliegt, in einer perspektivischen Darstellung;
- 2 eine ausschnittsweise Darstellung der Klappenwelle gemäß 1 mit dem daran montierten Verbindungselement, in einer perspektivischen Ansicht;
- 3 die Klappenwelle mit dem daran montierten Verbindungselement aus 2 in einer Schnittdarstellung;
- 4 eine alternative Ausführungsform des an der Klappenwelle montierten Verbindungselements einer Klappeneinrichtung gemäß 1, in einer perspektivischen Darstellung;
- 5 eine ausschnittsweise Darstellung des Verbindungselements mit Klappenwelle gemäß 4 in einer Seitenansicht; und
- 6 eine Detaildarstellung des Verbindungselements gemäß 5.
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In 1 ist eine Klappenvorrichtung 10 gezeigt, die für eine Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) vorgesehen ist. Die Klappeneinrichtung 10 weist ein hier rohrförmiges Ventilgehäuse 12 mit einer im Inneren 14 des Ventilgehäuses 12 angeordneten Ventil- oder Klappenscheibe 16 auf, die dem Variieren eines von einem Fluid durchströmbaren Durchgangsquerschnitts A des Ventilgehäuses 12 dient. Die Klappenscheibe 16 ist an einer Klappenwelle 18 befestigt. Die Klappenwelle 18 ist am Ventilgehäuse 12 verschwenkbar gelagert, sodass die Klappenscheibe 16 um die Längsachse 20 der Klappenwelle 18 zwischen der in 1 gezeigten Offenstellung und einer den Durchgangsquerschnitt A des Ventilgehäuses 12 vollständig oder im Wesentlichen vollständig verlegenden Schließstellung (nicht gezeigt) verschwenkbar ist.
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Zur Betätigung der Klappenscheibe 16 dient ein außerhalb des Ventilgehäuses 12 angeordneter Aktor 22 mit einer Aktorwelle 24, die in axialer Verlängerung der Klappenwelle 18 angeordnet ist. Die (Dreh- und) Längsachse 20 der Klappenwelle 18 fällt idealerweise mit der (Dreh- und) Längsachse 26 der Aktorwelle 24 zusammen. In der Praxis werden die Wellen relativ zueinander einen Versatz in radialer Richtung aufweisen, der Maß- und Einbautoleranzen geschuldet ist. Dieser Versatz wird vom Verbindungselement kompensiert, wie dies weiter unten erläutert ist. Der Aktor 22 kann beispielsweise elektrisch oder pneumatisch betätigbar sein.
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Zum mechanischen Verkoppeln der Aktorwelle 24 und der Klappenwelle dient eine Kupplung 28. Die Kupplung 28 umfasst einen ersten Kupplungsabschnitt 30 einen zweiten Kupplungsabschnitt 32 und ein Verbindungselement 34. Der erste Kupplungsabschnitt ist durch einen gabelförmigen freien Endabschnitt 36 der Aktorwelle 24 gebildet. Der zweite Kupplungsabschnitt 32 ist durch einen gabelförmigen freien Endabschnitt 38 der Klappenwelle 18 gebildet. Die beiden Kupplungsabschnitte 30, 32 sind über das Verbindungselement 34 miteinander rotatorisch spielfrei bewegungsgekoppelt.
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In 2 ist die Klapppenwelle 18 ausschnittsweise mit ihrem Kupplungsabschnitt 32 sowie dem daran gelagerten Verbindungselement 34 in einer perspektivischen Ansicht und in 3 in einer Schnittdarstellung gezeigt.
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Der zweite Kupplungsabschnitt 32 der Klappenwelle 18 ist U-Förmig ausgeführt und weist hier zwei voneinander beabstandete Wandschenkel 40 auf. Die Wandschenkel 40 sind über einen an der Klappenwelle 18 befestigten Befestigungsabschnitt 42 miteinander verbunden. Der Befestigungsabschnitt 42 kann an der Welle festgeschweißt oder in anderer Weise mit der Klappenwelle dauerhaft drehfest verbunden sein. Die Wandschenkel 40 erstrecken sich vom Befestigungsabschnitt 42 zueinander parallel verlaufend in axialer Richtung weg. Dadurch ist der Kupplungsabschnitt 32 der Klappenwelle 18 insgesamt gabelförmig ausgebildet.
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Das Verbindungselement 34 weist einen ringscheibenförmigen Zentralabschnitt 44 mit Kupplungsausnehmungen 46 für den Eingriff der Aktorwelle 24. Am Zentralabschnitt sind zumindest zwei Federarme 48 angeordnet. Die Federarme 48 erstrecken sich vom Zentralabschnitt 44 in einer zu den beiden Längsachsen 20, 26 radialen Richtung weg und durchgreifen nutförmige Ausnehmungen 50 des Kupplungsabschnitts 32 der Klappenwelle 18. Die nutförmigen Ausnehmungen 50 sind jeweils durch einander zuweisende Seitenwandungen 52 und in axialer Richtung durch einen Boden 54 begrenzt. Die Federarme 48 liegen im gezeigten unbelasteten Zustand des Verbindungselements 34 sowie auch im Betriebszustand der Klappeneinrichtung am Boden der jeweiligen Ausnehmung 50 jeweils auf. Der Boden 54 kann gerundet ausgeführt sein, um eine Auslenkung des jeweiligen Federarms 48 relativ zum zweiten Kupplungsabschnitt 32 zu erleichtern. Auch kann dadurch einem Festhaften des Federarms am Kupplungsabschnitt entgegengewirkt werden.
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Jeder der beiden Wandschenkel 40 weist in radialer Richtung außenseitig eine Haltenut 56 auf. Die Haltenuten 56 sind hier jeweils in einer zur Längsachse 20 der Klappenwelle 18 orthogonal verlaufenden Ebene E angeordnet. Jeder Federarm 48 greift mit seinem freien Endabschnitt 58 in eine der Haltenuten 56 form- und/oder kraftschlüssig ein. Dadurch ist das Verbindungselement 34 am zweiten Kupplungsabschnitt der Klappenwelle 18 lösbar verrastet gehalten angeordnet. Dies ist für die Montage der Klappeneinrichtung von Vorteil. Darüber hinaus kann dadurch eine rotatorisch spielfreie (und lösbare) Befestigung des Verbindungselements 34 am Kupplungsabschnitt 32 der Klappenwelle 18 erreicht werden.
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Die Federarme 48 können aus ihrer gezeigten (unbelasteten) Neutralstellung gegenüber dem Zentralabschnitt in Richtung der in 3 mit 60 bezeichneten Pfeile federelastisch flexibel ausgelenkt werden. Die Federarme 48 sind demgegenüber in Umfangsrichtung des Verbindungselements 34 biegesteif ausgeführt, um ein möglichst gutes Ansprechverhalten der Klappeneinrichtung 10 auf Stellbewegungen der Aktorwelle 24 zu gewährleisten.
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Zu beachten ist, dass die Federarme 48 jeweils auf einer Seite oder beiderseitig einen abgekanteten Randabschnitt 62 aufweisen können, um die Federarme 48 gegenüber angreifenden Drehmomenten nochmals besser auszusteifen. Die abgekanteten Randabschnitte 62 können auch dazu dienen, den jeweiligen Federarm 48 in der Ausnehmung 50 kraftschlüssig zu halten. Die Randabschnitte 62 sind in diesem Fall im unbelasteten Zustand zum Federarm hin konvergierend verlaufend am jeweiligen Federarm 48 angeordnet und liegen im (belasteten Montagezustand mit einer definierten Kontaktpressung an der jeweiligen Seitenwandung 52 der Ausnehmung an. Die Kontaktpressung ist dabei im Hinblick auf eine erwünschtes radial gerichtetes Spiel S (Ausgleichsbewegung) des Verbindungselements derart eingestellt, dass dieses weiterhin ermöglicht ist.
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Der Zentralabschnitt 44 ist im Vergleich zu den Federarmen 48 insgesamt biegesteif ausgeführt. Der Zentralabschnitt 44 weist einen Mittelsteg 64 auf, durch den die Kupplungsausnehmungen 46 gegeneinander abgegrenzt sind. Die Kupplungsausnehmungen 46 für die Aktorwelle 24 sind hier rein beispielhaft halbkreisförmig ausgeführt. Andere Formgebungen der Kupplungsausnehmungen 46 sind ohne Weiteres vorstellbar.
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Greift die Aktorwelle 24 gemäß dem in 1 gezeigten Montagezustand der Klappeneinrichtung 10 in die Kupplungsausnehmungen 46 des Verbindungselements 34 ein, so ist der Zentralabschnitt 44 des Verbindungselements 34 durch einen axialen Druck der Aktorwelle in axialer Richtung weiter zur Klappenscheibe hin versetzt angeordnet und die Federarme 48 in Richtung der Pfeile 60 gegenüber dem Zentralabschnitt 44 ausgelenkt. Das Verbindungselement 34 liegt dann an beiden Wellen 18, 24 in axialer Richtung federelastisch vorgespannt an. Das federelastisch verformbare Verbindungselement 34 kann dadurch eine mit dem Betriebseinsatz der Klappeneinrichtung 10 einhergehende (axial gerichtete) Wärmeausdehnung der Klappenwelle 18 aufnehmen und Maß- sowie Einbautoleranzen der Bauteile in radialer sowie auch in axialer Richtung kompensieren. Die axiale Vorspannung trägt zudem zur Geräuschoptimierung der Klappeneinrichtung 10 bei. Durch die Zwischenschaltung des Verbindungselements 34 sowie den gabelförmigen Kupplungsabschnitt 36 der Klappenwelle 18 kann darüber hinaus einem unerwünschten Wärmeübertrag von der Klappenwelle 18 auf die Aktorwelle 24 entgegengewirkt werden.
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Das Verbindungselement 34 ist vorteilhaft als ein einstückiges Formbiegeteil aus einem Flachmaterial, insbesondere aus Federstahlblech, ausgeführt. Das Verbindungselement kann alternativ aus einem Kunststoff bzw. einem Kunststoffverbundmaterial bestehen, durch das ggf. eine nochmals bessere Wärmeisolation der Aktorwelle 24 realisiert werden kann.
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In den 4 bis 6 ist die Klappenwelle 18 einer weiteren Ausführungsform der Klappeneinrichtung 10 gemäß 1 mitsamt dem daran befestigten Verbindungselement 34 gezeigt. Das Verbindungselement 34 weist hier insgesamt vier Federarme 48 auf. Die Federarme 48 erstrecken sich vom Zentralabschnitt 44 jeweils paarweise in einander entgegengesetzte Richtungen weg und jeweils durch eine Eck-Ausnehmung 50 eines Wandschenkels 40, hier des zweiten Kupplungsabschnitts 32 der Klappenwelle 18, hindurch. Die Federarme 48 greifen dabei mit ihrem freien Endabschnitt 58 jeweils in die in radialer Richtung außenseitige Nut des jeweiligen Wandschenkels 40 ein, wie dies in 5 sowie in der Schnittdarstellung des Verbindungselements 34 gemäß 6 deutlich gezeigt ist.
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Gemäß 4 ist zwischen jeweils zweien der Federarme 48 ein Positionier- und Halteabschnitt 66 des jeweiligen Wandschenkels 40 angeordnet. Auch bei dieser Ausführungsform können die Federarme 48 jeweils zumindest einen abgekanteten Randabschnitt 62 zur Aussteifung des jeweiligen Federarms sowie zur Bereitstellung einer möglichst großen Anlagefläche am Positionier- und Halteabschnitt 66 aufweisen.
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Das Verbindungselement 34 kann entgegen der vorstehend im Zusammenhang mit den 1 bis 6 erläuterten Ausführungsbeispiele auch an der Aktorwelle angeordnet sein. In diesem Fall greift die Klappenwelle 18 mit ihrem gabelförmigen Ende in die Kupplungsausnehmungen 46 des Zentralabschnitts 44 des Verbindungselements 34 ein. Es versteht sich, dass der Zentralabschnitt 44 des Verbindungselements 34 auch Kupplungsausnehmungen 46 mit anderer Formgebung, Anzahl und Größe aufweisen kann. Auch können die Kupplungsausnehmungen 46 als muldenförmige Vertiefungen ausgeführt sein, die den Zentralabschnitt mithin nicht vollständig durchgreifen.
