DE102018114360A1

DE102018114360A1 - Klappenvorrichtung für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102018114360A1
Application number: DE102018114360.5A
Authority: DE
Inventors: Hans Gerards; Jürgen Michels; Andreas Grauten
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 2018-06-15
Filing date: 2018-06-15
Publication date: 2019-12-19
Anticipated expiration: 2038-06-16
Also published as: EP3807510A1; WO2019238490A1; DE102018114360B4

Abstract

Klappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Strömungsgehäuse (12), welches einen Strömungskanal (14) begrenzt, einem Klappenkörper (16), welcher drehbar in dem Strömungskanal (14) angeordnet ist, einer einseitig gelagerten Klappenwelle (18), an der der Klappenkörper (16) befestigt ist, wobei die Klappenwelle (18) mittels eines Aktors (22) antreibbar ist, und einer Lageraufnahme (32), welche an dem Strömungsgehäuse (12) ausgebildet ist, wobei in der Lageraufnahme (32) zur einseitigen Lagerung der Klappenwelle (18) ein erstes Lager (42) und ein zweites Lager (44) angeordnet sind, sind bekannt.Um die Lebensdauer der Klappenvorrichtung zu erhöhen, wird vorgeschlagen, dass die Lageraufnahme (32) in den Strömungskanal (14) hineinragt und das erste Lager (42) innerhalb des Strömungskanals (14) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Klappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Strömungsgehäuse, welches einen Strömungskanal begrenzt, einem Klappenkörper, welcher drehbar in dem Strömungskanal angeordnet ist, einer einseitig gelagerten Klappenwelle, an der der Klappenkörper befestigt ist, wobei die Klappenwelle mittels eines Aktors antreibbar ist, und einer Lageraufnahme, welche an dem Strömungsgehäuse ausgebildet ist, wobei in der Lageraufnahme zur einseitigen Lagerung der Klappenwelle ein erstes Lager und ein zweites Lager angeordnet sind.
Derartige Klappenvorrichtungen sind beispielsweise als Drosselklappen zur Regulierung der Luftzufuhr zum Verbrennungsmotor oder als Abgasrückführklappen zur Regelung der zum Verbrennungsmotor zurückgeführten Abgasmenge bekannt, wobei durch ein Verdrehen der in dem Strömungsgehäuse angeordneten Klappe der zur Verfügung stehende Durchströmungsquerschnitt verändert wird.
Eine derartige Klappenvorrichtung offenbart beispielsweise die EP 0 972 975 B1 . Die Klappenvorrichtung weist ein Strömungsgehäuse mit einem Strömungskanal auf, wobei in dem Strömungskanal ein Klappenkörper angeordnet ist. Der Klappenkörper ist an einer Klappenwelle befestigt, welche mit einem Aktor drehfest verbunden ist. Die Klappenwelle ist über zwei in einer Lageraufnahme angeordnete Lager einseitig an dem Strömungsgehäuse gelagert. Die Lageraufnahme ist in einer in dem Strömungsgehäuse ausgebildeten Öffnung angeordnet, wobei die Lageraufnahme nicht in den Strömungskanal hineinragt, so dass der Strömungskanal im Bereich der Lageraufnahme einen stetigen, kreisrunden Durchströmungsquerschnitt aufweist. An einem aus der Lageraufnahme herausragenden und sich in den Strömungskanal erstreckenden, axialen Ende der Klappenwelle ist der Klappenkörper befestigt.
Nachteilig an einer Klappenvorrichtung mit einer einseitig gelagerten Klappenwelle ist, dass eine auf den Klappenkörper wirkende Belastung eine hohe Durchbiegung der Klappenwelle verursacht, wodurch die Lebensdauer der Lager und damit der Klappenvorrichtung reduziert wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Klappenvorrichtung mit einer einseitig gelagerten Klappenwelle bereitzustellen, bei der die Durchbiegung der Klappenwelle bei einer auf den Klappenkörper wirkenden Belastung reduziert wird und dadurch die Lebensdauer der Lager und der Klappenvorrichtung erhöht wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Klappenvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Dadurch, dass die Lageraufnahme in den Strömungskanal hineinragt und das zweite Lager innerhalb des Strömungskanals angeordnet ist, wird die Durchbiegung der Klappenwelle reduziert. Dabei hängt die Höhe der Durchbiegung und die daraus resultierende Belastung der Lager von dem axialen Abstand zwischen der Mittelachse des Strömungskanals und dem ersten Lager ab. Durch die Verlagerung des ersten Lagers in den Strömungskanal wird der Abstand zwischen der Mittelachse des Strömungskanals und dem ersten Lager reduziert, wodurch die Durchbiegung der Klappenwelle reduziert wird. Auf diese Weise wird die durch die Durchbiegung verursachte Belastung der Lager reduziert und dadurch die Lebensdauer der Lager und damit der Klappenvorrichtung erhöht.
Vorzugsweise ist die Lageraufnahme hülsenförmig ausgebildet, wobei am in den Strömungskanal ragenden ersten axialen Ende eine Einschnürung ausgebildet ist, gegen die das erste Lager anliegt und durch die die Klappenwelle ragt. Dadurch wird das erste Lager in eine axiale Richtung fixiert. Die Fixierung in die andere axiale Richtung erfolgt beispielsweise durch einen Sicherungsring. Auf diese Weise wird das erste Lager einfach und kostengünstig axial fixiert.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist am zweiten axial entgegengesetzten Ende der Lageraufnahme eine ringförmige Anlaufscheibe befestigt, durch die die Klappenwelle ragt. Durch die Anlaufscheibe wird der durch die hülsenförmige Lageraufnahme begrenzte Innenraum geschlossen, so dass ein Eindringen von Feuchtigkeit und Schmutzpartikeln aus der Umgebung in den Innenraum verhindert wird und die Lebensdauer der in dem Innenraum angeordneter Lager erhöht wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Lageraufnahme eine Dichtungsvorrichtung auf, wobei die Dichtungsvorrichtung eine an der Klappenwelle fluiddicht befestigte Konturscheibe und eine axial gelagerte Dichtscheibe aufweist, wobei eine Dichtfläche der Konturscheibe an einer Gegendichtfläche der Dichtscheibe anliegt. Dadurch, dass sich die Klappenwelle durch die Lageraufnahme erstreckt und sich relativ dazu bewegt, liegt zwingenderweise ein Spalt zwischen der Klappenwelle und der Lageraufnahme vor, wobei durch den Spalt das durch den Strömungskanal strömende Abgas aus dem Strömungsgehäuse hinausströmen kann. Durch die Dichtungsvorrichtung kann der Strömungskanal zuverlässig abgedichtet und eine Leckage des Abgases durch die Lageraufnahme verhindert werden.
Vorzugsweise liegt die Dichtscheibe an dem zweiten Lager axial an. Dabei wird die Dichtscheibe durch die Konturscheibe, welche gemeinsam mit der Klappenwelle axial federnd vorgespannt ist, gegen das zweite Lager gepresst. Auf diese Weise kann die Dichtscheibe einfach und kostengünstig axial gelagert werden.
Vorzugsweise sind die Dichtfläche der Konturscheibe und die Gegendichtfläche der Dichtscheibe konisch oder kegelstumpfförmig ausgeführt. Die Dichtscheibe ist lediglich durch die Anlage an das zweite Lager und durch die Anpressung der Konturscheibe über die Dichtfläche radial und axial gelagert. Durch die konische oder kegelstumpfförmige Ausgestaltung der Dicht- und Gegendichtfläche kann sich die Dichtscheibe radial ausrichten. Außerdem wird durch die konische oder kegelstumpfförmige Ausgestaltung der Dicht- und Gegendichtfläche die wirksame Dichtfläche vergrößert und dadurch eine verbesserte Dichtwirkung erreicht.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Konturscheibe über eine Pressverbindung oder stoffschlüssig mit der Klappenwelle verbunden. Dadurch wird eine fluiddichte Verbindung zwischen der Konturscheibe und der Klappenwelle hergestellt, wodurch eine Leckage durch den Spalt zwischen der Konturscheibe und der Klappenwelle verhindert wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Klappenkörper eine zur Kontur eines in den Strömungskanal hineinragenden kanalseitigen Abschnitts der Lageraufnahme korrespondierende Aussparung auf, so dass der Strömungskanal zuverlässig durch den Klappenkörper vollständig geschlossen werden kann.
Vorzugsweise ist das erste Lager temperaturfest ausgeführt, wodurch die Lebensdauer des ersten Lagers erhöht wird und ein vorzeitiger Ausfall des ersten Lagers aufgrund einer thermischen Überbelastung verhindert wird. Das erste Lager kann beispielsweise als Gleitlager, insbesondere als Keramik- oder Graphitlager, ausgebildet sein.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Aktor in einem separaten Aktorgehäuse angeordnet, wobei das Aktorgehäuse an dem Strömungsgehäuse befestigt ist. Dadurch kann der Aktor einfach und kostengünstig, beispielsweise bei einem Schaden des Elektromotors des Aktors, ausgetauscht werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Lagergehäuse separat ausgeführt und an dem Strömungsgehäuse befestigt. Dadurch kann die Lagervorrichtung gemeinsam mit der Klappenwelle in einem Vormontageschritt vormontiert werden und in einem nachfolgenden Schritt an dem Strömungsgehäuse fixiert werden. Auf diese Weise wird die Montage der Klappenvorrichtung vereinfacht.
Es wird somit eine Klappenvorrichtung mit einer einseitig gelagerten Klappenwelle geschaffen, bei der die auf die Welle wirkenden Biegemomente reduziert wird und dadurch die Lebensdauer der Lager und der Klappenvorrichtung erhöht wird.

1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Klappenvorrichtung.
2 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Klappenvorrichtung in geschnittener Darstellung.

Die Figuren zeigen eine Klappenvorrichtung 10, welche ein Strömungsgehäuse 12 umfasst, in dem ein Strömungskanal 14 ausgebildet ist, dessen freier Durchströmungsquerschnitt mittels eines drehbar im Strömungskanal 14 angeordneten Klappenkörpers 16 geregelt werden kann. Der Klappenkörper 16 ist mit einer drehbar in dem Strömungsgehäuse 12 gelagerten Klappenwelle 18 fest verbunden.
Zur Betätigung der Klappenwelle 18 ist an einem zum Strömungskanal 14 abgewandten axialen Ende der Klappenwelle 18 ein topfförmiger Hebelträger 20 befestigt, welcher mit einer Antriebswelle 24 eines Aktors 22 drehfest verbunden ist. Die Befestigung des Hebelträgers 20 an der Klappenwelle 18 erfolgt beispielsweise durch Schweißen.
Der Aktor 22 ist in einem separat ausgebildeten und an dem Strömungsgehäuse 12 befestigten Aktorgehäuse 25 angeordnet und weist einen Elektromotor 21 und ein zwischen dem Elektromotor 21 und der Klappenwelle 18 zwischengeschaltetes Getriebe 23 auf. Durch die Betätigung des Aktors 22 werden der topfförmige Hebelträger 20 und damit die Klappenwelle 18 und der Klappenkörper 16 um eine gemeinsame Drehachse bewegt, wobei durch die Verdrehung des Klappenkörpers 16 der freie Durchströmungsquerschnitt des Strömungskanals 14 verändert wird.
Der topfförmige Hebelträger 20 wird radial von einer Hülse 26 umgeben, die sich axial in Richtung des Strömungsgehäuses 12 erstreckt. Die Hülse 26 dient als Führung für eine Rückstellfeder 30, die die Hülse 26 radial umgibt. Dabei liegt ein erster Federschenkel der Rückstellfeder 30 an einem am Strömungsgehäuse 12 ausgebildeten Anschlag an und ein zweiter Federschenkel liegt an einem am Hebelträger 20 ausgebildeten Anschlag an, so dass bei Drehung der Klappenwelle 18 die Rückstellfeder 30 vorgespannt wird und durch die in der Rückstellfeder 30 gespeicherte Energie eine Rückstellung der Klappenwelle 18 in ihre Ausgangsposition erfolgt, ohne dass ein Drehmoment durch den Aktor 22 aufgebracht werden muss. Auf diese Weise wird eine definierte fail-safe Stellung der Klappenwelle 18 bei Ausfall des Aktors 22 angefahren.
Die drehbare Lagerung der Klappenwelle 18 erfolgt über ein erstes Lager 42 und ein zweites Lager 44, welche in einer gemeinsamen Lageraufnahme 32 angeordnet sind. Auf diese Weise wird die Klappenwelle 18 einseitig an dem Strömungsgehäuse 12 gelagert.
Die Lageraufnahme 32 ist in einer am Strömungsgehäuse 12 ausgebildeten Öffnung 13 angeordnet und weist einen kanalseitigen Abschnitt 34 und einen aktorseitigen Abschnitt 36 auf, wobei der kanalseitige Abschnitt 34 in den Strömungskanal 14 hineinragt und der aktorseitige Abschnitt 36 aus dem Strömungsgehäuse 12 herausragt. Die Lageraufnahme 32 ist hülsenartig ausgebildet und begrenzt gemeinsam mit einer an dem kanalseitigen Abschnitt 34 ausgebildeten Einschnürung 39 und einer an dem aktorseitigen Abschnitt 36 befestigten Anlaufscheibe 48 einen Innenraum 40. Die Einschnürung 39 und die Anlaufscheibe 48 weisen eine Bohrung auf, durch die die Klappenwelle 18 verläuft.
In dem Innenraum 40 sind das erste Lager 42 und das zweite Lager 44 angeordnet. Das erste Lager 42 ist im kanalseitigen Abschnitt 34 und damit erfindungsgemäß in dem Strömungskanal 14 angeordnet.
Beide Lager 42, 44 liegen mit ihrer Außenumfangsfläche radial an einer den Innenraum 40 radial begrenzenden Innenumfangsfläche der Lageraufnahme 32 an. Zur axialen Sicherung des ersten Lagers 42 liegt dieses mit einem ersten axialen Ende an der Einschnürung 39 an und wird an dem zweiten axialen Ende durch einen Sicherungsring 46 gesichert. Das zweite Lager 44 liegt mit einem axialen Ende an der Anlaufscheibe 48 und mit dem anderen axialen Ende an der Dichtscheibe 52 einer Dichtungsvorrichtung 50 an, wodurch das zweite Lager 44 axial gesichert ist.
Die Dichtungsvorrichtung 50 setzt sich aus der Dichtscheibe 52 und einer Konturscheibe 54 zusammen. Die Konturscheibe 54 ist stoffschlüssig oder über eine Pressverbindung an der Klappenwelle 18 befestigt und rotiert mit der Klappenwelle 18 mit. Die Dichtscheibe 52 liegt mit einem axialen Ende am zweiten Lager 44 und mit einer konischen Gegendichtfläche an einer konischen Dichtfläche der Konturscheibe 54 an. Die Dichtwirkung zwischen der Dichtfläche und der Gegendichtfläche erfolgt durch eine durch die Rückstellfeder 30 verursachte axiale Anpressung zwischen den beiden Dichtflächen. Dabei liegt die Rückstellfeder 30 axial mit ihrer ersten Windung an einer ringförmigen, radial erstreckenden Erweiterung 27 der Hülse 26 an und mit ihrer letzten Windung an einer ringförmigen, radial ersteckenden Erweiterung 29 einer Federauflagehülse 28 an, wobei die Federauflagehülse 28 an dem Strömungsgehäuse 12 anliegt und sich in Richtung der Hülse 26 axial erstreckt.
Durch eine derartige Anordnung und eine axiale Vorspannung der Rückstellfeder 30 wirkt eine axiale Federkraft auf den Hebelträger 20 und damit auf die Klappenwelle 18 in Richtung des Aktors 22, wodurch die Dichtfläche der Konturscheibe 54 gegen die Gegendichtfläche der Dichtscheibe 52 gepresst wird, die Dichtscheibe 52 gegen das zweite Lager 44 gepresst wird und das zweite Lager 44 gegen die fest angeordnet Anlaufscheibe 48 gepresst wird. Auf diese Weise werden die Klappenwelle 18, die Konturscheibe 54, die Dichtscheibe 52 sowie das zweite Lager 44 axial fixiert, wobei Druckpulsationen und thermische Ausdehnung durch einen derartigen Aufbau ausgeglichen werden können.
Die Hülse 26 sowie die Federauflagehülse 28 dienen außerdem gemeinsam mit dem Hebelträger 20 zur Einkapselung der Lageraufnahme 32, um einen Wassereintritt durch Spritzwasser in die Lageraufnahme 32 zu verhindern. Hierbei ist zwischen der Federauflagehülse 28 und der Hülse 26 ein axialer Spalt vorgesehen, wodurch eine Berührung der beiden Hülsen 26, 28 bei thermischen Dehnungen oder beim Zusammenziehen der Rückstellfeder 30 vermieden wird. Wird nun die Klappenvorrichtung 10 Spritzwasser ausgesetzt, so wird der Großteil des Spritzwassers durch die Hülse 26 und die Federauflagehülse 28 daran gehindert in den Lagerbereich einzudringen. Ein Rest Spritzwasser gelangt jedoch über den Spalt zwischen den Hülsen 26, 28 zur Lageraufnahme 32 und strömt an der Außenfläche der Lageraufnahme 32 entlang. Um diese Strömung entlang der Lageraufnahme 32 zu verhindert, weist die Lageraufnahme 32 eine Nut 60 mit einem asymmetrischen Querschnitt auf, so dass sich das Wasser ohne großen Widerstand in Richtung des Nutgrundes bewegen kann, wo es sich sammelt. Durch das Aufstauen des Wassers in dem Nutgrund wird der Strömungswiderstand erhöht und ein Weiterströmen des Wassers zur Klappenwelle 18 verhindert.
Im Betrieb der Klappenvorrichtung 10 strömt das Abgas durch den Strömungskanal 14, wodurch eine Belastung auf den Klappenkörper 16 in Längsrichtung der Strömungskanals 14 und senkrecht zur Drehachse der Klappenwelle 18 wirkt. Diese Belastung wird vom Klappenkörper 16 an die Klappenwelle 18 übertragen, woraus durch das wirkende Biegemoment eine Biegebelastung und somit eine Durchbiegung der Klappenwelle 18 resultiert. Eine hohe Durchbiegung führt zu einem vorzeitigen Ausfall der Lager 42, 44, wobei die Durchbiegung mit dem ansteigenden Abstand zwischen der Mittelachse des Strömungskanals 14 und dem ersten Lager 42 ansteigt. Erfindungsgemäß ragt die Lageraufnahme 32 in den Strömungskanal 14 und das erste Lager 42 ist innenhalb des Strömungskanals 14 angeordnet, wodurch der Abstand zwischen der Mittelachse des Strömungskanals 14 und dem ersten Lager 42 reduziert wird und dadurch die Durchbiegung der Klappenwelle 18 verringert wird.
Es sollte deutlich sein, dass auch andere konstruktive Ausführungsformen im Vergleich zur beschriebenen Ausführungsform möglich sind, ohne den Schutzbereich des Hauptanspruchs zu verlassen. Es können beispielsweise die Lageraufnahme oder die Kupplung anders ausgeführt sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0972975 B1 [0003]

Claims

Klappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Strömungsgehäuse (12), welches einen Strömungskanal (14) begrenzt, einem Klappenkörper (16), welcher drehbar in dem Strömungskanal (14) angeordnet ist, einer einseitig gelagerten Klappenwelle (18), an der der Klappenkörper (16) befestigt ist, wobei die Klappenwelle (18) mittels eines Aktors (22) antreibbar ist, und einer Lageraufnahme (32), welche an dem Strömungsgehäuse (12) ausgebildet ist, wobei in der Lageraufnahme (32) zur einseitigen Lagerung der Klappenwelle (18) ein erstes Lager (42) und ein zweites Lager (44) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Lageraufnahme (32) in den Strömungskanal (14) hineinragt und das erste Lager (42) innerhalb des Strömungskanals (14) angeordnet ist.
Klappenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lageraufnahme (32) hülsenförmig ausgebildet ist, wobei am in den Strömungskanal (14) ragenden ersten axialen Ende (35) eine Einschnürung (39) ausgebildet ist, gegen die das erste Lager (42) anliegt und durch die die Klappenwelle (18) ragt.
Klappenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am zweiten axial entgegengesetzten Ende (37) der Lageraufnahme (32) eine ringförmige Anlaufscheibe (48) befestigt ist, durch die die Klappenwelle (18) ragt.
Klappenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Lageraufnahme (32) eine Dichtungsvorrichtung (50) angeordnet ist, wobei die Dichtungsvorrichtung (50) eine an der Klappenwelle (18) befestigte Konturscheibe (54) und eine axial gelagerte Dichtscheibe (52) aufweist, wobei eine Dichtfläche der Konturscheibe (54) an einer Gegendichtfläche der Dichtscheibe (52) anliegt.
Klappenvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtscheibe (52) an dem zweiten Lager (44) axial anliegt.
Klappenvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtfläche der Konturscheibe (54) und die Gegendichtfläche der Dichtscheibe (52) konisch oder kegelstumpfförmig ausgeführt sind.
Klappenvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Konturscheibe (54) über eine Pressverbindung oder kraftschlüssig mit der Klappenwelle (18) verbunden ist.
Klappenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Klappenkörper (16) eine zur Kontur eines in den Strömungskanal hineinragenden kanalseitigen Abschnitts (34) der Lageraufnahme (32) korrespondierende Aussparung (38) aufweist.
Klappenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Lager (42) temperaturfest ausgeführt ist.
Klappenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (22) in einem separaten Aktorgehäuse (25) angeordnet ist, wobei das Aktorgehäuse (25) an dem Strömungsgehäuse (12) befestigt ist.
Klappenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lageraufnahme (32) separat ausgeführt ist und an dem Strömungsgehäuse (12) befestigt ist.