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Die Erfindung betrifft einen Kugelgewindetrieb zur Betätigung eines Abgasrückführungsventils, umfassend eine axial unverschiebliche, drehangetriebene Gewindemutter und eine entlang der Gewindemutter axial verschiebliche Gewindespindel.
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Aus der
DE 10 2016 209 119 A1 geht eine Spindelmutter hervor, welche als metallisches Umformteil ausgebildet ist. Ein Hülsenabschnitt der Spindelmutter weist auf dessen Innenseite einen Gewindegang und auf dessen Außenseite eine zylindrische Außenoberfläche auf. Beim Betrieb des Gewindetriebs kann entweder die Spindelmutter oder die Gewindespindel als rotierendes Teil fungieren, während das jeweils andere Teil ausschließlich linear bewegt wird. Sofern Wälzkörper im Gewindetrieb zwischen der Spindelmutter und der Gewindespindel abrollen, jedoch keine Wälzkörperrückführung gegeben ist, eignet sich der Gewindetrieb insbesondere für Stellvorrichtungen mit einem geringen Stellweg. Beispielhaft werden derartige Stellvorrichtungen in einer Vorrichtung zur Abgasrückführung eines Verbrennungsmotors eingesetzt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Kugelgewindetrieb für ein Abgasrückführungsventil vorzuschlagen, der vergleichsweise unempfindlich gegenüber Fertigungsfehlern und -toleranzen ist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Kugelgewindetrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Ein erfindungsgemäßer Kugelgewindetrieb zur Betätigung eines Abgasrückführungsventils umfasst eine axial unverschiebliche, drehangetriebene Gewindemutter und eine entlang der Gewindemutter axial verschiebliche Gewindespindel, wobei die Gewindespindel über eine Kupplungseinrichtung drehfest mit einer axial verlagerbaren Ventilstange verbunden ist, und wobei die Ventilstange koaxial und radial verschieblich zu der Gewindespindel angeordnet ist. Mit anderen Worten ist ein Außendurchmesser der Ventilstange kleiner ausgebildet, als der Innendurchmesser der Gewindespindel. Damit ist die Ventilstange radialspielbehaftet zur Gewindespindel ausgebildet. Das Radialspiel zwischen der Gewindespindel und der Gewindemutter beträgt beispielsweise etwa 1 mm, vorzugsweise 0,5 mm.
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Die Ventilstange ist innerhalb des Abgasrückführungsventils zum einen bevorzugt durch eine Führungshülse axial geführt, wobei zum anderen der Kugelgewindetrieb mit der Kupplungseinrichtung eine weitere axiale Führung der Ventilstange realisiert. Aufgrund von Fertigungsfehlern und -toleranzen an Teilen des Abgasrückführungsventils, beispielsweise an einem Gehäuse, an der Gewindemutter oder an der Gewindespindel, kann es dazu kommen, dass die Gewindemutter und/oder die Gewindespindel nicht koaxial bzw. konzentrisch zu einer Längsachse der Ventilstange ausgerichtet sind. Es kann ferner dazu kommen, dass die Gewindespindel bei der Betätigung durch die Gewindemutter ausgelenkt wird oder sich in einer Taumelbewegung bewegt. Diese Fehler und Toleranzen werden durch die Kupplungseinrichtung kompensiert, indem die Gewindespindel begrenzt durch das Radialspiel zwischen Ventilstange und Gewindespindel relativ zur Ventilstange radial verlagerbar ist. Die Kupplungseinrichtung neutralisiert diese radiale Bewegung oder Position der Gewindespindel, sodass die Ventilstange in Folge der Betätigung der Gewindespindel ausschließlich axial beweglich und die Gewindespindel bezogen auf die Ventilstange radial beweglich ist. Mit anderen Worten ermöglicht die Kupplungseinrichtung eine radiale Bewegung zwischen der Gewindespindel und der Ventilstange, jedoch ist eine Verdrehung der Gewindespindel relativ zur Ventilstange nicht möglich. Vorteilhaft ist dabei, dass sich Fertigungsfehler und/oder -toleranzen nicht negativ auf die Funktionalität des Abgasrückführungsventils auswirken, sodass das Abgasrückführungsventil verhältnismäßig unempfindlich gegenüber Fertigungsfehler und/oder -toleranzen ist.
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Die Gewindemutter und die Gewindespindel bilden gemeinsam einen räumlich dazwischen liegenenden, schraubenartig gewundenen Kugelkanal aus, in dem Wälzkörper zur Umwandlung einer rotatorischen Bewegung der Gewindemutter in eine translatorische Bewegung der Gewindespindel abwälzen.
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Vorzugsweise ist die Ventilstange an einem distalen Ende fest mit einem Führungselement verbunden. Bevorzugt ist das Führungselement als Querstange ausgebildet, die beispielsweise in einer Führungsnut am Gehäuse des Abgasrückführungsventils axial geführt ist. Das Führungselement kann mittels Laserschweißen stoffschlüssig mit der Ventilstange verbunden sein. Da die Ventilstange drehfest mit der Kupplungsvorrichtung und der Gewindespindel verbunden ist, wird somit durch das Führungselement eine Verdrehsicherung der Gewindespindel realisiert.
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Bevorzugt ist die Gewindespindel axial zwischen einem ersten und zweiten Anschlagelement angeordnet, wobei die beiden Anschlagelemente drehfest mit der Ventilstange verbunden sind. Bevorzugt sind die Anschlagelemente stoffschlüssig, nämlich mittels Schweißverbindung mit der Ventilstange verbunden. Insbesondere ist die Schweißverbindung mittels Laserschweißen ausgebildet, um einen prozessbedingten Verzug der Ventilstange durch einen vergleichsweise geringen Wärmeeintrag zu vermeiden oder zu reduzieren. Durch die beiden Anschlagelemente ist die Ventilstange des Abgasrückführungsventils doppelwirkend ausgebildet, wobei die Ventilstange bei axialer Verlagerung der Gewindespindel richtungsabhängig von dem ersten oder dem zweiten Anschlagelement mitgeführt wird. Alternativ kann das erste und/oder zweite Anschlagelement auch mit der Ventilstange verstemmt sein. Mit anderen Worten wird zwischen dem ersten und/oder zweiten Anschlagelement sowie der Ventilstange eine kraft- und formschlüssige Verbindung durch plastisches Verformen eines Randbereichs der Oberfläche der Ventilstange und des jeweiligen Anschlagelements erzeugt.
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Das zweite Anschlagelement kann darüber hinaus als Schutzblech ausgebildet sein und somit mehrere Funktionen in einem Bauteil vereinen. Während der Betätigung der Ventilstange strömen Abgase mit hoher Temperatur durch das Abgasrückführungsventil hindurch. Das Schutzblech ist dabei insbesondere dazu vorgesehen, die Abgase abzuleiten, um so den Kugelgewindetrieb vor einer zusätzlichen thermischen Beanspruchung zu schützen.
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Ferner bevorzugt umfasst die Kupplungseinrichtung ein Kupplungselement, das axial zwischen dem ersten Anschlagelement und der Gewindespindel angeordnet ist. Vorzugsweise ist das Kupplungselement drehfest mit dem ersten Anschlagelement und drehfest mit der Gewindespindel verbunden. Das Kupplungselement ist insbesondere dazu vorgesehen, ein ungewolltes Verdrehen der Gewindespindel zu verhindern sowie gleichzeitig eine radiale Verlagerung der Gewindespindel gegenüber der Ventilstange zu ermöglichen.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Kupplungselement über formschlüssige Mittel drehfest mit dem ersten Anschlagelement und drehfest mit der Gewindespindel verbunden. Mit anderen Worten wird durch das Kupplungselement eine formschlüssige Verbindung zwischen dem ersten Anschlagelement und dem Kupplungselement sowie zwischen dem Kupplungselement und der Gewindespindel erzeugt, um eine drehfeste Verbindung zwischen der Ventilstange und der Gewindespindel zu bilden.
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Vorzugsweise sind am ersten Anschlagelement zwei Ausnehmungen ausgebildet, in die ein jeweiliger am Kupplungselement angeformter Nocken eingreift, wobei an der Gewindespindel zwei weitere Ausnehmungen ausgebildet sind, in die ein weiterer jeweiliger am Kupplungselement ausgebildeter Nocken eingreift. Mit anderen Worten bildet das Kupplungselement mit dem ersten Anschlagelement ein erstes Kupplungspaar und mit der Gewindespindel ein zweites Kupplungspaar aus. Die beiden Nocken, die in das erste Anschlagelement eingreifen, sind radial gegenüberliegend angeordnet und bilden ein erstes Nockenpaar und die beiden weiteren Nocken, die in die Gewindespindel eingreifen, sind ebenfalls radial gegenüberliegend angeordnet und bilden ein zweites Nockenpaar aus. Das erste Nockenpaar erstreckt sich axial in Richtung des ersten Anschlagelements und das zweite Nockenpaar erstreckt sich axial in Richtung der Gewindespindel, wobei die Ausnehmungen im ersten Anschlagelement bzw. in der Gewindespindel korrespondierend zu den jeweiligen Nocken ausgebildet sind.
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Alternativ ist denkbar, dass das jeweilige Nockenpaar am ersten Anschlagelement und/oder an der Gewindespindel angeformt ist, wobei das Kupplungselement in diesem Fall damit korrespondierende Nocken und/oder Ausnehmungen aufweist. Ferner alternativ ist eine beliebige abwechselnde Anordnung der Nocken und Ausnehmungen am ersten Anschlagelement, am Kupplungselement sowie an der Gewindespindel denkbar. Auch ist denkbar, mehr als zwei Nocken bzw. Ausnehmungen je Kupplungspaar vorzusehen.
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Mit anderen Worten handelt es sich bei der Kupplungseinrichtung um eine Oldham-Kupplung. Unter einer Oldham-Kupplung ist eine nicht schaltbare, drehstarre Kupplung zu verstehen, die einen Radialversatz zweier paralleler Wellen, also der rohrförmigen Gewindespindel und der durch die Gewindespindel hindurchgeführten Ventilstange, ausgleichen kann.
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Durch die in die Ausnehmungen eingreifenden und darin geführten Nocken wird eine radiale Verlagerung der benachbarten in Wirkverbindung stehenden Bauteile ermöglicht. Das Kupplungselement ist einerseits zum ersten Anschlagelement und andererseits zur Gewindespindel benachbart angeordnet. Dabei ist das erste Nockenpaar derart am ersten Anschlagelement oder am Kupplungselement angeordnet, dass das erste Anschlagelement gegenüber dem Kupplungselement in einer ersten radialen Verlagerungsrichtung verlagerbar, jedoch nicht um die jeweilige eigene Längsachse verdrehbar ist. Das zweite Nockenpaar zwischen dem Kupplungselement und der Gewindespindel ist demgegenüber derart am Kupplungselement oder an der Gewindespindel angeordnet, dass das Kupplungselement gegenüber der Gewindespindel in einer zweiten radialen Verlagerungsrichtung verlagerbar, jedoch nicht um die jeweilige eigene Längsachse verdrehbar ist. Die erste und zweite radiale Verlagerungsrichtung sind in einer Ebene angeordnet, die senkrecht zu der Längsachse der Ventilstange ist.
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Vorzugsweise sind die Nocken derart zwischen dem ersten Anschlagelement und dem Kupplungselement sowie zwischen dem Kupplungselement und der Gewindespindel angeordnet, dass die erste Verlagerungsrichtung im Wesentlichen quer zu der zweiten Verlagerungsrichtung verläuft. Anders gesagt sind die beiden Nockenpaare um 90° zueinander versetzt.
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Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Ventilstange und das erste Anschlagelement aus dem gleichen Werkstoff, vorzugsweise aus einem nichtrostenden Stahl ausgebildet. Durch den Einsatz des gleichen Werkstoffs für die Ventilstange und das erste Anschlagelement wird die Schweißbarkeit der beiden Bauteile deutlich verbessert. Nichtrostender Stahl, auch rostfreier Stahl genannt, zeichnet sich durch einen Anteil von mehr als 10,5 % Chrom aus, der im austenitischen oder ferritischen Mischkristall gelöst ist. Durch den Chromanteil bildet sich eine schützende und dichte Passivschicht aus Chromoxid an der Werkstoffoberfläche aus. Die Verwendung eines nichtrostenden Stahls im Abgasrückführungsventil erhöht insbesondere die Korrosionsresistenz der Ventilstange sowie des ersten Anschlagelements gegen die heißen Abgase. Es ist auch denkbar weitere Bauteile, wie beispielsweise das zweite Anschlagelement, aus einem nichtrostenden Stahl auszubilden, wenn das zweite Anschlagelement ebenfalls durch eine Schweißverbindung mit der Ventilstange verbunden wird.
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Eine erfindungsgemäße Verwendung eines Kugelgewindetriebs sieht vor, diesen als rotatorisch-translatorisches Getriebe zur Betätigung und axialen Verlagerung einer Ventilstange in einem Abgasrückführungsventil einer Verbrennungsmaschine einzusetzen.
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Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen
- 1 eine schematische Längsschnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Kugelgewindetriebs gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, und
- 2 eine perspektivische Explosionsdarstellung der Kupplungseinrichtung sowie der damit in Wirkverbindung stehenden Bauteile des erfindungsgemäßen Kugelgewindetriebs gemäß 1.
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Gemäß 1 umfasst ein Kugelgewindetrieb 1 zur Betätigung eines - hier nicht dargestellten - Abgasrückführungsventils eine axial unverschiebliche, drehangetriebene Gewindemutter 2 und eine entlang der Gewindemutter 2 axial verschiebliche, drehfeste Gewindespindel 3. Die Gewindemutter 2 und die Gewindespindel 3 bilden gemeinsam einen schraubenartig gewundenen Kugelkanal aus, in dem eine Vielzahl von Wälzkörpern 14 zur Umwandlung einer rotatorischen Bewegung der Gewindemutter 2 in eine translatorische Bewegung der Gewindespindel 3 innerhalb des Kugelkanals abwälzen.
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Die Gewindespindel 3 ist über eine Kupplungseinrichtung 4 drehfest mit einer axial verlagerbaren Ventilstange 5 verbunden, wobei die Ventilstange 5 koaxial und radial verschieblich zu der Gewindespindel 3 angeordnet ist. Mit anderen Worten ist ein Außendurchmesser der Ventilstange 5 kleiner ausgebildet als ein Innendurchmesser der Gewindespindel 3, wodurch zwischen der Ventilstange 5 und der Gewindespindel 3 ein radialer Spalt 15 ausgebildet ist. Die Gewindespindel 3 ist ferner axial zwischen einem ersten und zweiten Anschlagelement 6a, 6b angeordnet. Die beiden Anschlagelemente 6a, 6b sind mittels Laserschweißen drehfest mit der Ventilstange 5 verbunden. Das erste Anschlagelement 6a ist vorliegend ebenfalls aus einem nichtrostenden Stahl ausgebildet.
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Die Kupplungseinrichtung 4 umfasst ein Kupplungselement 7, welches axial zwischen dem ersten Anschlagelement 6a und der Gewindespindel 3 angeordnet ist und in Wirkverbindung mit dem ersten Anschlagelement 6a und der Gewindespindel 3 steht. Das Kupplungselement 7 weist einen im Wesentlichen gleichen Innendurchmesser auf wie die Gewindespindel 3, wobei sich der Spalt 15 somit auch zwischen dem Kupplungselement 7 und der Ventilstange 5 axial erstreckt. Das Kupplungselement 7 ist ferner über formschlüssige Mittel drehfest mit dem ersten Anschlagelement 6a und drehfest mit der Gewindespindel 3 verbunden. Die formschlüssigen Mittel werden in 2 näher erläutert. Mithin ist die Gewindespindel 3 sowie das Kupplungselement 7 zu der Ventilstange 5 radialspielbehaftet angeordnet, wobei die Gewindespindel 3 lediglich über die Kupplungseinrichtung 4 mit der Ventilstange 5 verbunden ist.
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Die Ventilstange 5 ist vorliegend aus einem nichtrostenden Stahl ausgebildet und zur Realisierung der Verdrehsicherung an einem distalen Ende 12 mittels Laserschweißen mit einem Führungselement 13 verbunden. Das Führungselement 13 ist beispielsweise an einer gehäuseseitigen - hier nicht dargestellten - Führungsnut axial geführt und gegen Verdrehen gesichert. Mit anderen Worten ist das Führungselement 13 dazu vorgesehen, die Gewindespindel 3 über die Ventilstange 5 und die Kupplungseinrichtung 4 gegen ein ungewolltes Verdrehen zu sichern.
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2 zeigt eine Explosionsdarstellung von dem Kupplungselement 7 sowie dem damit in Wirkverbindung stehenden ersten Anschlagelement 6a und der Gewindespindel 3. Bei dem Kupplungselement 7 handelt es sich um eine Oldham-Kupplung, wobei am ersten Anschlagelement 6a zwei radial gegenüberliegende Ausnehmungen 9a, 9b ausgebildet sind, in die ein jeweiliger am Kupplungselement 7 angeformter Nocken 8a, 8b eingreift. Mithin ist das erste Anschlagelement 6a gegenüber dem Kupplungselement 7 durch die beiden ersten Nocken 8a, 8b in einer ersten radialen Verlagerungsrichtung 16a verlagerbar. Auf einer gegenüberliegenden Stirnfläche des Kupplungselements 7 sind zwei weitere radial gegenüberliegende Nocken 10a, 10b angeformt, die in eine jeweilige dazugehörige Ausnehmung 11a, 11 b an der Gewindespindel 3 eingreifen. Mithin ist die Gewindespindel 3 gegenüber dem Kupplungselement 7 durch die beiden zweiten Nocken 10a, 10b in einer zweiten radialen Verlagerungsrichtung 16b verlagerbar. Die beiden ersten Nocken 8a, 8b und die beiden zweiten Nocken 10a, 10b sind um die Längsachse des Kupplungselements 7 um 90° versetzt angeordnet, sodass die beiden Verlagerungsrichtungen 16a, 16b im Wesentlichen senkrecht zueinander verlaufen.
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Durch die in die Ausnehmungen 9a, 9b, 11a, 11b eingreifenden und darin geführten jeweiligen Nocken 8a, 8b, 10a, 10b wird eine radiale Verlagerung des ersten Anschlagelements 6a gegenüber dem Kupplungselement 7 bzw. eine radiale Verlagerung der Gewindespindel 3 gegenüber dem Kupplungselement 7 in die beiden Verlagerungsrichtungen 16a, 16b ermöglicht, wobei die Verlagerungsrichtungen 16a, 16b in einer Ebene senkrecht zu einer in 1 gezeigten Längsachse 17 der Ventilstange 5 verlaufen. Durch die Kupplungseinrichtung 4 wird somit zum einen ein Radialversatz zwischen der Drehachse der Gewindespindel 3 und der Drehachse der Ventilstange 5, der beispielsweise durch Fertigungsfehler und -toleranzen der Bauteile des Kugelgewindetriebs 1 auftreten kann, ausgeglichen, um eine ungehinderte axiale Verlagerung der Ventilstange 5 zur Betätigung des Abgasrückführungsventils zu gewährleisten. Zum anderen bewirkt die Kupplungseinrichtung 4 eine Verdrehsicherung der mit dem Kupplungselement 7 in Wirkverbindung stehenden Bauteile. Dementsprechend sind die Ventilstange 5 und die Gewindespindel 3 ferner vor einer ungewollten Verdrehung geschützt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kugelgewindetrieb
- 2
- Gewindemutter
- 3
- Gewindespindel
- 4
- Kupplungseinrichtung
- 5
- Ventilstange
- 6a, 6b
- Anschlagelement
- 7
- Kupplungselement
- 8a, 8b
- Nocken
- 9a, 9b
- Ausnehmung
- 10a, 10b
- Nocken
- 11a, 11b
- Ausnehmung
- 12
- Distales Ende
- 13
- Führungselement
- 14
- Wälzkörper
- 15
- Spalt
- 16a, 16b
- Verlagerungsrichtung
- 17
- Längsachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016209119 A1 [0002]
