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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil mit einem Spindelarm und einem daran angeordneten Klappenteller, der über ein Kugelgelenk am Spindelarm angebunden ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem einen Abgasturbolader mit einem solchen Ventil sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Ventils.
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Aus der
DE 10 2010 007 600 A1 ist ein gattungsgemäßes Ventil mit einem Spindelarm und einem daran angeordneten Klappenteller bekannt, der über ein Kugelgelenk am Spindelarm angebunden ist, wobei am Klappenteller ein Kugelkopf des Kugelgelenks angeordnet ist.
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Aus der
DE 10 2016 212 593 A1 ist ein Ventil mit einem Spindelarm und einem daran angeordneten Klappenteller bekannt, der über ein Kugelgelenk am Spindelarm angeordnet ist. Am Spindelarm ist dabei ein Kugelkopf des Kugelgelenks angeordnet, während der Klappenteller selbst zweiteilig ausgebildet ist, mit einem Ventilteller und einem Deckel, die zusammen eine den Kugelkopf aufnehmende Kugelpfanne bilden. Der Deckel und der Ventilteller sind dabei über eine Schweißverbindung, eine Lötverbindung, eine Kleberverbindung, ein Umformen, ein Bördelverbindung oder eine Presspassverbindung miteinander verbunden. Hierdurch soll insbesondere ein Ventil geschaffen werden, mittels welchem sich unangenehme Rasselgeräusche fertigungstechnisch einfach und kostengünstig vermeiden lassen. Als nachteilig bei dieser Lösung hat sich jedoch erwiesen, dass bei hohen Temperaturen das Spiel zwischen dem die Spindel umgreifenden Klappenteller (Gelenkpfanne) und dem Kugelkopf mit der Temperatur zunimmt, was die akustischen Eigenschaften des Ventils negativ beeinflusst.
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Aus der
DE 10 2012 216 893 A1 ist ein Klappenventil mit einer Spindel und einem mit der Spindel verbundenen Klappenteller bekannt, wobei die Spindel einen abstehenden Spindelarm aufweist, der eine Spindelöffnung aufweist ist, die von einem vom Klappenteller abstehenden Dorn durchsetzt ist. Eine entlang des Dorns zwischen dem Spindelarm und einer Haltescheibe angeordnete Tellerfeder weist an ihrem äußeren Rand zumindest eine aufgebogene Lasche auf, wodurch insbesondere ein verbesserter Ausgleich eines Spiels zwischen der Spindel und dem Klappenteller erreicht werden soll. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass es bei zu großem Spiel zwischen den einzelnen Komponenten zu einer intensiven Geräuschentwicklung und damit auch zu einem intensiven Verschleiß der einzelnen Komponenten kommen kann. Diese werden bei offenstehendem Ventil, insbesondere bei einem Wastegateventil oder einem Umschaltventil, durch den Klappenteller verursacht, der dem pulsierenden Abgasstrom direkt ausgesetzt ist. Als weiterer Nachteil dieser Lösung hat sich ein Relaxationsverhalten der Tellerfedern bei hohen Temperaturen herausgestellt.
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Generell neigen Ventile ohne hinreichenden Winkelausgleich aufgrund eines Verschleißes zwischen einem Spindelarm und einem Klappenteller über die Laufzeit dazu, dass das Ventil nicht mehr dicht schließt, was insbesondere zu Leistungsverlusten, insbesondere im emissionsrelevanten Betriebspunkt eines Low-End-Torque führen kann. Aufgrund der immer höheren Anforderungen an Emissionsgrenzen moderner Fahrzeuge, steigen die Abgastemperaturen, was unter anderem die thermische Belastung des Ventils, und hier insbesondere der zur Schwingungsdämpfung eingesetzten Federn, erhöht.
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Bislang aus dem Stand der Technik bekannte Lösungen stellen die erforderliche Flexibilität dadurch sicher, dass eine Verbindung zwischen einem Spindelarm und einem Klappenteller mit vergleichsweise großzügigem Spiel gestaltet wird.
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Die Verbindung ist hier in der Regel ein Zapfen in einer Bohrung, gehalten durch eine am Zapfen bzw. Dorn befestigte Scheibe. Hierbei muss jedoch ausreichend Axial- und Radialspiel vorhanden sein, um dem Klappenteller zu ermöglichen, einen Verschleiß zwischen Spindel und Buchse ausgleichen zu können.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Ventil der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile, insbesondere hinsichtlich einer Geräuschemission und einer Dichtigkeit über die Laufzeit, überwindet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Klappenteller über ein Kugelgelenk an einem Spindelarm eines Ventils, insbesondere eines Wastegateventils oder eines Umschaltventils, anzubinden, hierbei jedoch einen Kugelkopf als Kugelkopfhülse auszubilden, die in einer zweiteiligen Gelenkpfanne am Spindelarm gelagert ist. Das erfindungsgemäße Ventil, insbesondere ein Wastegateventil oder ein Umschaltventil, weist dabei den zuvor erwähnten Spindelarm sowie den daran angeordneten Klappenteller auf, wobei am Klappenteller ein Kugelkopf des Kugelgelenks angeordnet ist. Der Klappenteller weist erfindungsgemäß einen Dorn auf, auf dem die zuvor erwähnte Kugelkopfhülse aufgesteckt ist, die wiederum an einer Außenkontur den Kugelkopf bildet. Der Spindelarm ist zumindest zweiteilig ausgebildet, mit einem Arm und einem damit verbundenen Halteteil, wobei am Arm ein erster Teil einer den Kugelkopf aufnehmenden Gelenkpfanne und am Halteteil ein zweiter Teil der den Kugelkopf aufnehmenden Gelenkpfanne ausgebildet ist. Hierdurch kann nicht nur eine akustische Unauffälligkeit erreicht werden, sondern aufgrund der Kugelgelenkverbindung zwischen Klappenteller und Spindelarm auch eine hohe Dichtigkeit des Klappentellers gegenüber dem Turbinengehäuse über die Laufzeit. Des Weiteren ist die Montage des erfindungsgemäßen Ventils durch die aufgesteckte Kugelkopfhülse einfach gestaltet und ermöglicht zudem die Nutzung der Kugelgelenkschnittstelle in einem Baukasten für unterschiedliche Wastegate-Anwendungen mit unterschiedlichen Klappentellerdurchmessern, in dem einfach der Klappenteller getauscht und entsprechend gepaart wird. Die Schnittstelle zwischen Kugelkopfhülse und Gelenkpfanne bleibt jedoch identisch. Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Ventilen ist zudem kein Pressen des Kugelkopfes oder Umformen einer Gelenkpfanne erforderlich, um den Kugelkopf in die Gelenkpfanne zu fügen. Hierdurch können sehr kleine Spiele erzeugt und eine äußerst genaue Passung durch eine mechanisch abtragende Bearbeitung eingestellt werden. Des Weiteren können auch weniger elastische, eventuell sogar gehärtete, Materialien verwendet werden, die im Hochtemperatureinsatz deutlich robuster und verschleißbeständiger sind. Das erfindungsgemäß mehrteilige Konzept verzichtet darüber hinaus auf die Verwendung von Spannbändern oder Spannblechen, um den Kugelkopf in der Gelenkpfanne zu halten, wodurch die aus dem Stand der Technik bekannten Relaxationsnachteile bei derartigen Federelementen vermieden werden können. Zudem kann die Kugelkopfhülse unabhängig von der Klappentellergröße und unabhängig auch von einem rechtseitigen oder linksseitigen Ventil eingesetzt werden, wodurch eine geringere Teilevielfalt und geringere Stückkosten realisiert werden können.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist der Kugelkopf mit vordefiniertem Spiel in der Gelenkpfanne aufgenommen. Hierdurch kann zum einen ein unangenehmes Wastegateprasseln während des Betriebs vermieden oder zumindest deutlich reduziert, zum anderen jedoch eine leichtgängige Verstellbarkeit und damit eine hohe Dichtigkeit des Ventils erreicht werden.
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Zweckmäßig sind der Halteteil und der Arm des Spindelarms über eine Schweißverbindung, ein Umformen, ein Bördelverbindung, eine Lötverbindung oder eine Klebeverbindung, insbesondere auch beispielsweise über eine Presspassverbindung, miteinander verbunden. Bereits diese nicht abschließende Aufzählung lässt erahnen, welche mannigfaltigen Möglichkeiten zur Verbindung des Halteteils mit dem Arm möglich sind, wodurch eine Montage des erfindungsgemäßen Ventils vereinfacht wird.
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Zweckmäßig ist im/am Arm eine konische Ausnehmung angeordnet, wobei das Halteteil einen konischen Abschnitt aufweist, der komplementär zur konischen Ausnehmung ausgebildet ist. Hierdurch kann eine genau vordefinierte Ausrichtung des Halteteils relativ zum Arm erzwungen werden, wodurch eine exakte komplementär zum Kugelkopf der Kugelkopfhülse ausgerichtete Gelenkpfanne erreicht werden kann. Die konische Ausnehmung bewirkt zusammen mit dem konischen Abschnitt des Halteteils eine Zwangsausrichtung, wodurch die Montage vereinfacht wird.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weist der Dorn einen umgeformten Kopf auf, über welchen die Kugelkopfhülse gehalten ist. Ein derartiger umgeformter Kopf kann beispielsweise als Nietkopf ausgebildet sein, so dass zu einer Montage die Kugelkopfhülse zunächst auf den Dorn aufgefädelt und anschließend der Dorn im Bereich seines Kopfes umgeformt wird.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, einen Abgasturbolader mit zumindest einem solchen Ventil, insbesondere mit einem Wastegateventil oder einem Umschaltventil, auszustatten, wodurch sich die in den vorherigen Absätzen beschriebenen Vorteile bezüglich des Ventils analog auf den Abgasturbolader übertragen lassen.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Ventils anzugeben, bei dem zunächst der Arm und das Halteteil ineinander gelegt und zusammengehalten und anschließend die Innenflächen entsprechend der Toleranzvorgaben gemeinsam bearbeitet werden. Dann werden der Arm und das Halteteil wieder auseinander genommen, die Kugelhülse in den Arm ein- und das Halteteil aufgelegt. Zuletzt wird das Halteteil fest mit dem Arm verbunden.
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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 Bauteile beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
- 1 eine Ansicht auf ein erfindungsgemäßes Ventil mit einem Spindelarm und einem daran über ein Kugelgelenk angebundenen Klappenteller,
- 2 eine Schnittdarstellung durch das Ventil im Bereich des Kugelgelenks,
- 3 eine Darstellung wie in 2, jedoch bei einer anderen Stellung des Klappentellers.
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Entsprechend den 1 bis 3, weist ein erfindungsgemäßes Ventil 1, insbesondere ein Wastegateventil 1' oder ein Umschaltventil 1", welches beispielsweise in einem Abgasturbolader 2 eingesetzt sein kann, einen Spindelarm 3 sowie einen daran angeordneten Klappenteller 4 auf, der über ein Kugelgelenk 5 (vgl. insbesondere die 2 und 3) am Spindelarm 3 angebunden ist. Am Klappenteller 4 ist dabei ein Kugelkopf 6 des Kugelgelenks 5 ausgebildet. Erfindungsgemäß weist der Klappenteller 4 einen Dorn 7 auf, auf welchem eine Kugelkopfhülse 8 aufgesteckt ist, die an einer Außenkontur den Kugelkopf 6 bzw. die Kugelkopfkontur bildet. Der Spindelarm 3 ist zumindest zweiteilig ausgebildet, nämlich mit einem Arm 9 und einem damit verbundenen Halteteil 10, wobei am Arm 9 ein erster Teil 11 einer den Kugelkopf 6 aufnehmenden Gelenkpfanne 12 und am Halteteil 8 ein zweiter Teil 13 der den Kugelkopf 6 aufnehmenden Gelenkpfanne 12 ausgebildet ist. Durch die zweiteilige Ausbildung der Gelenkpfanne 12 kann eine deutlich vereinfachte Montage des Kugelgelenks 5 erreicht werden. Durch das Kugelgelenk 5 wiederum kann eine über die Lebensdauer leichte Verstellbarkeit des Klappentellers 4 erreicht werden, wodurch eine über die Lebensdauer gleichbleibend hohe Dichtigkeit des Ventils 1 gewährleistet werden kann.
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Der Kugelkopf 6 ist dabei mit vordefiniertem Spiel in der Gelenkpfanne 12 aufgenommen, wodurch auch temperaturbedingte Dehnungen nicht zu einem Festsetzen des Kugelgelenks 5 führen können und dadurch eine hohe Beweglichkeit des Klappentellers 4 über die gesamte Lebensdauer gewährleistet werden kann. Der Halteteil 10 und der Arm 9 können beispielsweise über eine Schweißverbindung, eine Presspassverbindung, eine Lötverbindung oder aber auch über eine Klebeverbindung miteinander verbunden sein und dadurch vergleichsweise einfach aneinander montiert werden.
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Betrachtet man den Arm 9 näher, so kann man erkennen, dass dieser eine konische Ausnehmung 14 (vgl. 3) aufweist, wobei das Halteteil 10 ebenfalls einen konischen Abschnitt 15 aufweist, der komplementär zur konischen Ausnehmung 14 am Arm 9 ausgebildet ist und dadurch eine Zwangszentrierung des Halteteils 10 relativ zum Arm 9 bewirkt. Hierdurch lässt sich eine exakte Ausrichtung des Halteteils 10 zum Arm 9 erzwingen und dadurch eine versatzfreie Gelenkpfanne 12 erreichen, welche eine besonders leichtgängige Lagerung des Kugelkopfes 6 ermöglicht.
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Der Dorn 7 weist einen umgeformten Kopf 16 auf, über welchen die Kugelkopfhülse 8 am Klappenteller 4 gehalten ist. Eine Montage der Kugelkopfhülse 8 am Klappenteller 4 erfolgt dabei durch ein einfaches Aufstecken der Kugelkopfhülse 8 auf den Dorn 7, bis diese an einer Stufe 17 am Klappenteller 4 anliegt. Anschließend wird ein freies Ende des Dorns 7 zum Kopf 16 umgeformt, wodurch die Kugelkopfhülse 8 fest am Klappenteller 4 gehalten ist.
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Generell kann vorgesehen sein, dass der erste Teil 11 und/oder der zweite Teil 13 eine konvexe Innenkontur aufweisen, die komplementär zur Außenkontur des Kugelkopfes 6 ausgebildet ist, insbesondere zusammen fertigbearbeitet sein können. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass der erste Teil 11 und/oder der zweite Teil 13 eine konische Innenkontur aufweisen. Dies ermöglicht eine sehr einfache und kostengünstige Herstellung.
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Durch das erfindungsgemäße Ventil 1 kann eine akustische Unauffälligkeit sowie aufgrund der leichtgängigen Lagerung des Kugelgelenks 5 auch eine hohe Dichtigkeit über die Lebensdauer erreicht werden. Des Weiteren ist die Montage die aufgesteckte Kugelkopfhülse 8 einfach gestaltet und ermöglicht zudem die Nutzung der Kugelgelenkschnittstelle auch in einem Baukastensystem für unterschiedliche Wastegate-Anwendungen mit unterschiedlichen Klappentellerdurchmessern, indem der Klappenteller 4 getauscht und entsprechend gepaart wird. Die Schnittstelle des Dorns 7 zur Kugelkopfhülse 8 bleibt dabei identisch. Eine vereinfachte Montage des erfindungsgemäßen Ventils 1 kann auch dadurch erreicht werden, dass im Unterschied zu den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen kein Einpressen des Kugelkopfes 6 in die Gelenkpfanne 12 erforderlich ist. Hierdurch lassen sich äußerst kleine Spiele mit geringen Toleranzen erreichen und eine genaue Passung beispielsweise durch eine mechanisch abtragende Bearbeitung einstellen.
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Von weiterem Vorteil ist, dass weniger elastische, eventuell sogar gehärtete Materialien für die Kugelkopfhülse 8 bzw. die Gelenkpfanne 12, das heißt den Spindelarm 9 bzw. das Halteteil 10 verwendet werden können, die insbesondere bei einem Einsatz in einem Abgasturbolader 2 mit den entsprechend hohen Temperaturen deutlich robuster und verschleißbeständiger sind. Von weiterem Vorteil bei der erfindungsgemäßen Lösung ist zudem, dass keine Federelemente mehr erforderlich sind, die bei hohen Temperaturen unter Umständen relaxieren könnten. Hierdurch kann eine deutlich robustere Lösung in Bezug auf eine thermische Belastung erreicht werden. Des Weiteren können der Klappenteller 4, die Kugelkopfhülse 8 und das Halteteil 10 als Gleichteile ausgebildet sein. Rein theoretisch können auch der Spindelarm 3 und der Kugelkopf 6 als Gleichteil für rechtsseitige und linksseitige Ventile 1 verwendet werden, wodurch eine universell einsetzbare Kugelkopfhülse 8 in großer Stückzahl produziert und eingesetzt werden kann. So lassen sich nicht nur die Teilevielfalt, sondern auch die Stückkosten deutlich reduzieren.
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Eine Herstellung des Ventils 1 kann dabei wie folgt erfolgen: Die Rohteile (Gussteile) für den Spindelarm 3 bzw. den Arm 9 und das Halteteil 10 werden ineinander gelegt und zusammengehalten, dann werden die Innenflächen entsprechend der Toleranzvorgaben gemeinsam bearbeitet, so dass hier eine hohe Genauigkeit hinsichtlich der Rundheit erzielt werden kann, anschließend werden der Arm 9 und das Halteteil 10 wieder auseinander genommen, die Kugelhülse 8 in den Arm 9 ein- und das Halteteil 10 aufgelegt und fest mit dem Arm 9 verbunden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010007600 A1 [0002]
- DE 102016212593 A1 [0003]
- DE 102012216893 A1 [0004]
