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Die Erfindung betrifft gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 eine
Stelleinrichtung zum Verstellen einer Drosselklappe einer
Brennkraftmaschine mit progressiver Kraft-/Wegwandlung zwischen
Betätigungseinrichtung und Drosselklappe mit einer Rückstellfeder.
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Üblicherweise erfolgt die Verstellung von Drosselklappen von
Verbrennungsmotoren mittels einer Betätigungseinrichtung gegen eine eine
Rückstellkraft erzeugende Feder, wobei zusätzlich Systemverluste, welche
im wesentlichen durch Reibungsverluste dargestellt werden, zu überwinden
sind. Dabei nimmt die erforderliche Betätigungskraft mit zunehmenden
Drosselklappenöffnungswinkel entsprechend der Federkennlinie der
Rückstellfeder - gegebenenfalls gewandelt durch eine die
Betätigungseinrichtung mit der Drosselklappe verbindende Kinematik - zu.
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Um insbesondere im Bereich kleiner Drosselklappenöffnungswinkel eine
gute Dosierbarkeit zu erreichen, ist es bekannt, zwischen
Betätigungseinrichtung und Drosselklappe eine Kinematik zur Wegwandlung
vorzusehen, so dass bei kleinen Drosselklappenöffnungswinkeln eine
bestimmte Betätigung der Betätigungseinrichtung eine verhältnismäßig
kleine Änderung des Drosselklappenöffnungswinkels und bei großen
Drosselklappenöffnungswinkeln eine große Änderung bewirkt. Hierzu ist
beispielsweise im Falle einer Seilzugbetätigung eine zur
Drosselklappenwelle konzentrisch angeordnete Kurvenscheibe vorgesehen,
welche für den Seilangriff bei kleinen Drosselklappenöffnungswinkeln einen
großen wirksamen Hebel und mit zunehmendem
Drosselklappenöffnungswinkel einen kleiner werdenden wirksamen Hebel aufweist.
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Eine derartige wegwandelnde Kinematik zwischen Betätigungseinrichtung
und Drosselklappe bedingt auch eine Kraftwandlung, wodurch sich
nachteiliger Weise aufgrund des mit zunehmender Drosselklappenöffnung für
die Betätigungskraft ungünstiger werdenden Hebel die Betätigungskraft
zusätzlich zu dem ohnehin federkennlinienbedingten Betätigungskraftanstieg
erhöht.
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Der Notwendigkeit folgend, einerseits zwar eine gute Dosierbarkeit im
Bereich geringer Drosselklappenöffnungswinkel zu erlangen, andererseits
jedoch einen zu großen Anstieg der erforderlichen Betätigungskraft im
Bereich großer Drosselklappenöffnungswinkel zu vermeiden, schlägt
beispielsweise die DE 34 03 760 C2 vor, die Wegwandlung zwischen
Betätigungseinrichtung und Drosselklappe von der Kraftwandlung zu
entkoppeln, indem eine Übersetzungseinrichtung für die Rückstellfeder und
eine weitere Übersetzungseinrichtung zur Erzeugung der Progression
vorgesehen sind; zu diesem Zweck sind zwei Kurvenscheiben vorhanden.
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Die Anordnung gemäß der DE 34 03 760 C2 ist sowohl in Bezug auf die
Montage als auch bezüglich der Herstellung sehr aufwändig und somit
kostspielig, sie benötigt einen großen Bauraum und stellt keine flexible
Lösung dar.
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Es stellt sich daher die Aufgabe, eine eingangs genannte Stelleinrichtung,
welche zwischen Betätigungseinrichtung und Drosselklappe eine Kinematik
zur insbesondere progressiven Kraft-/Wegwandlung aufweist, wodurch mit
zunehmendem Drosselklappenöffnungswinkel neben dem
federkennlinienbedingten ein progressivitätsbedingter
Betätigungskraftanstieg auftritt derart weiterzubilden, dass mit einfachen Mitteln günstig, und
nur einen geringen Bauraum beanspruchend, eine gute Dosierbarkeit im
unteren Lasthebelbereich bei gleichzeitig geringer Betätigungskraft im
oberen Lasthebelbereich erreicht wird. Die Stelleinrichtung soll weiterhin eine
hohe Betriebssicherheit aufweisen und flexibel verwendbar sein.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1
gelöst, wobei der zugrundeliegende Gedanke die Kompensation
insbesondere des progressivitätsbedingten Betätigungskraftanstieges
umfasst.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind zur
Erzeugung einer Drosselklappenrückstellkraft eine erste und eine zweite
Feder vorgesehen, deren Kräfte sich entsprechend der Parallelschaltung der
Federn über den gesamten Drosselklappenöffnungswinkelverlauf addieren,
wobei zumindest ein Teil des durch die erste Feder bedingten
Betätigungskraftanstieges durch die zweite Feder kompensiert wird. Dabei reichen die
addierten Rückstellkräfte der ersten und der zweiten Feder im Bereich
kleiner Drosselklappenöffnungswinkel wenigstens aus, ein vollständiges
Schließen der Drosselklappe zu bewirken.
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Vorteilhafter Weise erzeugt die erste Feder im Bereich maximaler
Drosselklappenöffnung eine zur Überwindung der System(reibungs)verluste
ausreichende Rückstellkraft, welche deutlich geringer ist, als die
erforderliche Rückstellkraft bei einer herkömmlichen Stelleinrichtung, bei
welcher die Rückstellkraft für ein vollständiges Schließen der Drosselklappe
ausreichen muss.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nimmt die
Rückstellkraft der zweiten Feder mit zunehmender Drosselklappenöffnung
ab, wobei sie im Bereich kleiner Drosselklappenöffnungswinkel ein Maximum
aufweist und im Bereich maximaler Drosselklappenöffnung zumindest
annähernd null ist, so dass ihr Beitrag zur Rückstellkraft maßgeblich im
Bereich kleiner Drosselklappenöffnungswinkel liegt
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Als besonders zweckmäßig ist es anzusehen, wenn die erste Feder eine
Dreh- oder Spiralfeder und die zweite Feder eine Zug- oder Druckfeder ist.
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Im folgenden wird ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der
Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert, dabei zeigen
schematisch und beispielhaft
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Fig. 1 eine Anordnung der Federn bei geschlossener Drosselklappe
sowie
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Fig. 2 Betätigungskräfte über den Drosselklappenwinkel im
Diagramm.
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Fig. 1 zeigt eine Anordnung 10 der Federn 12, 13 bei geschlossener
Drosselklappe, die Pfeilrichtung deutet eine Bewegung in Offenrichtung an.
Die in dieser Darstellung nicht gezeigte Drosselklappe ist drehfest auf der
Welle 16 angeordnet, mit welcher ebenfalls drehfest eine Kurvenscheibe 11
verbunden ist. Die Kurvenscheibe 11 wird vorliegend mittels eines in einem
Seilzughüllrohr 15 geführten Seilzuges 14 betätigt, wobei eine axiale
Seilbewegung über den bei einer Bewegung jeweils wirksamen
Kurvenscheibenradius entsprechend einem Hebel zur
Kurvenscheibendrehachse 16 eine rotatorische Bewegung der Seilscheibe
11 bewirkt. Bei vollständig geschlossener Drosselklappe wirkt ein maximaler
Hebel mit einem Scheibenradius A, beim Öffnen der Drosselklappe nimmt
der wirksame Scheibenradius stetig ab, bis bei vollständig geöffneter
Drosselklappe ein minimaler Radius B wirkt. Entsprechend der
Ausgestaltung der Kurvenscheibe 11 bedingt demnach eine bestimmte
Seilbewegung bei kleinen Drosselklappenöffnungswinken eine geringe
Drosselklappenbewegung, wodurch sich eine gute Dosierbarkeit im unteren
Lastbereich ergibt, im oberen Lastbereich, in dem das Verhalten weniger
sensibel ist, bedingt dieselbe Seilbewegung eine größere
Drosselklappenbewegung.
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Die Rückstellkraft zum Schließen der Drosselklappe wird durch die erste
Feder 12 und die zweite Feder 13 erzeugt, deren Kräfte sich entsprechend
ihrer Parallelschaltung addieren. Die erste Feder 12 ist im
Ausführungsbeispiel eine Drehfeder aus üblichem Federstahl, bei der die
Enden des zylindrisch gewickelten Federdrahtes am Umfang des
Durchmessers als Schenkel abgebogen sind, so dass die Feder durch ein
Verdrehen um die Federachse belastbar ist. Alternativ kann eine
beispielsweise aus kaltgewalztem Stahlband nach Art einer archimedischen
Spirale mit gleichem Windungsabstand hergestellte Spiralfeder verwendet
werden, wobei der Windungssinn schließend ist und die Feder innen und
außen eingespannt ist. Die zweite Feder 13 ist eine Zug- oder Druckfeder,
deren Angriffspunkt 17 an der Seilscheibe 11 so gewählt ist, dass bei
vollständig geschlossener Drosselklappe eine maximale und bei vollständig
geöffneter Drosselklappe - wenn sich Punkt 17 auf der Achse D befindet -
keine Rückstellkraft erzeugt wird.
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Unbenommen des dargestellten Ausführungsbeispiels sind weitere
Realisierungen einer progressiven Kinematik zwischen
Betätigungseinrichtung und Drosselklappe im Rahmen der vorliegenden
Erfindung möglich ebenso wie weitere Anordnungen und Abstimmungen der
Federn 12 und 13 im Zusammenwirken mit anders gestalteten
Kurvenscheiben 11. Dem kommt besondere Bedeutung zu, da durch
Gestaltung der Kurvenscheibe 11 und der additiv gebildeten Rückstellkraft
ein nahezu beliebiger Betätigungskraftverlauf über den
Drosselklappenöffnungswinkel möglich ist. Gegebenenfalls ist es in diesem
Zusammenhang zweckmäßig, Federn mit progressiven, linearen und/oder
degressiven Kennlinien zu kombinieren und/oder den Angriffspunkt 17 der
Feder 13 so zu verändern, dass im Kraftverlauf der Feder 13 (siehe Fig. 2,
24) über den Drosselklappenwinkel ein Nulldurchgang oder eine bestimmte
Lage eines Maximums oder Minimums erreicht wird.
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Die Betätigung der Drosselklappe kann wie dargestellt mittels eines
Seilzuges 14 erfolgen, jedoch ist es ebenso zweckmäßig, ein Gestänge zur
Kraftübertragung oder eine beispielsweise elektromotorische oder
hydraulische aktuatorische Drosselklappenbetätigung vorzusehen, welche
mittels einer Steuerung gesteuert wird.
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In Fig. 2 sind Betätigungskräfte 21, 22, 23, 24 qualitativ über den
Drosselklappenwinkel im Diagramm 20 dargestellt, dabei entspricht 0° einer
vollständig geschlossenen und 90° einer vollständig geöffneten
Drosselklappe.
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Den Verlauf der Betätigungskraft ohne Progression und Kompensation
gemäß dem Stand der Technik zeigt 21, dabei entspricht der lineare
Kraftanstieg der linearen Federkennlinie. Die erfindungsgemäße Anordnung
mit zwei Federn und progressivem Übertragungsglied ist durch die Kurven
22, 23 und 24 wiedergegeben, wobei 23 die durch die erste Feder (Fig. 1:
12) und 24 die durch die zweite Feder (Fig. 1 : 13) erzeugte Rückstellkraft
zeigt; die resultierende Kraft ist mit der Kurve 22 gezeigt.
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Die minimale Rückstellkraft (21, 22) im Punkt E bei vollständig
geschlossener Drosselklappe ergibt sich aus der Notwendigkeit, ein sicheres
vollständiges Schließen im Bereich kleiner Drosselklappenöffnungswinkel zu
gewährleisten, so dass daraus bei einer Rückstellkrafterzeugung gemäß der
Kennlinie 21 eine entsprechend hohe Betätigungskraft bei vollständig
geöffneter Drosselklappe ergibt - eine progressive Wandlung zwischen
Betätigungselement und Drosselklappe würde diese Kraft zusätzlich noch
weiter erhöhen.
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Mittels der erfindungsgemäßen Stelleinrichtung mit zwei Federn 12, 13 wird
bei geschlossener Drosselklappe die erforderliche Rückstellkraft in Punkt E
bereitgestellt, trotz einem durch die Progressivität (Krümmung der Kurve 23)
bedingten zusätzlichen Kraftanstieg mit zunehmender
Drosselklappenöffnung wird jedoch eine um den Betrag a verminderte
Betätigungskraft bei vollständig geöffneter Drosselklappe erreicht, indem der
durch die Feder 12 bedingte Kraftanstieg (Kennlinie 23) zumindest teilweise
durch die zweite Feder 13 (Kennlinie 24), die eine mit zunehmenden
Drosselklappenöffnungswinkel abnehmende Rückstellkraft zur
Gesamtrückstellkraft beiträgt, kompensiert wird. Vorliegend wird eine
Anordnung der Feder 13 gewählt, welche einen Nulldurchgang F der
Kennlinie 24 bei vollständig geöffneter Drosselklappe bedingt.
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Als weiterer Vorteil stellt sich die durch die zwei Federn bedingte Redundanz
dar, die Kraftaufteilung auf mehrere Federn erlaubt zudem eine besonders
flexible Verwendung der Stelleinrichtung.