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Die
Erfindung betrifft eine Klappenvorrichtung insbesondere für ein Luftansaugkanalsystem
einer Verbrennungskraftmaschine mit zumindest einem Klappengrundkörper, der
drehfest auf einer Welle angeordnet ist, wobei die Welle aus Kunststoff
hergestellt, in einem Gehäuse
gelagert und über
eine Verstelleinrichtung in Drehung versetzbar ist, wobei der mögliche Stellwinkel
der Welle durch ein Anliegen zumindest eines Elementes der Klappenvorrichtung
gegen zumindest einen Anschlag, begrenzt ist.
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Klappenvorrichtungen
bei denen die Klappengrundkörper
drehfest auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind, sind aus einer
Vielzahl von Anmeldungen bekannt. Verwendet werden diese Klappenvorrichtungen
beispielsweise in Luftansaugkanalsystemen von Verbrennungskraftmaschinen, wo
sie als Schaltklappen zur Längenverstellung
der Ansaugrohrlängen
oder auch als Tumbleklappen zur Drallerzeugung eingesetzt werden.
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Damit
diese Klappenvorrichtungen unabhängig
von der verwendeten Antriebseinheit definierte Endlagen zum Schließen oder Öffnen eines
Kanals einnehmen, werden die Klappenvorrichtungen gegen einen oder
mehrere definierte Anschläge
gefahren gegen die sie in ihren Endstellungen anliegen. In den letzten
Jahren werden dabei vor allem aus Gewichtsgründen zunehmend Wellen und Klappenkörper aus Kunststoff
hergestellt. Ein weiterer Vorteil solcher Klappenvorrichtungen ist
es, daß sie
einstückig
hergestellt werden können,
so daß weitere
Bearbeitungskosten entfallen und somit auch der Montageaufwand minimiert
wird. der Schaltklappenwelle werden äußere Flügel der Klappengrundkörper gegen
Ausstülpungen,
die an den Wänden
des entsprechenden Saugrohres ausgebildet sind, gefahren und liegen
dort an. Der hierdurch gebildete Anschlag dient zwar als Abdichtung
und Definition des Endlagenpunktes für die Antriebseinheit, weist
jedoch den Nachteil auf, daß bei
geöffneter
Klappe die Strömung durch
den Kanal durch die wulstartigen Ausstülpungen an der Innenwand des
Kanals gestört
wird.
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Derartige
Ausstülpungen,
welche als Anschlag für
einen Klappenkörper
dienen, der in einem Luftansaugkanalsystem eines Verbrennungsmotors angeordnet
ist, sind beispielsweise aus der
US 5,657,731 bekannt.
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Dieses
Problem wird dadurch gelöst,
daß der Anschlag
und somit der definierte Endlagenpunkt für die Antriebseinheit außerhalb
des durchströmten
Kanals angeordnet wird. Bekannt sind Ausführungen, bei denen Anschlagelemente
entweder im vorderen Bereich der Welle oder zwischen jedem Klappenkörper oder
im hinteren Bereich der Welle angeordnet sind.
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So
wird in der
DE 198
11 511 A1 eine Vorrichtung zur Betätigung einen Welle vorgeschlagen,
auf der ein Hebel angeordnet ist, der über eine Stellvorrichtung betätigt wird,
wobei der Hebel gegen feststehende Endanschläge gefahren wird, so dass diese außerhalb
des durchströmten
Kanals angeordnet sind.
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Bei
der Ausführung
mit einem Anschlagelement im zu einer Verstelleinrichtung nahe gelegen Bereich
neigen die weiter dahinter angeordneten, nicht mit einem Anschlag
versehenen Klappen, zum Flattern. Umgekehrt entsteht bei einem von
der Verstelleinrichtung gesehen entfernt angeordneten Anschlagelement,
die Gefahr einer Torsion der Welle und der Klappenkörper, da
die Endlagenstellung bei nicht intelligenten Antrieben erst nach
weiterem Verdrehen der Welle erkannt wird oder ein vollständiger Verschluß der vorderen
Kanäle,
also die notwendige Endstellung der vorderen Klappen nicht erreicht
wird. Um beiden Problemen zu begegnen, wäre eine extrem genaue Fertigung
der Welle mit den Klappenkörpern
notwendig. Sowohl das Flattern der Klappenkörper, bei der an der Verstelleinrichtungsseite
gelegenen Anschlagelementen, als auch die Torsion bei von der Verstelleinrichtungsseite
abgewandten Anschlagelementen führt
zu Schäden
im Bereich der Klappenvorrichtung, die bis zu ei nem Bruch der Welle
reichen können.
Im Vergleich dazu ist der Aufwand mit Anschlägen zwischen jedem Klappenkörper sehr groß, da jeweils
die Stellung der Anschlagkörper
zur Stellung der Klappengrundkörper
optimiert werden muß,
um einen zuverlässigen
Verschluß beispielsweise
des Luftansaugkanalsystems durch die Klappen zu erhalten. Dies führt zu einem
deutlich erhöhten
Herstellungsaufwand und somit höheren
Kosten.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine Klappenvorrichtung zu schaffen,
bei der sowohl die freie Strömung
durch die Kanäle
gewährleistet
ist, als auch eine feste ....
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Stellung
der Klappenkörper,
wobei eine Torsion der Klappenvorrichtung vermieden werden soll. Des
weiteren soll die Klappenvorrichtung kostengünstig und einfach herstellbar
und montierbar sein.
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Diese
Aufgaben werden dadurch gelöst,
daß die
Klappenvorrichtung zumindest zwei Elemente aufweist, die im Bereich
eines minimalen und/oder eines maximalen Stellwinkels gegen einen
ersten und einen zweiten Anschlag anliegen, wobei das erste Element
auf der Welle vor oder hinter dem am nächsten zur Verstelleinrichtung
gelegenen Klappengrundkörper
angeordnet ist und das zweite Element auf der Welle vor oder hinter
dem am entferntesten zur Verstelleinrichtung gelegenen Klappengrundkörper angeordnet
ist. Dabei wird durch das zweite, von der Verstelleinrichtung entfernt
gelegene Element ein Flattern der Klappenkörper durch die feste Anlage verhindert,
während
durch die Nähe
des ersten Elementes zur Verstelleinrichtung und somit zur Antriebseinheit
ein rechtzeitiges Abschalten der Antriebseinheit sicher gestellt
wird, bevor eine zu große Torsion
der Welle stattfinden kann.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
liegen die zwei Elemente jeweils sowohl bei maximalem als auch bei
minimalem Stellwinkel gegen entsprechende Anschläge an, so daß sowohl
in geöffneter als
auch in geschlossener Endstellung der Klappenvorrichtung die genannten
Nachteile vermieden werden können.
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Vorteilhafterweise
weist jedes der beiden Elemente zwei Anschlagsflächen auf, die in Wirkverbindung
zu entsprechenden Anschlägen
im Gehäuse stehen
und in einem Winkel zueinander angeordnet sind, der im wesentlichen
der Differenz aus maximalem und minimalem Stellwinkel entspricht.
Durch diese zwei Anschlagflächen
wird auf einfache und wirksame Weise die feste Anlage der Klappenvorrichtung verwirklicht.
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In
einer weiterführenden
Ausführungsform ist
der Winkel zwischen den beiden Anschlagflächen des ersten Elements etwas
größer als
der Winkel zwischen den beiden Anschlagflächen des zweiten Elementes,
wobei die Anschlagflächen
zueinander gerichtet sind und der jeweilige Anschlag des Gehäuses im
Bereich dieses Winkels zwischen den Anschlagflächen angeordnet ist. Dadurch
wird eine definierte Vorspannung in zumindest einer Endstellung der
Klappenvorrichtung geschaffen.
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Bei
einer optimierten Ausführung
ist der Winkel zwischen den beiden Anschlagflächen des ersten Elementes 2° bis 8°, vorzugsweiser
3° größer als
der Winkel zwischen den beiden Anschlagflächen des zweiten Elementes.
Durch eine solche Anordnung ergeben sich optimierte Vorspannungen
und somit eine feste Lage der Klappenkörper in der Endlagenstellung,
wobei der zu wählende
Winkelunterschied von der Länge
der Welle abhängig
ist.
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In
einer weiterführenden
Ausführungsform sind
sowohl die jeweils erste Anschlagfläche der beiden Elemente, als
auch die jeweils zweite Anschlagfläche der beiden Elemente in
Achsrichtung derart zueinander versetzt angeordnet, daß bei Drehung der
Welle die jeweilige Anschlagfläche
des zweiten Elementes kurz vor der jeweiligen Anschlagfläche des
ersten Elementes gegen den Anschlag anliegt, wodurch die feste vorgespannte
Lage der Klappenvorrichtung im Gehäuse in beiden Endstellungen
sichergestellt wird.
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In
einer alternativen Ausführung
ist eine erste Anschlagnase, die in Wirkverbindung zum ersten Anschlagelement
bringbar ist, in ihrer zu den Anschlagflächen weisenden Ausdehnung kleiner
ausgebildet als die zweite Anschlagnase, die in Wirkverbindung zum
zweiten Element bringbar ist, während die
Anschlagflächen
in Achsrichtung der Welle gesehen, parallel zueinander angeordnet
sind, wodurch wieder eine definierte Vorspannung in zumindest einer
Endstellung der Klappenvorrichtung geschaffen wird.
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In
einer weiterführenden
Ausführung
ist der Mittelpunkt der Anschlagnasen auf einer zur Welle parallelen
Achse angeordnet und der Abstand zur Welle gleich. Bei Drehung der
Welle liegt dann automatisch die jeweilige Anschlagfläche des
zweiten Elementes kurz vor der jeweiligen Anschlagfläche des
ersten Elementes gegen den Anschlag an, wodurch wiederum die feste
vorgespannte Lage der Klappenvorrichtung im Gehäuse in beiden Endstellungen
sichergestellt wird.
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Zur
einfacheren Montage und Herstellung ist die Welle mit den Anschlagelementen
einstückig
ausgebildet und beispielsweise in Spritzgußtechnik hergestellt.
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In
einer weiterführenden
Ausführungsform ist
die Welle mit den Anschlagelementen und den Klappengrundkörpern einstückig ausgebildet,
so daß weitere
Montageschritte entfallen.
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Mit
den beschriebenen Ausführungsformen wird
eine Klappenvorrichtung geschaffen, die kostengünstig herzustellen und zu montieren
ist und eine zuverlässige
und feste Lage der Klappenvorrichtung im Gehäuse sicherstellt ohne die Strömung im
Gehäuse
zusätzlich
zu beeinflussen. Mit einer solchen Klappenvorrichtung wird ein dauerhaft
störungsfreier Betrieb
ohne Schäden
sicher gestellt.
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In
den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel
dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Schaltklappenvorrichtung
in einem nicht verschlossenen Luftansaugkanalsystem in Draufsicht.
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2 zeigt
einen Schnitt entlang der Linie B-B der 1 und somit
eine Seitenansicht der Klappenvorrichtung im Bereich des Anschlags.
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3 stellt
die beiden Anschlagelemente mit zwischen den Anschlagflächen ausgebildeten
Anschlagnasen und Winkeln schematisch in Seitenansicht gegenüber.
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Die
in 1 dargestellte Schaltklappenvorrichtung besteht
aus vier Schaltklappengrundkörpern 1,1,1'',1'',
die auf einer Welle 2 angeordnet sind. Die Welle 2 und
somit die gesamte Schaltklappenvorrichtung sind in einem Luftansaugkanalgehäuse 3 über neun
Wellenlager 4 gelagert. An einem ersten Ende der Welle 2 befindet
sich eine Verstelleinrichtung 5, die eine Antriebseinheit 6,
die elektrisch oder pneumatisch gesteuert werden kann, mit der Welle 2 verbindet.
Bei Drehung der Verstelleinrichtung 5 wird die Welle 2 in
den Wellenlagern 4 gedreht und mit ihr die Schaltklappengrundkörper 1,1,1'',1'',
welche dann vier Kurzschlußöffnungen
zu den Luftansaugkanälen 7,7',7'',7''' als Strömungsweg
für die
Ansaugluft zum Zylinder freigeben oder verschließen. Zur Begrenzung der Stellwinkel
der Klappenvorrichtung beziehungsweise zur Definition der beiden
Endlagen der Klappen in vollständiger
Auf- oder Zustellung sind an der Welle Anschlagelemente 8, 9 angebracht.
Das von der Verstel leinrichtung 5 aus gesehen erste Anschlagelement 8 liegt
hinter dem ersten Schaltklappengrundkörper 1, während das
von der Verstelleinrichtung aus gesehen zweite Anschlagelement 9 vor dem
letzten Klappengrundkörper 1'' ausgebildet ist.
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In 2 ist
die Ausbildung des Anschlagelementes 9 zu erkennen. Es
verfügt über zwei
Anschlagflächen 10, 11,
die in Wirkverbindung zu einem Anschlag, in diesem Fall ausgeführt als
Anschlagnase 12, stehen. In der hier dargestellten Ausführung liegt
eine erste Anschlagfläche 11 an
der Anschlagnase 12 an, so daß der Klappengrundkörper 1'' ` die Kurzschlußöffnung zum
Luftansaugkanal 7''' freigibt. Bei Antrieb der Welle 2 wird
diese bezüglich
der Darstellung in 2 gegen den Uhrzeigersinn gedreht bis
die Anschlagfläche 10 gegen
die Anschlagnase 12 anliegt und somit die Kurzschlußöffnung verschlossen
wird. Die Anschlagnase 12 wie auch die andere Anschlagnase 13 im
Bereich des ersten Anschlagelementes 8 sind dabei als Teil
des Gehäuses 3 ausgebildet.
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In 3 ist
schematisch die unterschiedliche Ausführung der beiden Anschlagelemente 8, 9 dargestellt.
Es ist zu erkennen, daß der
Winkel zwischen den beiden Anschlagflächen 10, 11 des
ersten Elementes 8 um 3° größer ist
als der Winkel zwischen den beiden Anschlagflächen 10, 11 des
zweiten Anschlagelementes 9. Des weiteren soll die relative Lage
der beiden Anschlagelemente 8, 9 zur jeweiligen
Schaltklappe 1,1'' gleich sein,
was bedeutet, daß sowohl
die Anschlagfläche 10 als
auch die Anschlagfläche 11 des
zweiten Anschlagelementes zuerst gegen die Anschlagnase 12 anliegt
und erst nach weiterer Drehung der Welle 2 um 1,5° der jeweilige
Anschlag 10, 11 des ersten Anschlagelementes 8 gegen die
Anschlagnase 13 erfolgt.
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An
dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß die Anschlagflächen 10, 11 bei
jeweils zwei vorhandenen Anschlagnasen im Gehäuse auch nicht zueinander gewandt,
sondern voneinander weg weisend angeordnet sein können, wobei
der Winkel gemäß den Ansprüchen so
abgegriffen wird, daß er
zu den Anschlagflächen
weist, und außerhalb
des Raumes der Anschlagelemente angeordnet ist.
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In
jedem Fall ist zu gewährleisten,
daß zunächst das
von der Verstelleinrichtung ausgesehen hintere Anschlagelement in
Endstellung gebracht wird und erst darauf folgend das erste Anschlagelement.
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Mit
dieser erfindungsgemäßen Ausführung liegt
eine Konstruktion vor, die auf einfache und wirksame Weise Beschädigungen
der Klappenvorrichtung im Betrieb verhindert, sowie einfach und
preisgünstig
herstellbar und montierbar ist. Die freie Strömung durch den luftführenden
Kanal wird nicht durch Anschläge
im Kanal gestört.
Des weiteren werden sowohl ein Flattern der Klappengrundkörper als
auch eine zu große
Torsion der Welle verhindert. Durch die daraus folgende geringere
Belastung der Welle kann diese deutlich dünner ausgeführt werden, als dies in bisherigen
Ausführungen
der Fall warum die notwendige Steifigkeit zu erhalten.
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Selbstverständlich sind
Veränderungen
bezüglich
der verwendeten Materialien, des Zusammenbaus der Welle beziehungsweise
des Einbaus der Klappenvorrichtung in das Gehäuse sowie der Ausführung des
Antriebs denkbar. Des weiteren ist die Anzahl der Klappengrundkörper je
nach Anwendung bzw. Motorausführung
und somit auch der optimale Unterschied in den Winkeln zwischen
den Anschlagelementen des ersten Elementes und des zweiten Elementes
unterschiedlich. Es ist auch denkbar die Verstelleinrichtung nicht
an der Außenseite der
Welle anzuordnen sondern im mittleren Bereich, wobei dann von der
Verstelleinrichtung aus zu beiden Seiten je zwei Anschlagelemente
angeordnet sein müssen.
Auch eine unterschiedliche Lage der Anschlagnasen kann wie in der
Beschreibung erwähnt, gewählt werden,
ohne den Inhalt der Patentansprüche
zu verlassen.