DE10324943A1

DE10324943A1 - Vorrichtung zur Rückstellung eines zwischen zwei Stellungen verdrehbaren Bauteils

Info

Publication number: DE10324943A1
Application number: DE10324943A
Authority: DE
Inventors: Hubert Dipl.-Ing. Schnüpke; Dietmar Dipl.-Ing. Schröer; Alexander Von Dipl.-Ing. Gaisberg-Helfenberg
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-06-03
Filing date: 2003-06-03
Publication date: 2005-01-13

Abstract

Eine Vorrichtung (1) zur Rückstellung eines zwischen zwei Stellungen verdrehbaren Bauteils (2) in seine Mittelstellung weist einen Torsionsstab (5) auf, welcher in der Lage ist, das Bauteil (2) in seine Mittelstellung zu bringen. Der Torsionsstab (5) ist mit einem sich im wesentlichen in radialer Richtung desselben erstreckenden und mit demselben in Reihe geschalteten Federelement (9) drehfest verbunden, welches in der Lage ist, das Bauteil (2) in seine Mittelstellung zu bringen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Rückstellung eines zwischen zwei Stellungen verdrehbaren Bauteils in seine Mittelstellung nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Steuerung der Strömung in einem gasführenden Kanal.

Die DE 101 40 706 A1 zeigt eine gattungsgemäße Vorrichtung, wobei an dem Torsionsstab eine Schaltklappe angeordnet ist, welche Teil einer Hochgeschwindigkeitsstelleinrichtung ist, mit der die Strömung in einem Einlasskanal einer Brennkraftmaschine gesteuert wird. Aufgrund der verhältnismäßig großen Drehwinkel, die die Schaltklappe zwischen ihren beiden Endstellungen zurücklegt, ist es jedoch erforderlich, den Torsionsstab sehr lang auszuführen, um eine zulässige Scherspannung des Materials des Torsionsstabs nicht zu überschreiten. Dies führt zu einer insbesondere in Längsrichtung sehr großen Stelleinrichtung, was gerade beim vorgesehenen Einsatz derselben in Brennkraftmaschinen äußerst nachteilig ist.

Weitere Vorrichtungen zur Lagerung eines Steuerelements sind aus der WO 98/42957 A1 oder der DE 199 55 054 A1 bekannt. Diese bei einem elektromagnetischen Antrieb eingesetzten Vorrichtungen weisen ebenfalls einen Dreh- bzw. Torsionsstab auf, der in einem Ankerrohr aufgenommen ist. Der Nachteil dieser bekannten Vorrichtung ist die aufwendige Lagerung des Ankerrohrs, die zu einem sehr hohen Platzbedarf für die gesamte Vorrichtung führt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Rückstellung eines zwischen zwei Stellungen verdrehbaren Bauteils in seine Mittelstellung zu schaffen, welche einerseits eine geringe Baugröße aufweist und bei welcher andererseits das Massenträgheitsmoment sehr gering ist im Verhältnis zum maximal möglichen Rückstellmoment.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Durch die drehfeste Verbindung des Torsionsstabs mit dem zusätzlichen Federelement wird die durch die Drehbewegung des Bauteils und die dadurch eingebrachte Torsion des Torsionsstabs auf ein zusätzliches Federelement verteilt, sodass sich bei ein und demselben auftretenden Moment eine geringere Belastung des Torsionsstabs ergibt. In diesem Zusammenhang wirkt das zusätzliche Federelement in dieselbe Richtung wie der Torsionsstab, d.h. es ist ebenfalls in der Lage, die Welle in ihre Mittelstellung zu bringen.

Im Gegensatz zu bekannten Lösungen erstreckt sich das Federelement jedoch in radialer Richtung des Torsionsstabs, sodass die Baulänge der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch dieses zusätzliche Federelement nur in äußerst geringem Maße erhöht bzw. gegenüber bekannten, konventionellen Lösungen erheblich verringert wird. Da das zusätzliche Federelement nur zu einem Teil an der Drehbewegung teilnimmt, trägt es vorteilhafterweise nur sehr wenig zur Massenträgheit der gesamten Federung für das Bauteil bei. Das Massenträgheitsmoment dieser Federung wird dadurch gering gehalten, dass der Torsionsstab prinzipbedingt bereits eine sehr geringe Massenträgheit um die Drehachse besitzt.

Wenn die Baugröße der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber Lösungen, bei denen ausschließlich ein Torsionsstab eingesetzt wird, nicht verringert werden soll bzw. muss, so kann die spezifische Belastung der Federwerkstoffe verringert und/oder der maximale Drehwinkel zwischen den beiden Stellungen des Bauteils vergrößert werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich beispielsweise in einer Vorrichtung zur Steuerung der Strömung in einen gasführenden Kanal, insbesondere in einem Einlasskanal einer Brennkraftmaschine, einsetzen, wenn das Bauteil als die Strömung in dem Einlasskanal beeinflussendes Steuerelement ausgebildet ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellten Ausführungsbeispiel.
Dabei zeigen:
1 die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Rückstellung eines zwischen zwei Stellungen verdrehbaren Bauteils in einer Schnittansicht; und
2 eine perspektivische Ansicht des Torsionsstabs mit dem daran angebrachten, zusätzlichen Federelement.
1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Rückstellung eines Bauteils 2, welches gemäß dem mit "A" bezeichneten Doppelpfeil eine Drehbewegung zwischen zwei nicht dargestellten Stellungen ausführen kann. In der Darstellung gemäß 1 befindet sich das Bauteil 2 in seiner Ruhestellung, in der es eine Mittelstellung zwischen den beiden Stellungen einnimmt. Der durch das Bauteil 2 zurückzulegende Winkel zwischen den beiden Stellungen kann beispielsweise 45° betragen. Das Bauteil 2 ist mit einer hohlen Welle 3 starr verbunden, was bei spielsweise durch Schweißen realisiert werden kann oder dadurch, dass das Bauteil 2 und die Welle 3 einteilig miteinander ausgeführt sind. Selbstverständlich sind auch andere Verbindungsmöglichkeiten des Bauteils 2 mit der Welle 3 denkbar, wie zum Beispiel eine Presspassung.
Die Welle 3 wird von einem Antriebsmittel 4, beispielsweise einem magnetischen Aktuator, in nicht näher beschriebener, jedoch an sich bekannter Weise nach dem Prinzip eines Schwingankers in die Drehbewegung zwischen den beiden Endstellungen versetzt. Am Ende dieser Drehbewegung befindet sich das Bauteil 2 in einer seiner Endstellungen und kann dort beispielsweise mittels eines nicht dargestellten Elektromagneten gehalten werden. Um eine Rückstellung des Bauteils 2 in seine Zwischenstellung oder auch, durch ein Überschwingen über die Zwischenstellung, in seine andere Endstellung zu erreichen, ist innerhalb der hohlen Welle 3 ein sich in Längsrichtung derselben erstreckender Torsionsstab 5 angeordnet, welcher an einem Ende 6 drehfest mit der Welle 3 verbunden ist und dem Antriebsmittel 4 entgegenwirkt. Die Achse des Torsionsstabs 5 stimmt dabei zumindest annähernd mit derjenigen der hohlen Welle 3 überein.
Die drehfeste Verbindung des Torsionsstabs 5 mit der Welle 3 kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der Torsionsstab 5 an seinem Ende 6 mit einem Vierkant 7 versehen ist. Selbstverständlich müsste die hohle Welle 3 in diesem Bereich entsprechend ausgeführt sein, um den Vierkant aufnehmen zu können. Statt des Vierkants 7 wäre es selbstverständlich auch möglich, den Torsionsstab 5 an seinem Ende 6 durch eine Presspassung, durch Verschweißen oder anderen geeigneten Verbindungsmöglichkeiten mit der Welle 3 drehfest zu verbinden.
An seinem dem Ende 6 gegenüberliegenden Ende 8 ist der Torsionsstab 5 mit einem außerhalb der Welle 3 angeordneten, sich im wesentlichen in radialer Richtung des Torsionsstabs 5 erstreckenden Federelement 9 drehfest verbunden. Die drehfes te, starre Verbindung zwischen dem Torsionsstab 5 und dem Federelement 9 ist im vorliegenden Fall durch zwei Abflachungen an dem Ende 8 des Torsionsstabs 5 realisiert, wobei selbstverständlich auch andere Möglichkeiten hierfür bestehen. Wie der Torsionsstab 5 wirkt auch das Federelement 9 der durch das Antriebsmittel 4 aufgebrachten Drehbewegung entgegen und ist somit bestrebt, die Welle 3 mit dem Bauteil 2 aus der jeweiligen Endstellung in ihre Zwischenstellung zu bringen. Bei einer Verdrehung des Bauteils 2 bzw. der Welle 3 werden also sowohl der Torsionsstab 5 als auch das Federelement 9 um einen gewissen Winkel tordiert. Hierzu können der Torsionsstab 5 und das Federelement 9 wenigstens annähernd die gleiche Federkonstante aufweisen, es ist jedoch, je nach Anwendungsfall, auch ein anderes Verhältnis denkbar, um eine Torsion des Torsionsstabs 5 einerseits und des Federelements 9 andererseits um einen unterschiedlichen Betrag zu erreichen.
Das Federelement 9 ist an seinem der drehfesten Verbindung mit dem Torsionsstab 5 gegenüberliegenden Ende 10 starr gehalten, und zwar an einem zu einem Gehäuse 11 gehörenden Gehäuseteil 11a, gegenüber dem die Welle 3 mittels zweier im vorliegenden Fall als Kugellager ausgebildeten Lagereinrichtungen 12 und 13 gelagert ist. Die Lagereinrichtungen 12 und 13 stellen in diesem Zusammenhang eine leichte, mit sehr geringen Reibungsverlusten verbundene Drehbarkeit der Welle 3 mit dem Bauteil 2 sicher.
In der perspektivischen Darstellung gemäß 2 ist der Vierkant 7 an dem Ende 6 des Torsionsstabs 5 erkennbar und es wird deutlich, dass das Federelement 9 als Spiralfeder ausgebildet ist, welche in diesem Fall zwei spiralförmig verlaufende Federarme 14 und 15 aufweist. Dabei sind die beiden Federarme 14 und 15 jeweils auf der einen Seite im Bereich der Verbindung des Federelements 9 mit dem Torsionsstab 5 und auf der anderen Seite an ihrem Ende 10 an dem Gehäuseteil 11a starr gehalten. Statt der Ausbildung als Spiralfeder könnte das Federelement 9 beispielsweise auch aus einer Schenkelfe der oder Blattfeder gebildet sein. Eine derartige Schenkelfeder oder Blattfeder könnte mit dem Torsionsstab 5 beispielsweise dadurch verbunden sein, dass der Torsionsstab 5 einen Schlitz aufweist, in dem die Schenkel- oder Blattfeder befestigt ist. Gegebenenfalls ist das Federelement 9 auch lediglich mit einem Arm denkbar.
Die Verbindung des Torsionsstabs 5 mit dem Federelement 9 stellt also eine Reihenschaltung zweier federnder, in dieselbe Richtung wirkender Federelemente dar. Vorzugsweise sind der Torsionsstab 5 und das Federelement 9 so ausgelegt, dass sie im wesentlichen dasselbe maximale Drehmoment aufnehmen können, wobei der Drehwinkel des Bauteils 2 im umgekehrten Verhältnis der jeweiligen Federkonstanten zwischen dem Torsionsstab 5 und dem Federelement 9 aufgeteilt wird.
Das Bauteil 2 bildet im vorliegenden Fall ein Steuerelement zur Steuerung der Strömung in einem nicht dargestellten gasführenden Kanal, insbesondere in einem Einlasskanal einer Brennkraftmaschine. Durch Umschalten des Steuerelements zwischen seinen beiden Endstellungen kann der Einlasskanal geöffnet oder verschlossen und so die Strömung in dem Einlasskanal beeinflusst werden. Ein Beispiel einer solchen Vorrichtung zur Steuerung der Strömung in einem gasführenden Kanal kann beispielsweise der DE 101 40 706 A1 entnommen werden.
Durch die vorliegende Erfindung wird erreicht, dass nur noch das zusätzliche Federelement das die Ausdehnung in Achsrichtung (Bauhöhe) bestimmende Bauteil ist. D.h. die Vorrichtung trägt nur noch mit der Bauhöhe dieses Federelementes zur Gesamthöhe bei. Außerdem bleibt der Anteil der Rückstellvorrichtung am Gesamtmassenträgheitsmoment gering, so dass sehr hohe Drehbeschleunigungen erreicht werden können.

Claims

Vorrichtung zur Rückstellung eines zwischen zwei Stellungen verdrehbaren Bauteils in seine Mittelstellung, mit einem Torsionsstab, welcher in der Lage ist, das Bauteil in seine Mittelstellung zu bringen, dadurch gekennzeichnet, dass der Torsionsstab (5) mit einem sich im wesentlichen in radialer Richtung desselben erstreckenden und mit demselben in Reihe geschalteten Federelement (9) drehfest verbunden ist, welches in der Lage ist, das Bauteil (2) in seine Mittelstellung zu bringen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Torsionsstab (5) innerhalb einer hohlen Welle (3) angeordnet ist, welche mit dem Bauteil (2) verbunden und durch ein Antriebsmittel (4) zwischen den beiden Stellungen verdrehbar ist, wobei der Torsionsstab (5) und das Federelement (9) dem Antriebsmittel (4) entgegenwirken.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Torsionsstab (5) an seinem dem Federelement (9) gegenüberliegenden Ende (6) drehfest mit der Welle (3) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (9) an seinem der drehfesten Verbindung mit dem Torsionsstab (5) gegenüberliegenden Ende (10) starr gehalten ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (9) an einem Gehäuse (11) starr gehalten ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (3) gegenüber dem Gehäuse (11) mittels wenigstens zweier Lagereinrichtungen (12, 13) gelagert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Torsionsstab (5) mittels eines Vierkants (7) drehfest mit der Welle (3) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (9) als Spiralfeder ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralfeder zwei Federarme (14, 15) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Torsionsstab (5) und das Federelement (9) wenigstens annähernd die gleiche Federkonstante aufweisen.
Vorrichtung zur Steuerung der Strömung in einem gasführenden Kanal, insbesondere in einem Einlasskanal einer Brennkraftmaschine, mit einer Vorrichtung zur drehbaren Lagerung eines Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Bauteil als die Strömung in dem Einlasskanal beeinflussendes Steuerelement ausgebildet ist.