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Die
Erfindung betrifft ein Gleitlager für eine Klappe zum Einsetzen
in ein Luftansaugsystem und ein Verfahren zur Herstellung eines
Gleitlagers nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. des
Patentanspruchs 5. Bei den Klappen handelt es sich beispielsweise
um eine Drallklappe, eine Ladungsbewegungs- bzw. Tumbleklappe oder
eine Längenschaltklappe.
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Aus
der
US 5,477,823 ist
ein Ansaugsystem für
eine Brennkraftmaschine bekannt, das einen Zylinderkopf mit einem
Einlasskanal je Zylinder aufweist, der sich stromab unmittelbar
vor den Einlassventilen in Teilkanäle verzweigt. Stromauf des
Befestigungsflansches am Zylinderkopf ist ein Flanschteil mit einer
Steuerklappe zur Turbulenzerzeugung im Einlasskanal angeschraubt.
Die Steuerklappe ist leicht außermittig
auf einer im Flanschteil drehbar gelagerten Walze befestigt. In
geöffneter
Stellung verschließt
die Klappe ein Totvolumen im Flanschteil bündig mit der Kanalwand. In
geschlossenem Zustand ragt die Steuerklappe teilweise in das Totvolumen
und teilweise in den Einlasskanal, um dort eine turbulente Strömung zu
erzeugen, die im Brennraum des zugehörigen Zylinders zu einer Tumbleströmung führt
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Aus
der
DE 198 48 440
A1 wird ein montagegespritzter Klappenmechanismus vorgeschlagen, der
Mittel zum Ausgleich von Toleranzen sowie dem Schwindungsverhalten
der Klappe aufweist.
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Diese
bestehen vorrangig im Vorsehen eines Klappenrandes, der nach dem
Abkühlen
der montagegespritzten Klappe angespritzt wird und so den durch
die Schwindung der Klappe erzeugten Spalt zwischen Klappe und Klappenrahmen
vermindert. Weiterhin kann die Lagerung der Welle im Rahmen zumindest
teilweise konisch ausgeführt
sein, wodurch das Schwindungsverhalten der Klappenwelle, insbesondere
in axialer Richtung, zur Erzeugung einer spielfreien Lagerung genutzt
wird.
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Klappen
zur Drall- und Tumblesteuerung dienen beispielsweise zur Steuerung
der Luftmenge, des Luftdrucks und der Strömungscharakteristik. Sie werden
in Abhängigkeit
der Last und/oder der Drehzahl vom Motorsteuergerät gesteuert
und dienen einer Drall- oder Tumblebewegung des Luftstrahls im Brennraum.
Diese Funktion ermöglicht
die gezielte Erzeugung unterschiedlicher Luft-Kraftstoff-Verhältnisse
im Brennraum. Besondere Bedeutung hat dabei die Erzeugung eines
zündfähigen Gemisches
im Bereich der Zündkerze
in Verbindung mit abgemagerten Gemischen in anderen Bereichen des
Brennraums im Teillastbetrieb.
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Mittels
Längenschaltklappen
hingegen lassen sich die Ansaugrohrlängen eines Luftansaugsystems
variieren. Mit Hilfe variabler Ansauglängen kann der Füllungsgrad
und dadurch die Leistung eines Hubkolbenmotors gesteigert werden.
Die Längenschaltklappen
werden in Abhängigkeit
vom Saugrohrdruck geschaltet oder drehzahlabhängig vom Motorsteuergerät gesteuert.
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Die
vorgenannten Klappen sind mit einer Welle verbunden, um ein Schwenken
der Klappenteile zu ermöglichen.
Ist das Lager und die Welle beispielsweise gerade ausgebildet, kommt
es bei Belastung und Verformung der Welle bekanntermaßen zu Kantenbelastungen
mit unzulässig
hoher Flächenpressung,
da der Lagerschalenwerkstoff bei montagegespritzten Teilen nicht
nach gibt. Hierdurch resultiert eine hohe Verschleißanfälligkeit
eines solchen Gleitlagers.
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Der
Erfindung liegt als technisches Problem die Angabe eines Verfahrens
zur Herstellung eines Gleitlagers für eine Klappe zum Einsetzen
in ein Luftansaugsystem bzw. die Bereitstellung eines solchen Gleitlagers
zugrunde, das mit vergleichsweise geringem Aufwand realisierbar
ist und eine hohe Lebensdauer besitzt.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Gleitlager mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch
ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6.
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Um
die Lebensdauer von Gleitlagern zu erhöhen und ihre Verschleißanfälligkeit
durch lastbedingte Verformung und daraus resultierende Schiefstellung
und/oder Krümmung
oder Durchbiegung der Welle zu vermindern, enthält das erfindungsgemäße Gleitlager
einen Lagerkörper
und eine Welle, wobei der Lagerkörper
in radialer Richtung ein balliges Profil und die Welle im Lagerachsschnitt
oder Lagerbereich eine dem balligen Profil komplementäre Einschnürung aufweist.
Die minimale Lagerspalthöhe oder
das Lagerspiel ist dann über
den gesamten Lagerbereich oder Lagerachsabschnitt konstant. Mehrfach
gelagerte Wellen zeigen ein Durchschwingverhalten, welches durch
die erfindungsgemäße Vorrichtung
in vorteilhafter Weise aufgefangen wird. Ferner kann das erfindungsgemäße Gleitlager
im Vergleich zu einer geraden Ausführung eines Gleitlagers einen
Verzug fertigungstechnischer Art durch eine größere Toleranz auffangen.
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In
einer Weiterbildung nach Anspruch 2 ist das Gleitlager durch Montagespritzung
fertigbar.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 3
enthalten beide Komponenten des Gleitlagers, der Lagerkörper und
die Welle, einen thermoplastischen Werkstoff.
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In
einer alternativen Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 4 weisen
beide Komponenten des Gleitlagers denselben thermoplastischen Werkstoff
auf.
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In
einer nach Anspruch 5 weitergebildeten Erfindung weisen beide Komponenten
des Gleitlagers unterschiedliche thermoplastische Werkstoffe auf.
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In
dem erfindungsgemäßen Verfahren
gemäß Anspruch
6 zur Herstellung eines Gleitlagers für eine Klappe zum Einsetzen
in ein Luftansaugsystem wird in einem ersten Fertigungsschritt der
Lagerkörper
durch Montagespritzung hergestellt, derart, dass dieser in radialer
Richtung im Lagerachsschnitt oder Lagerbereich ein balliges Profil
aufweist.
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In
einem weiteren Fertigungsschritt wird die Welle durch Montagespritzung
in die zuvor gefertigte Lagerschale gespritzt, dergestalt, dass
die Welle im Lagerachsschnitt oder Lagerbereich eine dem balligen
Profil komplementäre
Einschnürung
aufweist, wobei in einem letzten Fertigungsschritt die Welle durch
geeignete Abkühlung
einem festgesetzten Schrumpfungsverhalten unterworfen wird, dergestalt, dass
zwischen Lagerkörper
und Welle ein definiertes Spiel entsteht. Hierbei kommt der Auswahl
der Werkstoffe besondere Bedeutung zu. Durch das Herstellungsverfahren
entsteht somit eine Konturanpassung zwischen Lagerkörper und
Welle, bei dem die lastbedingte elastische Verformung der Welle
in vorteilhafter Weise nur noch ein reduziertes Kantentragen hervorruft.
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Gegenüber dem üblicherweise
angewendeten Spritzgußverfahren
zur Herstellung eines Gleitlagers ist das Montagespritzen we sentlich
kostengünstiger,
da zum einen das Gleitlager durch das Herstellungsverfahren bereits
im vormontierten Zustand vorliegt, zum anderen besteht der Lagerkörper nicht
aus Halbschalen, sondern umgibt die Welle herstellungsbedingt in
einem Stück.
Dadurch entstehen keine Kanten in der Lagerbohrung, hervorgerufen
durch einen toleranzbedingten Höhenversatz
bei der Fügung der
beiden Halbschalen. Ferner läßt sich
das montagegespritzte Gleitlager sehr einfach durch einen Dichtring
gegen Kraftstoffmigration von innen und gegen das Eindringen von
Frischluft von außen
abdichten. Dies ist bei einem Gleitlager, hergestellt aus zwei Halbschalen,
schwieriger, da zum einen die Fügestellen
der beiden Halbschalen eine Kapillarwirkung in bezug auf den verwendeten
Kraftstoff aufweisen und zum anderen der toleranzbedingte Höhenversatz
bei der Abdichtung berücksichtigt
werden muss.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. des erfindungsgemäßen Gleitlagers
sind Gegenstand der Unteransprüche
und der Beschreibung.
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Die
Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung weiter beschrieben.
Dabei zeigen in schematischer und stark vereinfachter Weise:
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1a eine
bekannte Ausführung
eines Gleitlagers,
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1b eine
bekannte Ausführung
eines Gleitlagers bei einseitiger Belastung,
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2a eine
erfindungsgemäße Ausführungsform
eines Gleitlagers,
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2b eine
erfindungsgemäße Ausführungsform
eines Gleitlagers bei einseitiger Belastung,
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3 beispielhaft
einen möglichen
Einbauort einer Längen
schaltklappe in einem Luftansaugsystem,
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4a beispielhaft
einen möglichen
Einbauort einer Ladungsbewegungs- oder Tumbleklappe in einem Luftansaugsystem,
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4b beispielhaft
einen möglichen
Einbauort einer Ladungsbewegungs- oder Drallklappe in einem Luftansaugsystem.
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1a zeigt
eine nach dem Stand der Technik bekannte Ausführung eines Gleitlagers 1 mit
einem Lagerkörper 2 und
einer Welle 3, welche gleichachsig in dem Lagerkörper 2 liegt,
wobei der Lagerspalt 4 über
den gesamten Lagerbereich den gleichen Abstand zwischen Lagerkörper 2 und
Welle 3 aufweist, so dass der Druck der Welle 3 sich
gleichmäßig auf
die gesamte Lagerbereichslänge
verteilt. Die mit F gekennzeichneten Pfeile symbolisieren eine gleichmäßige auf
die Welle einwirkende Belastung.
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Insbesondere
bei gerader Ausbildung eines montagegespritzten Gleitlagers 1,
kommt es bei Belastungen und Verformungen der Welle 3 zu
Kantenbelastungen mit unzulässig
hoher Flächenpressung, da
der harte Werkstoff des Lagerkörpers 2 nicht nachgibt,
wie dies bei weichen Lagerkörpern 2 aus z.B.
PA 6 der Fall wäre.
Diese sind aufgrund des herstellungsbedingt verwendbaren weicheren
Werkstoffs in der Lage, sich der unter Last verformten Welle anzuschmiegen,
so dass die Flächenpressung
in akzeptablen Rahmen bleibt.
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1b zeigt
eine nach dem Stand der Technik bekannte Ausführung eines Gleitlagers 1 bei
weitestgehend einseitiger Belastung. Der mit F gekennzeichnete Pfeil
symbolisiert hier eine einseitigwirkende Belastung. Liegt die Welle 3,
wie hier demonstriert, schief in dem Lagerkörper 2, hervorgerufen durch
die lastbedingte elastische Verformung der Welle, nimmt je nach
dem Grad der Schiefstellung nur noch ein Teil des Lagerkörpers 2 den
Druck auf. Insbesondere an den Positionen A und B entsteht eine
unzulässig
hohe Flächenpressung,
die einen frühzeitigen
Verschleiß des
Gleitlagers 1 zur Folge hat.
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Der Übersichtlichkeit
halber wird nachstehend für
funktionell gleiche oder gleichwirkende Komponenten dieselben Bezugszeichen
verwendet, insoweit wird auf die obige Beschreibung zu 1a und 1b verwiesen.
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Damit
der Verschleiß eines
solchen montagegespritzten Gleitlagers verringert und damit die
Lebensdauer verbessert werden kann, weist wie in 2a dargestellt,
erfindungsgemäß der Lagerkörper 2 in
radialer Richtung ein balliges oder torusförmigen Profil 5 und
die Welle 3 im Lagerachsschnitt oder Lagerbereich eine
dem balligen oder torusförmigen
Profil 5 komplementäre
Einschnürung 6 auf.
Beide Komponenten des Gleitlagers 1, der Lagerkörper 2 und
die Welle 3, enthalten einen thermoplastischen Werkstoff.
Beide Komponenten des Gleitlagers können denselben thermoplastischen
Werkstoff, Lagerkörper 2 und
Welle 3 können
jeder auch unterschiedliche Werkstoffe aufweisen. Die Werkstoffe
selbst können
ferner noch Füllstoffe,
Additive zur Steuerung der Eigenschaften des Werkstoffs, Verarbeitungshilfsmittel
oder sonstige Zuschlagsstoffe enthalten. Als geeignete thermoplastische
Werkstoffe für
die Montagespritzung können
beispielsweise PA 66 gefüllt,
insbesondere PA 66 CF 30, PEEK und PPS Verwendung finden bzw. alle
für die
Montagespritzung geeigneten Thermoplasten.
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Aufgrund
der erfindungsgemäßen Ausführung des
Gleitlagers 1 ist, wie in 2b gezeigt,
die Verformung oder Schrägstellung
der Welle 3 unter Last geringer als der Lagerspalt 4 bzw.
das Lagerspiel. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise die Flächenpressung
und somit die Kantenbelastung, wie in 1b demonstriert,
deutlich reduziert. Dies hat zur Folge, dass ein übermäßiger Verschleiß vermieden und
somit eine höhere
Lebenserwartung des erfindungsgemäßen Gleitlagers 1 außerordentlich
begünstigt
wird. Durch die erfindungsgemäße Ausführung bleibt
dann zum einen als ein weiterer Vorteil der minimale oder geringe
Lagerspalt 4 bzw. das Lagerspiel des Gleitlagers 1 über die
gesamte Lagerbreite gleichmäßig konstant,
zum anderen wird das Gleitlager 1 sowohl in axialer wie
in radialer Richtung in seiner Position gehalten.
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Mit
Hilfe variabler Ansaugrohrlängen
kann der Füllungsgrad
geändert
und dadurch die Leistung eines Hubkolbenmotors gesteigert werden.
Daher werden Motoren mit Schaltsaugrohren ausgeführt, wobei die Saugrohrlänge der
Motordrehzahl angepaßt
wird: bei hohen Drehzahlen für
große
Leistung ist ein kurze Saugrohrlänge
erwünscht,
bei niedrigen Drehzahlen für
ein großes
Drehmoment ein langes Rohr. Ein möglicher Einbauort einer Längenschaltklappe 18 in
einem Schaltsaugrohr 15 ist 3 zu entnehmen.
Bei geschlossener Schaltklappe 18 und niedrigen Drehzahlen
ist der Ansaugweg lang. Hierbei wird die Ansaugluft wird über die
Einlaßöffnung 19 angesaugt
und strömt über den
Ansaugweg 16 an Klappe 18 vorbei und weiter über Ansaugweg 17 in den
Zylinderkopf 11. Hingegen bei geöffneter Schaltklappe 18 und
hohen Drehzahlen ist der Ansaugweg kurz. Hier tritt die Luft über die
Klappe 18 in das Saugrohr 15 ein und strömt über den
Ansaugweg 17 in den Zylinderkopf 11.
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4a zeigt
ferner ein Einbaubeispiel für eine
Ladungsbewegungs- oder Tumbleklappe 7. Diese ist in einem
Saugkanal 8 einer Ansaugvorrichtung 9 eingebaut,
wobei die Ansaugvorrichtung 9 mittels eines Zylinderkopfflansches 10 an
den Zylinderkopf 11 einer nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine
angeschlossen ist. Bei geöffneter
Schaltklappe 7 kann die Luft über einen nicht gezeigten Einlaß in einen
Sammelraum (nicht dargestellt) und von dort aus über den Saugkanal 8 in
einen nicht gezeigten Brennraum strömen. Bei geschlossener Tumbleklappe 7 strömt die Luft
an der der Klappe 7 gegenüberliegenden Kanalwand 20 in
den Brennraum.
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Zuletzt
zeigt 4b ein Einbaubeispiel für eine Ladungsbewegungs-
oder Drallklappe 12 in einem Luftansaugkanalsystem für eine nicht
näher dargestellte
Brennkraftmaschine mit einem Saugrohr 9, das je zwei zu
jedem Brennraum (nicht näher
gezeigt) führende
Einzelkanäle 13 und 14 aufweist,
wobei das Saugrohr 9 auch hier mittels eines Zylinderkopfflansches 10 an
den Zylinderkopf 11 einer nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine
angeschlossen ist. Um die Einlaßströmung in
den Einzelkanälen 13, 14 hinsichtlich
des Betriebsbereiches bzw. der Drehzahl zu optimieren, weist einer
der zwei zu einem Brennraum führenden
Einzelkanäle 13 eine Drallklappe 12 auf.
Während
bei Vollast und/oder hoher Drehzahl kein Drall, sondern optimale
Füllung
erforderlich ist, ist für
niedrige Last jedoch ein leichter Drall erwünscht. Bei hohen Drehzahlen
ist die Drallklappe offen, so dass mit den Einzelkanälen 13 und 14 ein
maximaler Kanalquerschnitt gegeben ist. Bei niedrigen Drehzahlen
ist die Drallklappe 12 geschlossen, so dass die gesamte
Ladeluft durch den Einzelkanal 14 strömt. Dies führt zu einer erhöhten Strömungsgeschwindigkeit
mit höherer
kinetischer Energie und zu der gewünschten Ladungsbewegung im Brennraum.