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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Querverweis auf verwandte Anmeldung
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität und alle Vorteile der am 19. April 2013 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung 61/813,749 mit dem Titel „Flex Flange Vibration Resistant Ball Stud”.
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Gebiet der Offenbarung
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Diese Offenbarung betrifft einen Kugelzapfen mit einem flexiblen Flansch. Insbesondere betrifft diese Offenbarung einen Kugelzapfen mit einer relativ kurzen Klemmlänge, der einen flexiblen Flansch zwischen einem Kugelende und einem Schaftende aufweist, welcher im Wesentlichen die Federrate des Kugelzapfens ändert, um ein längeres Befestigungselement zu simulieren.
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Beschreibung des bisherigen Stands der Technik
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Zu den Vorteilen einer Turboaufladung gehören eine erhöhte Leistungsabgabe, ein niedrigerer Kraftstoffverbrauch und reduzierte Schadstoffemissionen. Die Turboaufladung von Kraftmaschinen wird nicht mehr in erster Linie aus der Hochleistungsperspektive betrachtet, sondern wird vielmehr als ein Mittel zur Reduzierung von Kraftstoffverbrauch und Umweltbelastung aufgrund niedrigerer Emissionen von Kohlendioxid (CO2) angesehen. Ein Hauptgrund für eine Turboaufladung ist gegenwärtig die Nutzung von Abgasenergie, um Kraftstoffverbrauch und Emissionen zu reduzieren. In turboaufgeladenen Kraftmaschinen wird Verbrennungsluft vorverdichtet, bevor sie der Kraftmaschine zugeführt wird. Die Kraftmaschine saugt dasselbe Volumen eines Luft-Kraftstoff-Gemischs an wie eine selbstansaugende Kraftmaschine, jedoch aufgrund des höheren Drucks und der somit höheren Dichte wird mehr Luft- und Kraftstoffmasse kontrolliert einer Brennkammer zugeführt. Folglich kann mehr Kraftstoff verbrannt werden, so dass sich die Leistungsabgabe der Kraftmaschine relativ zur Drehzahl und zum Hubraum erhöht.
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Bei Abgasturboaufladung wird ein Teil der Abgasenergie, welche normalerweise verloren ginge, zum Antreiben einer Turbine verwendet. Die Turbine weist ein Turbinenrad auf, welches auf einer drehbaren Welle angebracht ist und von dem Abgasstrom drehend angetrieben wird. Der Turbolader führt einen Teil der normalerweise verlorenen Abgasenergie zurück in die Kraftmaschine, was den Wirkungsgrad der Kraftmaschine erhöht und Kraftstoff einspart. Ein Verdichter, welcher von der Turbine angetrieben wird, saugt gefilterte Umgebungsluft an, verdichtet sie und führt sie dann der Kraftmaschine zu. Der Verdichter weist ein Verdichterlaufrad auf, welches auf derselben drehbaren Welle angebracht ist, so dass eine Rotation des Turbinenrades eine Rotation des Verdichterlaufrades zur Folge hat.
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Turbolader weisen typischerweise ein mit dem Abgaskrümmer der Kraftmaschine verbundenes Turbinengehäuse, ein mit dem Ansaugkrümmer der Kraftmaschine verbundenes Verdichtergehäuse und ein Lagergehäuse, welches das Turbinen- und das Verdichtergehäuse miteinander koppelt, auf. Das Lagergehäuse umschließt und stützt die drehbare Welle.
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Turboladersysteme verwenden in Gestängeanwendungen oft Kugelzapfen. Es sind Turbolader mit variabler Turbinengeometrie (Variable Turbine Geometry, VTG) bekannt, und solche Turbolader können Kugelzapfen für Gestängeanwendungen verwenden, welche eine Regelung der im Turbinengehäuse angeordneten VTG-Mechanismen beinhalten. Leistungsfähigere Stellglieder (SBS, CBA) weisen für existierende Konstruktionen eine erhöhte Belastung des VTG-Gestänges auf. Turbolader sind oft kompakt, damit sie in Motorräume oder andere enge Räume passen. Für Verbindungskomponenten, wie etwa VTG-Gestänge, Wastegate-Winkellaschen und andere, sind Befestigungselemente und Kugelzapfen von hoher Festigkeit bekannt.
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Eine Verformung des Befestigungselements wird bei einem Verhältnis der Klemmlänge zum Nenndurchmesser von mehr als sechs empfohlen. Turboladeranwendungen verwenden jedoch typischerweise Konstruktionen von Befestigungselementen und Kugelzapfen mit relativ kurzen Klemmlängen, die weniger als das Sechsfache des Bolzennenndurchmessers betragen.
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Turboladeranwendungen verwenden Kugelzapfen, welche oft relativ kurze Klemmlängen erfordern, um engen Räumen, kleinen Packungsumgebungen und Spezifikationen für den Turbolader Rechnung zu tragen. Standardmäßige Kugelzapfen mit kurzen Klemmlängen haben steife Befestigungselemente zur Folge, d. h. kurze Bolzen und Verbindungen, welche zu einer hohen Materialeinbettung führen. Eine Einbettung (Embedding) bei Schraubverbindungen von Turboladern ist der teilweise Zusammenbruch infolge eines lokalen Nachgebens von Materialien an Klemmflächen von Schraubverbindungen. Hohe Temperaturen von Turboladern (die ein Kriechen von Material verursachen), wenige Befestigungselemente für eine Last (was mehr Beanspruchung pro Befestigungselement verursacht) und Befestigungselemente mit begrenztem Flanschkopf (die hohe Beanspruchungen verursachen) können jeweils eine hohe Einbettung bei Schraubverbindungen verursachen. Eine hohe Einbettung von Schraubverbindungen trägt zu einer Verringerung der Vorspannung von Befestigungselementen bei, was einen Verlust der minimalen Gesamtklemmlast, weniger wirksame Schraubverbindungen und einen Ausfall von Verbindungen, insbesondere für Mehrplatten-Anwendungen, zur Folge haben kann.
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Es wurden Gewindesicherungsverfahren, Sicherungsmuttern und Mutternsicherungsverfahren integriert, um eine Selbstlösung von Kugelzapfen zu verhindern. Eine Belastung von Seite zu Seite oder Querbelastung ist für die Selbstlösung einer Schraubverbindung am ungünstigsten.
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KURZFASSUNG
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Diese Offenbarung betrifft einen Kugelzapfen mit flexiblem Flansch, welcher relativ kurz ist, jedoch eine individuell anpassbare Steifigkeit aufweist, indem der Flansch nach Wunsch so angepasst wird, dass er elastischer ist. Federraten können durch die Formgestaltung, Dicke und Größe des flexiblen Flansches maßgeschneidert werden. Der flexible Flansch kann im Wesentlichen die Federrate des Kugelzapfens ändern, indem er ein längeres Befestigungselement simuliert. Längere Befestigungselemente lassen Schwankungen der Belastungskraft mit einer höheren Ermüdungslebensdauer, geringerem Vorspannungsverlust (wirksamere Klemmbelastung) und geringerer Materialeinbettung zu.
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Für Schraubverbindungsanwendungen ist es wünschenswert, aufgrund von Wärmeausdehnung bei hohen Temperaturen bei Turboladeranwendungen, starken Schwingungen und einwirkender Belastung über eine wirksame Federrate zu verfügen.
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Eine Kugelzapfenausführung kann einen Kugelabschnitt mit einem Sechskantkopf aufweisen, der sich oberhalb eines flexiblen Flansches erstreckt. Ein Schaft ist dem flexiblen Flansch benachbart, wobei sich vorzugsweise ein schmalerer, mit einem Gewinde versehener Schaftabschnitt weiter entfernt gegenüber dem Kugelende erstreckt. Der Flansch ermöglicht eine leichte Durchbiegung für eine Wärmeausdehnung.
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Der Kugelzapfen mit flexiblem Flansch ermöglicht Wärmeausdehnung, einwirkende Belastungen durch starke Schwingungen und ein wirksames Management der Federrate K (Steifigkeit), was für kurze Klemmlängen, wie sie bei Turbolader-Schraubverbindungen vorliegen, wesentlich ist. Er verringert die Einbettung und beseitigt den Verlust von Vorspannung. Insofern ist ein Kugelzapfen mit flexiblem Flansch schwingungsfest und toleranter gegenüber Belastungen.
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Der Kugelzapfen mit flexiblem Flansch kann zusätzliche Komponenten wie etwa Mutter überflüssig machen. Obwohl die Ausführung auch mit einer Mutter verwendet werden kann, kann auf eine Mutter verzichtet werden, wenn die Ausführung bei Anwendungen mit konischem Loch verwendet wird. Außer auf Mutter kann auch auf Sicherungsgewinde und mechanische Merkmale zur Unverlierbarkeit verzichtet werden, da die Verhinderung einer Selbstlösung des Kugelzapfens weniger wichtig ist, wenn der Kugelzapfen mit flexiblem Flansch verwendet wird. Dies hat geringere Kosten und eine einfachere Montage zur Folge.
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Der Kugelzapfen mit flexiblem Flansch ermöglicht einen direkten Austausch (Drop-in-Ersatz) und kann leicht in vorhandene Turboladeranwendungen integriert werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden leicht ersichtlich, da diese anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verständlich wird, wobei:
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eine perspektivische Ansicht eines Kugelzapfens mit einem flexiblen Flansch ist, der für eine Verwendung mit einem Turbolader ausgelegt ist;
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eine seitliche Schnittansicht des Kugelzapfens mit dem flexiblen Flansch ist;
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eine Schnittansicht eines Kugelzapfens mit einem flexiblen Flansch zeigt, wobei sein Schaft und sein mit einem Gewinde versehener Schaftabschnitt sich in einer Platte befinden; und
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eine Schnittansicht eines Kugelzapfens mit einem flexiblen Flansch zeigt, wobei sein erster Schaftabschnitt mit einer Platte in Verbindung steht und sein mit einem Gewinde versehener Schaftabschnitt sich in einer zweiten Platte befindet.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ein Turbolader ist allgemein bekannt und weist eine Turbine und einen Verdichter auf, wobei ein Verdichterlaufrad von einem Turbinenrad über eine drehbare Welle drehbar angetrieben wird. Der Turbolader verwendet in Gestängeanwendungen oft Kugelzapfen. Mit Schraubverbindungen von Turboladern sind oft kurze Klemmlängen verbunden.
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Es wird auf die bis Bezug genommen; ein Kugelzapfen 12 kann einen Kugelabschnitt 14 mit einem Sechskantkopf 16 aufweisen, der sich oberhalb eines flexiblen Flansches 18 erstreckt. Der flexible Flansch 18 erstreckt sich von einem Mittelpunkt des Kugelzapfens 12 aus. Ein erster Schaftabschnitt 20, der sich gegenüber dem Kugelabschnitt 14 erstreckt, ist vorzugsweise dem flexiblen Flansch 18 benachbart, wobei sich ein schmalerer, mit einem Gewinde versehener Schaftabschnitt 22 weiter von dem Kugelabschnitt 14 weg erstreckt. Der flexible Flansch 18 ermöglicht eine leichte Durchbiegung für eine Wärmeausdehnung und ändert im Wesentlichen die Federrate des Kugelzapfens 12, um ein längeres Befestigungselement zu simulieren.
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Der flexible Flansch 18 weist vorzugsweise in der größten Nähe zum Mittelpunkt des Kugelzapfens 12 einen engen Umfang 24 auf, mit einer distalen Umfangslippe 26, die dafür ausgelegt ist, mit einer Platte 30 in Eingriff zu kommen. Der enge Umfang 24 hilft bei der Flexibilität, während die dickere Umfangslippe 26 vorzugsweise ein flaches Ende 28 aufweist, welches mit einer Platte 30 in Eingriff kommt, die ebenfalls flach ist.
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zeigt einen Kugelzapfen 12 mit einem flexiblen Flansch 18, wobei sein Schaftabschnitt 20 und sein mit einem Gewinde versehener Schaftabschnitt 22 sich in einer Platte 30 befinden. Der Schaftabschnitt 20 kann sich mit zunehmender Entfernung von dem flexiblen Flansch 18 verjüngen und so ausgelegt sein, dass er in einer komplementär geformten konischen Plattenöffnung 32 sitzt. Ein beispielhafter Stellarm 34 eines VTG-Mechanismus kann in Verbindung mit der Platte 30 als Teil des Stellantriebs und Gestänges fungieren.
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zeigt den Kugelzapfen 12 mit einem flexiblen Flansch 18 zum Klemmen mehrerer Platten, wobei sein Schaftabschnitt 20 mit einer Platte 30 in Verbindung steht und sein sich weiter weg erstreckender, mit einem Gewinde versehener Schaftabschnitt 22 mit einer zweiten Platte 40. Der Kugelzapfen 12 kann gut zum Klemmen mehrerer Platten geeignet sein, die unterschiedliche Kräfte aufweisen. Der Kugelzapfen 12 kann leicht eine auf einen Schaftabschnitt 20 einwirkende Kraft aufnehmen, welch in einer anderen Richtung wirkt als die auf den mit einem Gewinde versehenen Schaftabschnitt 22 einwirkende Kraft. Es versteht sich, dass der Schaftabschnitt 20 konisch sein kann, um in einer komplementär geformten konischen Plattenöffnung der ersten Platte 30 zu sitzen.
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Die Erfindung wurde auf eine veranschaulichende Weise beschrieben, und es versteht sich, dass die verwendete Terminologie der Beschreibung dienen soll und nicht einschränkend ist. Zahlreiche Modifikationen und Abänderungen der vorliegenden Erfindung sind im Lichte der obigen Lehren möglich. Es versteht sich daher, dass innerhalb des Schutzbereiches der beigefügten Ansprüche die Erfindung anders ausgeführt werden kann, als hier speziell beschrieben wurde.
