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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil von der Art mit einer Klappe, einem rohrförmigen Ventilkörper, der einen Durchgang bildet, und einer Vorrichtung zur Führung der Klappe relativ zum Ventilkörper, um die Klappe relativ zum Ventilkörper um eine Drehachse zwischen einer geschlossenen Stellung und einer offenen Stellung des Durchgangs zu verdrehen, wobei die Führungsvorrichtung einen Stift umfasst, durch den die Drehachse verläuft und der Folgendes umfasst:
- - einen Körper mit einer Basis und, entgegengesetzt zur Basis, einem freien Ende, das am Ventilkörper anliegt, und
- - zwei Vorsprünge, die in einer Richtung entgegengesetzt zum freien Ende jeweils von der Basis vorstehen, wobei die Vorsprünge zwischen sich einen Schlitz bilden, in dem ein Rand der Klappe aufgenommen ist.
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Die Erfindung betrifft auch eine Kraftfahrzeugabgasleitung mit einem solchen Ventil und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Ventils.
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Die Ventile der oben genannten Art sind bekannt und sind üblicherweise an Kraftfahrzeugabgasleitungen angebracht, wo sie zur Regulierung der Abgasströmung aus einer Wärmekraftmaschine dienen. Meistens bestehen der Ventilkörper und die Klappe dieser Ventile aus Stahl, und der Stift besteht aus Keramik, da dieses Material gute tribologische Eigenschaften gegenüber Stahl aufweist.
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Ein Nachteil im Zusammenhang mit der Verwendung dieser Materialien besteht darin, dass der Stift sehr spröde ist und die Gefahr besteht, dass er bricht, wenn eine übermäßige Trennkraft zwischen den Vorsprüngen des Stiftes ausgeübt wird. Um der Wärmeausdehnung der Klappe Rechnung zu tragen, wird üblicherweise zwischen diesen Vorsprüngen ein Zwischenraum gelassen, der größer als die Dicke der Klappe ist. Somit kann sich die Klappe trotz der sehr hohen Temperaturen, denen das Ventil in einer Abgasleitung ausgesetzt sein kann, ausdehnen, ohne dass die Gefahr besteht, dass sie gegen die Vorsprünge des Stiftes drückt.
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Das so zwischen der Klappe und den Vorsprüngen verbleibende Spiel ist jedoch problematisch. Aufgrund dieses Spiels kann sich die Klappe nämlich relativ zum Stift bewegen. Die Abgasströmung, der die Klappe entgegenwirkt, übt aber auf die Klappe eine Kraft von unterschiedlicher Stärke aus, die Hin- und Herbewegungen der Klappe hervorruft, die bei jeder Hin- und Herbewegung an den Vorsprüngen des Stiftes anstößt und ein für die Insassen des Fahrgastraumes hörbares Klappergeräusch verursacht. Dieses Klappergeräusch vermittelt den Benutzern den Eindruck einer schlechten Qualität des Fahrzeugs, was besonders bei Fahrzeugen der Spitzenklasse nachteilig sein kann.
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Eine erste Aufgabe der Erfindung besteht darin, dieses Klappergeräusch zu beseitigen. Eine weitere Aufgabe besteht darin, diese erste Aufgabe auf einfache und kostengünstige Weise zu lösen.
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Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung ein Ventil der vorgenannten Art, das ferner wenigstens ein mit der Klappe verbundenes Element umfasst, um einen der Vorsprünge des Stiftes gegen die Klappe zu drücken.
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Nach bestimmten Ausführungsformen der Erfindung weist das Ventil auch eines oder mehrere der folgenden Merkmale auf, die allein oder gemäß jeder bzw. allen technisch möglichen Kombination(en) betrachtet werden:
- - Der Vorsprung ist zwischen dem Andrückelement und der Klappe eingebettet;
- - das Andrückelement ist an einer Fläche der Klappe befestigt, insbesondere angeschweißt;
- - der Schlitz hat eine Breite, die größer als eine Dicke der Klappe ist;
- - die Klappe und der Stift haben unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten;
- - der Stift hat einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als die Klappe;
- - die Klappe besteht aus Metall und der Stift aus Keramik;
- - die Klappe, der Ventilkörper und die Führungsvorrichtung bilden zusammen eine Drosselklappe; und
- - das Ventil umfasst einen motorbetriebenen Aktuator zur Steuerung der Bewegung der Klappe zwischen ihrer geschlossenen und ihrer offenen Stellung.
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Die Erfindung betrifft auch eine Kraftfahrzeugabgasleitung mit einem Ventil, wie es oben definiert ist.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Ventils, wie es oben definiert ist, mit den folgenden Schritten:
- - Bereitstellen der Klappe und des Stiftes, die aneinander montiert sind,
- - Bereitstellen des Andrückelements, wobei das Andrückelement zwei Zungen aufweist, die zusammen eine Anlageebene des Andrückelements gegen die Klappe definieren, und zwischen den Zungen eine Aussparung mit einer maximalen Tiefe hat, die kleiner als die Dicke wenigstens eines der Vorsprünge des Stiftes ist,
- - Positionieren des Andrückelements gegen die Klappe, wobei die Anlageebene an der Klappe anliegt und der Vorsprung in der Aussparung aufgenommen ist, und
- - Verschweißen der Zungen des Andrückelements mit der Klappe.
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Gemäß einer bestimmten Ausführungsform der Erfindung weist das Verfahren auch das folgende Merkmal auf:
- - der Schritt zum Bereitstellen des Andrückelements umfasst das Bereitstellen eines Metallstreifens oder einer Metallplatte, gefolgt vom Stanzen oder Sintern des Streifens oder der Platte zur Bildung des Andrückelements.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden bei der Lektüre der folgenden Beschreibung ersichtlich, die lediglich als Beispiel und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen gegeben wird; darin zeigen:
- - 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Abgasleitung,
- - 2 eine Seitenaufrissansicht der Abgasleitung von 1,
- - 3 eine Axialschnittansicht des Ventils von 2 längs einer in 2 mit III-III bezeichneten Ebene, gemäß einer ersten Erfindungsvariante,
- - 4 eine perspektivische und Schnittansicht eines in 3 mit IV bezeichneten Ausschnitts,
- - 5 eine Aufrissunteransicht eines Andrückelements des Ventils von 2 gemäß der ersten Erfindungsvariante,
- - 6 eine Ansicht ähnlich der von 4, gemäß einer zweiten Erfindungsvariante,
- - 7 eine Ansicht ähnlich der von 5, gemäß der zweiten Erfindungsvariante,
- - 8 eine Ansicht ähnlich der von 4, gemäß einer dritten Erfindungsvariante, und
- - 9 eine Ansicht ähnlich der von 5, gemäß der dritten Erfindungsvariante.
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Die in 1 gezeigte Abgasleitung 10 ist in ein nicht gezeigtes Kraftfahrzeug eingebaut. Sie umfasst in bekannter Weise einen Krümmer 12 zum Sammeln der Abgase aus einer nicht gezeigten Wärmekraftmaschine des Fahrzeugs, eine Auslassöffnung 14 zum Ablassen der Abgase aus dem Fahrzeug heraus und, zwischen dem Krümmer 12 und der Öffnung 14, ein Netz aus Rohren 16 zur Führung der Abgase vom Krümmer 12 zur Öffnung 14.
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Das Netz aus Rohren 16 weist vorzugsweise wenigstens eine nicht gezeigte Einrichtung zur Schadstoffbegrenzung zur Begrenzung der Schadstoffe aus den Abgasen und wenigstens eine nicht gezeigte Einrichtung zur Geräuschminderung auf, die zur Minimierung der beim Austritt durch die Auslassöffnung 14 von den Abgasen erzeugten Geräusche geeignet ist.
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Das Netz aus Rohren 16 weist auch ein stromaufwärtiges Abgaseinlassrohr 20, ein stromabwärtiges Abgasauslassrohr 22 und ein zwischen dem stromaufwärtigen und dem stromabwärtigen Rohr 20, 22 angeordnetes Ventil 24 auf, dessen Funktion darin besteht, den Durchgang der Abgase zwischen dem stromaufwärtigen und dem stromabwärtigen Rohr 20, 22 zu überwachen. Optional ist dieses Ventil 24 Teil einer Einrichtung zur Schadstoffbegrenzung oder einer Einrichtung zur Geräuschminderung dieses Netzes aus Rohren 16.
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Mit Bezug auf 2 umfasst das Ventil 24 einen rohrförmigen Ventilkörper 26, der zur Aufnahme der Abgase bestimmt ist und einen Durchgang 28 begrenzt, der sich längs der Mittelachse A-A' von einem stromaufwärtigen Ende 30, das mit dem stromaufwärtigen Rohr 20 in Strömungsverbindung steht, zu einem stromabwärtigen Ende 32 erstreckt, das mit dem stromabwärtigen Rohr 22 in Strömungsverbindung steht.
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Im Folgenden sind die Ausrichtungsbegriffe in Bezug auf die übliche Ausrichtung einer Achse zu verstehen, wobei der Deskriptor „axial“ die Richtungen parallel zur Achse A-A' und der Deskriptor „radial“ die Richtungen senkrecht zur Achse A-A' bezeichnet. Es sei darauf hingewiesen, dass „senkrecht“ hier zur Bezeichnung von Richtungen verwendet wird, die orthogonal zueinander sind und einen Schnittpunkt haben.
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Der Ventilkörper 26 hat ferner einen Befestigungsflansch 33 und weist eine Durchgangsöffnung 34 (3) längs einer Radialrichtung P-P' auf, wobei die Öffnung 34 durch den Flansch 33 verläuft und radial in den Durchgang 28 und außerhalb des Ventilkörpers 26 mündet.
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Mit Bezug auf 3 definiert der Ventilkörper 26 ferner eine Aussparung 35 in einer Innenfläche des Körpers 26, die zum Durchgang 28 hin ausgerichtet ist. Diese Aussparung 35 ist bezogen auf die Achse A-A' diametral entgegengesetzt zur Durchgangsöffnung 34 angeordnet und ist auf die Radialrichtung P-P' ausgerichtet. Die Aussparung 35 hat üblicherweise eine kegelstumpfförmige Form mit einem halbkugelförmigen Boden.
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Das Ventil 24 umfasst auch eine Klappe 36, die im Inneren des Körpers 26 beweglich ist, und eine Vorrichtung 37 zur Führung der Klappe 36 relativ zum Körper 26, um das Verdrehen der Klappe 36 relativ zum Körper 26 um die Richtung P-P' zwischen einer geschlossenen Stellung und einer offenen Stellung des Durchgangs 28 zu ermöglichen, wobei die Richtung P-P' somit eine Drehachse der Klappe 36 darstellt. Da diese Drehachse P-P' somit radial ist, bilden der Ventilkörper 26, die Klappe 36 und die Führungsvorrichtung 37 zusammen eine Drosselklappe.
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Das Ventil 24 umfasst auch einen motorisch angetriebenen Aktuator 38, der die Bewegung der Klappe 36 zwischen ihrer geschlossenen und ihrer offenen Stellung veranlasst.
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Wie in den 2 und 3 gezeigt, ist die Klappe 36 im Wesentlichen planar. Sie weist somit zwei große Flächen 40, 42 auf, die jeweils eben und im Wesentlichen parallel zueinander sind, wobei die Flächen 40, 42 über einen Rand 44 der Klappe 36 miteinander verbunden sind. Jede der großen Flächen 40, 42 hat eine Form, die im Wesentlichen komplementär zum Radialschnitt des Durchgangs 28 ist.
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In der geschlossenen Stellung ist die Klappe 36 im Wesentlichen quer zum Durchgang 28 ausgerichtet, d.h. jede ihrer großen Flächen 40, 42 ist im Wesentlichen senkrecht zur Achse A-A' angeordnet. In der offenen Stellung, die in den 2 und 3 gezeigt ist, ist die Klappe 36 im Wesentlichen parallel zum Durchgang 28 ausgerichtet, d.h. ihre großen Flächen 40, 42 sind jeweils im Wesentlichen parallel zur Achse A-A' angeordnet.
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Die Klappe 36 hat eine Dicke e1, die als der Abstand der großen Flächen 40, 42 voneinander definiert ist.
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Die Klappe 36 besteht üblicherweise aus Metall, zum Beispiel aus Stahl.
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Mit Bezug auf 3 umfasst die Führungsvorrichtung 37 eine Welle 50, die in die Öffnung 34 eingreift und mit der Klappe 36 verbunden ist, ein Lager 52 zur Führung der Welle 50 relativ zum Körper 26 und einen Stift 54, durch den die Drehachse P-P' verläuft und der in die Aussparung 35 eingreift und mit der Klappe 36 verbunden ist.
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Die Welle 50 ist im Wesentlichen koaxial zur Achse P-P' und erstreckt sich vollständig durch die Öffnung 34. Sie hat ein erstes Ende 60 zur Verbindung mit der Klappe 36 und ein zweites Ende 62 zur Verbindung mit dem Aktuator 38.
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Die Welle 50 ist mit der Klappe 36 drehfest um die Achse P-P' verbunden. Hierzu umfasst das erste Ende 60 im dargestellten Beispiel eine Basis 64 und zwei Vorsprünge 66, die von der Basis 64 zur Mitte des Durchgangs 28 hin vorstehen, wobei die Vorsprünge 66 zwischen sich einen Schlitz 68 bilden, in dem ein Rand 69 der Klappe 36 aufgenommen ist. Vorteilhafterweise ist die Klappe 36 außerdem mit der Welle 50 verschweißt.
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Die Welle 50 kann durch den Aktuator 38 um die Achse P-P' gedreht werden. Hierzu ist das zweite Ende 62 an einem Antriebsteil 71 befestigt, das seinerseits über ein Verbindungselement 72 mit einer Ausgangswelle 70 des Aktuators 38 verbunden ist.
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Das Verbindungselement 72 ist vorzugsweise so ausgebildet, dass die Wärmeübergänge zwischen der Welle 50 und der Ausgangswelle 70 minimiert sind. Hierzu besteht das Verbindungselement 72 im dargestellten Beispiel aus einer spiralig ausgeführten Metalllitze.
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Die Welle 50 besteht üblicherweise aus Metall, zum Beispiel aus Stahl, und vorzugsweise aus Edelstahl.
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Das Lager 52 ist dabei in der Öffnung 34 untergebracht. Es ist üblicherweise durch einen Ring aus einem Material mit niedrigem Reibungskoeffizienten, zum Beispiel einer Keramik, gebildet, der zwischen der Welle 50 und einer Wand der Öffnung 34 angeordnet ist.
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Mit Bezug auf 4 umfasst der Stift 54 einen Körper 74 mit einer Basis 76 und, entgegengesetzt zur Basis 76, einem freien Ende 78, durch das die Drehachse P-P' verläuft und das in der Aussparung 35 aufgenommen ist und am Ventilkörper 26 anliegt. Der Stift 54 umfasst auch zwei Vorsprünge 80, 82, die in einer Richtung entgegengesetzt zum freien Ende 78 jeweils von der Basis 76 zur Mitte des Durchgangs 28 hin vorstehen, wobei die Vorsprünge 80, 82 zwischen sich einen Schlitz 84 bilden, in dem ein zum Rand 69 entgegengesetzter Rand 86 der Klappe 36 aufgenommen ist.
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Der Stift 54 ist beispielsweise ausschließlich aus Keramik gefertigt. Er hat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der niedriger als der der Klappe 36 ist, und eine Steifigkeit, die typischerweise unter 7 MPa.M1/2 liegt.
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Jeder Vorsprung 80, 82 hat die Form eines Halbzylinders und weist eine Dicke e2 auf, die als der maximale Abstand von einem Punkt des Vorsprungs 80, 82 zum Schlitz 84 in einer Richtung senkrecht zur Ebene der Flächen 40, 42 der Klappe 36 angenommen wird. Diese Dicke e2 ist vorzugsweise für beide Vorsprünge 80, 82 im Wesentlichen gleich.
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Der Schlitz 84 hat eine Breite L, die als der Abstand der Vorsprünge 80, 82 voneinander definiert und größer als die Dicke e1 der Klappe 36 ist. Der Schlitz 84 lässt also vom Rand 86 der Klappe 36 genug Raum, so dass diese sich ausdehnen kann, ohne dass die Gefahr besteht, einen Bruch des Stiftes 54 zu verursachen.
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Erfindungsgemäß umfasst das Ventil 24 auch ein mit der Klappe 36 verbundenes Element 90 zum Andrücken einer der Vorsprünge 80, 82, hier des Vorsprungs 80, gegen die Klappe 36. Dieses Andrückelement 90 hält den Vorsprung 80 gegen die Klappe 36 gedrückt.
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Der Vorsprung 80 ist insbesondere zwischen dem Andrückelement 90 und der Klappe 36 eingebettet.
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Vorzugsweise ist das Andrückelement 90, wie gezeigt, an einer der großen Flächen 40, 42 der Klappe 36, hier der Fläche 40, befestigt, insbesondere angeschweißt. Das Andrückelement 90 kann somit besonders einfach und kostengünstig ausgebildet werden.
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Das Andrückelement 90 ist vorteilhafterweise, wie gezeigt, im Wesentlichen symmetrisch bezüglich einer Mittelebene M (5), die senkrecht zu den Flächen 40, 42 der Klappe 36 ist und durch die Drehachse P-P' verläuft.
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Das Andrückelement 90 ist einstückig ausgebildet. Es umfasst auf jeder Seite der Mittelebene M eine im Wesentlichen ebene Zunge 92. Es umfasst auch eine Materialbrücke 94, die die Zungen 92 miteinander verbindet.
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Wie in 5 gezeigt, hat jede Zunge 92 eine Fläche 96, die an der Klappe 36 anliegt. Diese Fläche 96 ist im Wesentlichen eben und im Wesentlichen koplanar mit der Anlagefläche 96 der anderen Zunge 92. Die Anlageflächen 96 definieren somit eine Anlageebene Pa des Andrückelements 90 gegen die Klappe 36.
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Vorzugsweise sind nicht gezeigte Schweißpunkte zwischen jeder Zunge 92 und der Klappe 36 gebildet.
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Die Materialbrücke 94 hat die Form eines Bogens mit zwei Füßen 98, die jeweils mit einer entsprechenden Zunge 92 in Kontakt sind, und einem von der Ebene Pa getrennten Scheitelpunkt 100. Sie bildet eine Aussparung 102 zur Aufnahme eines Vorsprungs 80, 82, der in die Anlageebene Pa ragt, wobei die Aussparung 102 eine maximale Tiefe p hat, die als der Abstand vom Scheitelpunkt 100 zur Ebene Pa definiert ist. Diese Tiefe p ist vor der Befestigung des Andrückelements 90 an der Klappe 36 vorteilhafterweise geringer als die Dicke e2 des Vorsprungs 80.
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Die Materialbrücke 94 hat vorteilhafterweise, wie gezeigt, eine Dicke, die im Wesentliche gleich der Dicke der Zungen 92 ist.
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Das Andrückelement 90 besteht üblicherweise aus einem Band oder einer Platte aus gestanztem Stahl, um die Aussparung 102 zu bilden, was besonders kostengünstig ist, oder aus einem Streifen oder einer Platte aus Sinterstahl, um die Aussparung 102 zu bilden, was eine höhere Präzision bei der Steuerung der Tiefe p ermöglicht. Bei einer Variante besteht das Andrückelement 90 aus einem Band oder einer Platte aus bearbeitetem Stahl zur Bildung der Aussparung 102.
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Mit Bezug auf die 4 und 6 umfasst das Andrückelement 90 bei der ersten und der zweiten Erfindungsvariante auch eine Verbindungsstelle 104, die die Zungen 92 parallel zur Materialbrücke 94 aneinanderfügt. Diese Verbindungsstelle 104 hat eine Außenfläche 106, die sich durchgehend von einer Zunge 92 zur anderen erstreckt, wobei die Außenfläche 106 mit einer Außenfläche 108 der Materialbrücke 94 bündig ist, und eine ebene Innenfläche 110 (5), die sich durchgehend von einer Zunge 92 zur anderen erstreckt und mit der Anlageebene Pa bündig ist.
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Mit Bezug auf die 4 und 5 weist die Verbindungsstelle 104 bei der ersten Variante eine Dicke auf, die größer als die der Zungen 92 ist, und bildet einen ebenen Absatz 112, der im Wesentlichen orthogonal zur Achse P-P' verläuft und zur Aussparung 110 hin ausgerichtet ist, wobei der Vorsprung 80 an diesem Absatz 112 anliegt. Diese Variante ermöglicht eine bessere Stabilität des Stiftes 54 längs der Achse P-P'.
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Mit Bezug auf die 6 und 7 weist die Verbindungsstelle 104 bei der zweiten Variante eine Dicke auf, die im Wesentlichen gleich der der Zungen 92 ist, und ihr Abstand von der Anlageebene Pa nimmt von der Innenfläche 110 zu einer nicht gezeigten Verbindungslinie mit der Materialbrücke 94 zu. Vorzugsweise sind dann nicht gezeigte Schweißpunkte zwischen der Innenfläche 110 und der Klappe 36 gebildet. Bei dieser Variante kann das Andrückelement 90 besser an der Klappe 36 gehalten werden.
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Mit Bezug auf die 8 und 9 besteht das Andrückelement 90 bei der dritten Variante aus den Zungen 92 und der Materialbrücke 94.
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Es wird nun mit Bezug auf die 2 bis 9 ein Verfahren zur Herstellung des Ventils 24 offenbart.
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Zunächst werden der Ventilkörper 26, die Klappe 36 und die Führungsvorrichtung 37 bereitgestellt, die in der oben offenbarten Weise montiert sind.
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Danach nimmt man einen Metallstreifen oder eine Metallplatte, insbesondere aus Stahl. Dieser Streifen bzw. diese Platte wird gestanzt, gesintert oder maschinell bearbeitet, um das Andrückelement 90 zu bilden, wobei die Eindrückung 102 dann eine Tiefe p hat, die geringer als die Dicke e2 des Vorsprungs 80 ist.
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Als nächstes wird das Andrückelement 90 an die Fläche 40 der Klappe 36 angelegt, wobei die Anlageebene an der Klappe 36 anliegt und der Vorsprung 80 in der Aussparung 102 aufgenommen ist. Dann wird das Andrückelement 90 mit der Fläche 40 verschweißt, zumindest an den Zungen 92, beispielsweise durch Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG-Schweißen), Laserschweißen oder Widerstandsschweißen (wobei das Andrückelement 90 in diesem letzten Fall vor dem Schweißen Schweißvorsprünge (nicht gezeigt) aufweisen muss, die von den Anlageflächen 96 der Zungen 92 vorstehen), während das Andrückelement 90 gegen die Klappe 36 gedrückt wird.
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Nach diesem Schweißschritt wird die Anlagekraft weggenommen, aber das Andrückelement 90 bleibt durch die angewandte Schweißung festgehalten. Da die Tiefe p kleiner als die Dicke e2 des Vorsprungs 80 ist, hält das Andrückelement 90 den Vorsprung 80 gegen die Klappe 36 gedrückt. Es verhindert somit jede Rotation des Stiftes 54 relativ zur Klappe 36 um die Achse P-P' und jede Translation des Stiftes 54 relativ zur Klappe 36 in einer Richtung senkrecht zur Ebene der Flächen 40, 42. Dadurch kann die Klappe 36 nicht an den Vorsprüngen 80, 82 des Stiftes 54 anstoßen, was die Klappergeräusche verhindert, die bei den Ventilen aus dem Stand der Technik möglicherweise aufgetreten sind.
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Schließlich wird der Aktuator 38 an das übrige Ventil 24 montiert.
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Durch die oben offenbarte Erfindung werden die Klappergeräusche, die bei den Ventilen aus dem Stand der Technik möglicherweise aufgetreten sind, vermieden. Zudem wird diese Aufgabe besonders einfach und kostengünstig gelöst, wobei sie ferner auf bestehende Ventile angewendet werden kann.
