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Die
Erfindung betrifft einen Unterdruck-Drehantrieb für einen
Verbrennungsmotor.
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Es
ist bekannt, bei Verbrennungskraftmaschinen bestimmte Bewegungen
dadurch zu steuern, dass ein im Betrieb des Motors entstehender
Unterdruck als Hilfsenergie zur Verstellung von Komponenten benutzt
wird, insbesondere zur lastabhängigen
Verstellung. So ist es bekannt, bei konventionellen Spulenzündungen
den Zündzeitpunkt
dadurch zu verstellen, dass der Unterdruck im Saugrohr einer Membrandose
zugeführt
wird.
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Bei
Verbrennungsmotoren ist es weiterhin bekannt, Saugrohre unterschiedlicher
Länge vorzusehen,
um eine Anpassung an den jeweiligen Lastzustand des Motors vornehmen
zu können.
Die Umschaltung erfolgt über
einen Drehschieber, der über eine
Unterdruckdose, die eine flexible Membran aufweist. Wird an einer
Seite der Membran in der geschlossenen Unterdruckdose ein Unterdruck
abgelegt, so stellt sich gegenüber
der Umgebungsluft ein Differenzdruck ein, der eine translatorische
Bewegung der Membran bewirkt. Diese wird über einen Exzenter auf den
Drehschieber übertragen,
so dass der Drehschieber verschwenkt werden kann. In der Exzenteranordnung
muss die Unterdruckdose neben der Drehschieberachse platziert werden
und benötigt so
entsprechend viel Platzbedarf. Zudem ist der Kraftverlauf nicht
linear.
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Die
in Unterdruckdosen mit Membranen enthaltenen Federn neigen zudem
zum Knicken, was zu Beschädigungen
bis zum Bruch der Federn führen kann.
Weiterhin sind die Federn oftmals in einem glasfaserverstärkten Gehäuse angeordnet,
wobei die metallische Feder durch die verwendeten langfasrigen Glasfasern
einem hohen Verschleiß unterliegen. Die
Membranen rollen durch das Knicken der Federn nicht optimal ab.
Die Membran knickt auch teilweise ein, was zu einem vorzeitigen
Verschleiß bzw.
zu Rissen in der Membran führen
kann.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, einen kostengünstigen Unterdruck-Drehantrieb für einen Verbrennungsmotor
mit hoher Lebensdauer und mit linearem Kraft- bzw. Momentenverlauf
anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Unterdruck-Drehbetrieb mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
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Die
Erfindung zeichnet sich durch eine kompakte Bauweise aus und kann
direkt auf ein Antriebswellenende der anzutreibenden Einheit im
Verbrennungsmotor aufgesetzt werden. Die kompakte Bauweise wird
dadurch erreicht, dass in einem Druckdichten Differenzdruckraum
die Gewindemutter an die teilweise flexible Wandung des Differenzdruckraums
angekoppelt ist, so dass eine Verformung des Differenzdruckraums
automatisch zu einer translatorischen Bewegung der Gewindemutter
führt.
Deren translatorische Bewegung wird durch das Bewegungsgewinde direkt
in eine Rotationsbewegung der einzutreibenden Welle umgesetzt. Unter
Bewegungsgewinde wird ein Gewinde mit einer solch großen Steigung
verstanden, dass eine Selbsthemmung nicht mehr auftritt.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Unterdruck-Drehantriebs sieht
vor, dass der Differenzdruckraum durch folgende Komponenten gebildet
ist:
- – die
Gewindemutter des Bewegungsgewindes;
- – einen
Gehäuseboden,
durch den das Antriebswellenende hindurch tritt und der der Gewindemutter
gegenüberliegt;
und
- – einen
Faltenbalg, über
den der Gehäusebogen und
die Gewindemutter luftdicht verbunden sind.
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Außerdem ist
ein Unterdruckanschlusselement vorgesehen, durch das eine luftleitende
Verbindung mit dem Differenzdruckraum herstellbar ist.
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Das
Außengewinde
des Bewegungsgewindes ist vorzugsweise als Gewindestange ausgebildet,
welche drehfest mit dem Antriebswellenende am Verbrennungsmotor
zu verbinden ist.
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Zudem
ist zwischen dem Gehäuseboden und
der Gewindemutter in der bevorzugten Ausführungsform eine Druckfeder
angeordnet, die als Rückholfeder
wirkt und die die Gewindemutter in die Ausgangsposition zurück bewegt,
wenn kein Unterdruck am Differenzdruckraum mehr anliegt.
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Erfindungswesentlich
ist, dass sich ein Differenzdruck zwischen dem abgeschotteten Differenzdruckraum,
in dem die Gewindemutter angeordnet ist, und der Umgebungsluft einstellt.
Da Unterdrücke im
Verbrennungsmotor auftreten, ist es vorteilhaft, den kleineren Druck
im Inneren der Differenzdruckkammer wirken zu lassen und hier gegen
den höheren
Umgebungsdruck zu arbeiten. Sofern jedoch Druckluft, also mit einem
Druck, der höher
ist als der Atmosphärendruck,
im Verbrennungsmotor oder Fahrzeug zur Verfügung steht, könnte auch
ein höherer
Innendruck zum Antrieb der Gewindemutter vorgesehen sein. Die Gewindemutter
würde sich
dann von dem Gehäuseboden
wegbewegen, wohingegen sie sich erfindungsgemäß beim Anlegen eines Unterdrucks
darauf zu bewegt. Die gewünschte
Drehrichtung wäre über die
Orientierung des Bewegungsgewindes in jedem Fall einstellbar.
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Um
eine verschleißarme
Paarung von Gewindestange und Gewindemutter zu erhalten, sind diese
Teile vorzugsweise aus Kunststoff gebildet. Um Materialanhäufungen
zu vermeiden, die während
der Herstellung zu einem Verzug führen könnten, kann vorgesehen sein,
Profilflanken des Bewegungsgewindes durch zwei voneinander beabstandete
Stege zu bilden. Die Stege bilden dann beispielsweise als Paar eine
Gewindenut in der Gewindemutter.
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Gerade
im Hinblick auf Kunststoffgewinde zeigen sich die Vorteile der Erfindung
auch darin, dass der Faltenbalg nicht nur die translatorische Bewegung
der Gehäusemutter
in Bezug auf den Gehäuseboden
ermöglicht,
sondern zudem in Rotationsrichtung der Mutter ein Drehfederelement
darstellt. Durch eine entsprechende Steifigkeit des Faltenbalgs
wird gewährleistet,
dass sich die Gewindemutter überwiegend
translatorisch bewegt und somit die gewünschte Drehbewegung an der
Gewindestange erzeugt wird, solange bestimmte Drehmomente für die Unterdruckverstellung
nicht überschritten
werden. Kommt es hingegen zu einem Drehmomentanstieg, beispielsweise
infolge von Störungen
oder auch beim normalen Erreichen der Endanschläge, so führt dies zu einer Torsion des
Faltenbalgs und einem entsprechenden Abfedern der auf das Bewegungsgewinde
wirkenden Kräfte.
Der Faltenbalg kann hierzu beispielsweise aus Silikon mit einer
Härte aus
30 bis 40 Shore A gefertigt sein.
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Ein
bevorzugtes Anwendungsfeld des erfindungsgemäßen Unterdruck-Drehantriebs liegt
in der Saugrohrumschaltung am Verbrennungsmotor, insbesondere der
Betätigung
des Drehschiebers in einer Schaltsaugrohreinheit, welche mehrere
parallele Saugrohre aufweist, in denen jeweils ein Umschaltelement
angeordnet ist. Die Umschaltelemente aller Saugrohre sind auf einer
gemeinsamen Welle angeordnet, die an ihrem Ende die Gewindestange
des Unterdruck-Drehantriebs der Erfindung trägt.
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Eine
weitere bevorzugte Anwendung liegt in einem Schneeklappenantrieb
für einen
Kraftfahrzeugmotor. Dabei handelt es sich um Verschlussklappen,
die insbesondere für
Fahrzeuge im skandinavischen Raum vorgesehen sind und die in einem Winterfahrbetrieb
das Eindringen von Schnee in den Luftansaugtrakt verhindern sollen.
Eine solche Schneeklappe ist in einem Luftansaugkanal an einer sich
quer zum Kanalquerschnitt erstreckenden Antriebswelle schwenkbar
gelagert. Ein Unterdruck-Drehantrieb der Erfindung ermöglicht eine
Umschaltung ohne zusätzliche
elektrische Stellmotoren.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen werden nachfolgend mit Bezug auf ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher
erläutert.
Die Figuren zeigen im Einzelnen:
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1 ein
Schaltsaugrohrmodul für
einen Verbrennungskraftmotor in seitlicher Ansicht;
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2 einen
Unterdruck-Drehantrieb in perspektivischer Schnittansicht;
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3 Teile
des Unterdruck-Drehantriebs in perspektivischer Ansicht und
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4 einen
Gehäuseboden,
ebenfalls in perspektivischer Ansicht.
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1 zeigt
eine Schaltsaugrohreinheit 100 für einen Vierzylindermotor mit
vier nebeneinander angeordneten Saugrohren 4.1, ..., 4.4.
Durch die nebeneinander angeordneten Saugrohre 4.1, ... 4.4 hindurch
läuft eine
gemeinsame Antriebswelle 5, die je Saugrohr einen hier
verdeckten Drehschieber trägt.
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Auf
das Wellenende der Antriebswelle 5 an der rechten Seite
in 1 ist ein Unterdruck-Drehantrieb 10 aufgesetzt.
Ein Gehäuseboden 17 ist über einen
entsprechenden Zwischenflansch fest mit der Saugrohreinheit 100 verbunden.
Eine Gewindemutter 12 ist beabstandet zu dem Gehäuseboden 17 angeordnet
und über
den flexiblen Faltenbalg 11 gehalten. Durch die flexible
Lagerung am Faltenbalg 11 ist es möglich, die durch den Pfeil
angedeutete translatorische Bewegung der Gewindemutter parallel
zur Rotationsachse der Antriebswelle 5 zu vollziehen.
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Die
Abdichtung der Antriebswelle 5 kann kostengünstig als
Gleitlager ausgeführt
sein, was auch den Vorteil bietet, dass durch die Abdichtung nur
geringe Reibungsverluste auftreten.
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Der
Unterdruck-Drehantrieb 10 ist in 2 perspektivisch
in einer teilweise aufgeschnittenen Darstellung gezeigt. Das Ende
der Antriebswelle 5 ist mit einer Gewindestange 14 verbunden,
welche hohl ausgeführt
ist und eine Entlüftungsöffnung 14.1 aufweist.
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Eine
Feder 15 stützt
sich zwischen dem Gehäuseboden 17 und
der Gewindemutter 12 ab, um die Gewindemutter 12 wieder
in ihre Ausgangslage, in der sie maximal vom Gehäuseboden 17 entfernt ist,
zurückzuführen. Die
Mutter 12 ist durch das Bewegungsgewinde mit der Gewindestange 14 gekoppelt,
ist ansonsten aber nur an ihrem Außenumfang über den flexiblen Faltenbalg 11 gehalten.
Der Faltenbalg 11 ist über
Schellen, die hier nicht dargestellt sind, auf einfache Weise mit
der Mutter 12 und dem Gehäuseboden 17 verbunden.
Dazu sind entsprechende Flanschabschnitte am Gehäuseboden 17 und an
der Mutter 12 vorgesehen, an denen der Faltenbalg 11 von
außen
her über
die Schellen angepresst werden kann, so dass im Inneren der Einheit aus
Gehäuseboden 17,
Faltenbalg 11 und Gewindemutter 12 ein druckdichter
Differenzdruckraum gebildet ist.
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Die
Kreisringfläche
zwischen dem durch die Gewindestange 14 bestimmten Innendurchmesser und
dem Außendurchmesser
der Gewindemutter 12 am Ansatz des Faltenbalgs 11 ist
die projizierte Fläche,
die zur Kraftberechnung infolge des sich einstellenden Differenzdrucks
heranzuziehen ist. Sie ist so ausgelegt, dass ein Drehmoment von
20 bis 30 Ncm zur Verstellung des Drehschiebers der Saugrohreinheit 100 erzeugt
wird. Außerdem
ist der Unterdruck-Drehantrieb 10 auf ein maximales Drehmoment
von 40 bis 50 Ncm ausgelegt. Insbesondere ist die Steifigkeit des
Faltenbalgs 11, die einerseits aus der Werkstoffwahl und
andererseits aus der Formgebung resultiert, so gewählt, dass
die Gewindemutter im Bereich des genannten Arbeitsdrehmoments im wesentlichen
fest gehalten wird, dass aber eine Torsion des Faltenbalgs 11 dann
möglich
ist, wenn das Drehmoment an der Gewindemutter 12 zu groß wird. Dies
dient insbesondere dazu, die Flächenpressung an
den Flanken des Bewegungsgewindes zu reduzieren.
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Die
Gewindestange 14 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
mit vier Gewindegängen ausgestattet.
Um die Reibfläche
an den Gewindestirnflächen
zu reduzieren sind die Gewindegänge nicht
durchgehend ausgeführt.
Für das
Bewegungsgewinde besonders geeignet ist ein Trapezgewinde mit einem
Flankenwinkel von 15°.
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Um
Materialanhäufungen
zu vermeiden, sind im dargestellten Ausführungsbeispiel die Gewinderillen
in der Gewindemutter 12 nicht als Nuten in einem Vollmaterial
ausgebildet, sondern durch zwei beabstandet zueinander angeordnete
Stege 12.1, 12.1 ausgebildet.
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3 zeigt
noch einmal den Gehäuseboden 17 mit
Gewindestange 14 und Druckfeder 15. Der Faltenbalg 11 und
die Gewindemutter 12 sind hier nicht dargestellt. Ein zusätzlicher
Zwischenflansch 18 kann zur individuellen Adaptierung des
erfindungsgemäßen Unterdruck-Drehantriebs 10 an
die Saugrohreinheit 100 o. ä. vorgesehen sein.
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Der
Gehäuseboden 17 weist
einen Anschlussnippel 17.1 für einen Unterdruckschlauch
auf. Mit 17.2 ist die Öffnung
im Gehäuseboden 17 und demzufolge
auch in dem Differenzdruckraum bezeichnet.
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An
ihrer zum Gehäuseboden 17 gewandten Seite
weist die Gewindestange 14 einen Nocken 14.2 auf,
der als Festanschlag zur Schwenkwinkelbegrenzung dient.
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Wie
insbesondere 4 in einer ähnlichen Darstellung wie 3 zeigt,
jedoch ohne Gewindestange 14 und Druckfeder 15,
ist im Gehäuseboden 17 ein
zur Rotationsachse konzentrischer Zylindermantel 17.3 ausgebildet,
der durch eine Ausnehmung 17.4, welche den vorgesehenen
Schwenkwinkel definiert und begrenzt, teilweise unterbrochen ist. Der
in 3 erkennbare Nocken 14.2 rotiert innerhalb
der Ausnehmung 17.4 des Zylindermantels 17.3.
Damit wird sichergestellt, dass definierte Endzustände des
angetriebenen Elements, insbesondere des Drehschiebers in der Schaltsaugrohreinheit 100,
erreicht werden.