DE4223727A1 - Vorrichtung zum Verstellen einer Klappe in einem Strömungskanal - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Verstellen einer Klappe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentan­ spruchs 1. Eine Vorrichtung mit diesen Merkmalen ist bekannt (DE 36 07 144 A1). Nähere Einzelheiten über die getriebliche Verbindung des rotatorischen Abtriebs mit der Klappe sind dort jedoch nicht offenbart.

Für die Verstellung von Luftklappen in Luftführungskanälen von Fahrzeug-Klimaanlagen werden oft einfachwirkende, gegen eine rückstellende Federkraft mit Unterdruck verstellbare Stellan­ triebe mit Membrankolben verwendet.

Bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten tritt an den einseitig außermittig schwenkbar gelagerten Luftklappen ein erheblicher Staudruck auf, der stärker als die von dem Stellelement auf­ gebrachte Haltekraft sein kann und dann eine unerwünschte Ver­ stellung der betroffenen Klappe aus ihrer Sollposition herbei­ führt.

Besonders nachteilig wirken sich Strömungskräfte bei Umschalt­ klappen aus, die als Weiche in einem Kanal mit zwei Zuströmungen angeordnet sind, z. B. für die Frischluft-/Umluft-Umschaltung bei Fahrzeug-Klimaanlagen. Hierbei muß die Klappe in jeder von ihren beiden Endstellungen einen Kanal dicht verschließen und den anderen freigeben, wobei sie abwechselnd von beiden Seiten mit dem Anströmdruck beaufschlagt wird.

Bei einem bekannten Schnellschaltventil (DE-PS 8 02 855) ist ein manuell schwenkbarer Schalthebel über eine Kurbel gelenkig mit einem längselastischen Lenker verbunden, der seinerseits an der Ventilklappe angelenkt ist. In der Schließlage des Ventils nimmt das aus Kurbel und Lenker gebildete Kniegelenk eine überstreckte Stellung ein, die ein selbsttätiges Öffnen der Ventilklappe durch Strömungsdruck verhindert.

Eine ähnliche Konstruktion ist in der US 3,721,424 beschrieben, wobei dort der Lenker über ein Kugelgelenk am Ventilkörper be­ festigt ist.

Beide bekannten Ventile sind für nur eine Strömungsrichtung vorgesehen, so daß für die Öffnungsstellung des jeweiligen Ven­ tilkörpers keine besonderen Maßnahmen zu dessen Fixierung ge­ troffen sind.

Ein geradlinig bewegbares Stellglied eines pneumatischen ein­ fachwirkenden Membrankolben-Antriebs für einen Absperrhahn (FR 2 468 814) ist mit dem Kniegelenk eines Kniehebels gelenkig verbunden und streckt dieses beim Schließen des Hahns in seine Totpunktlage. Hierdurch wird eine sehr hohe Kraftübersetzung und Selbsthemmung gegen ungewolltes Öffnen des Absperrhahns erzielt, so daß für eine hohe Schließkraft eine relativ geringe Druckbeaufschlagung des pneumatischen Antriebs ausreicht. In der entgegengesetzten Endstellung des Antriebs ist aber wie­ derum keine Selbsthemmung vorhanden.

Es ist ein hydraulischer Kolbenantrieb mit rotatorischem Ab­ trieb bekannt (GB 2 004 325 A), bei dem der Abtrieb eine ex­ zentrische Welle mit einer daran befestigten Zug-Druck-Stange bewegt, welch letztere wiederum über einen zweiarmigen Hebel eine Materialandruckwalze einer Spaltmaschine andrückt oder abhebt.

Aufgrund der hohen Untersetzung ist es nicht möglich, durch Einwirkung auf die Andruckwalze eine Verstellung des Kolbens zu erzwingen. Andererseits bedarf es zu einem nur geringen Abhe­ behub der Andruckwalze eines langen Hubs des Kolbens.

Es ist eine nicht gattungsgemäße Antriebseinrichtung für elek­ trische Starkstromschalter bekannt (AT-PS 289 940), die eine manuell schwenkbare Antriebswelle aufweist, deren Bewegungen über ein vielgliedriges Kurbelgetriebe auf einen ebenfalls schwenkbaren Schaltkontakt übertragen werden. In der Aus- und der Einschaltstellung des Schalters tritt durch Totpunktstel­ lungen des Kurbelgetriebes eine Selbsthemmung ein, die ein un­ gewolltes Ändern der Schaltkontaktstellung verhindert, ohne eine äußere Festlegung der Antriebswelle zu erfordern.

Die Erfindung hat die Aufgabe, eine gattungsgemäße Vorrichtung so auszubilden, daß eine selbsttätige Verstellung der von einem pneumatischen Antrieb stellbaren Klappe aufgrund von bei deren Anströmung von wechselnden Seiten auf diese einwirkenden Druck­ kräften ausgeschlossen werden kann.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Pa­ tentanspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.

Die kennzeichnenden Merkmale der Unteransprüche geben vorteil­ hafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung an.

Weitere Einzelheiten und Vorteile gehen aus der Zeichnung eines Ausführungsbeispiels und deren sich hier anschließender einge­ hender Beschreibung hervor.

Es zeigen

Fig. 1 eine Prinzipskizze der Anordnung einer als Weiche zum Umschalten zwischen zwei Zuströmungen in zwei Endstellungen stellbaren Klappe in einem Strömungs­ kanal,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines in den Endstel­ lungen selbsthemmenden pneumatischen Antriebs für die Klappe gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine andere, gegenüber Fig. 2 um 90° geklappte Detailansicht des Antriebs aus der durch die Linie III-III in Fig. 2 gezeigten Richtung.

Eine Klappe 1 einer Luftweiche ist gemäß der Schnittansicht eines Strömungskanals 2 in Fig. 1 außermittig an einem Außen­ rand in einem Lager 3 schwenkbar gelagert. In ihrer durch­ gezogen gezeichneten Endstellung verschließt sie einen ersten Zuströmkanal 2U, dem sie eine Flächenseite 1U zuwendet, während gleichzeitig ein zweiter Zuströmkanal 2F zu einem gemeinsamen Abströmkanal 2A hin geöffnet ist. Strichpunktiert ist die ande­ re, um einen Winkel α im Lager 3 geschwenkte Endstellung der Klappe 1 gezeichnet, in der der zweite Zuströmkanal 2F durch die zweite Flächenseite 1F der Klappe 1 verschlossen und der erste Zuströmkanal 2U geöffnet ist.

Prinzipiell kann diese Konfiguration auch als 3/2-Wegeventil angesehen werden.

Beispielsweise wird eine solche Anordnung in Fahrzeugen einge­ setzt, wobei der gemeinsame Abströmkanal 2A in einen Fahrgast­ raum mündet, der erste Zuströmkanal 2U Umluft und der zweite Zuströmkanal 2F Frischluft führt. Ein Gebläse - das entweder, wie angedeutet, im Abströmkanal 2A angeordnet ist oder auch aufgeteilt in den beiden Zuströmkanälen - fördert eine durch abwärts weisende Pfeile L symbolisierte Luftströmung im Strö­ mungskanal, die je nach Strömungsgeschwindigkeit einen mehr oder weniger erheblichen Differenzdruck über die Klappe auf­ baut, wobei die resultierenden Druckkräfte die Klappe 1 jeweils aus der gerade eingenommenen Endstellung herauszubewegen trach­ ten. Sie wirken dabei im Wechsel auf beide Flächen der Klappe ein.

Der Antrieb der Klappe ist in Fig. 1 nicht dargestellt; Schwenkkräfte werden jedoch über einen mit der Achse der Klappe 1 im Lager 3 verbundenen, außerhalb des Strömungskanals 2 befindli­ chen Schwenkhebel in diese eingeleitet, wie aus den weiteren Figuren und deren Beschreibung hervorgeht.

Üblicherweise wird die Klappe 1 in fahrzeugtechnischen Anwen­ dungen, wie in Fig. 2 gezeigt, mittels eines pneumatischen, gegen Federkraft einfachwirkenden Stellantriebs 4 zwischen den beiden Endstellungen hin und her gestellt, der hier nur sehr vereinfacht skizziert ist. Der Verlauf der Achse des Lagers 3 aus Fig. 1 ist hier durch eine strichpunktierte, schräg verlau­ fende Linie 3A repräsentiert.

Derartige Stellantriebe besitzen bekanntlich wegen der Kompres­ sibilität der Luft an sich keine Selbsthemmung gegen auf ihr Stellglied einwirkende Kräfte, so daß andere Maßnahmen getrof­ fen werden müssen, um die Klappe 1 auch wirklich in der jeweils eingestellten Endstellung zu halten. Insbesondere in der ge­ zeigten, durch die Rückstellfeder eingestellten Ruhelage des Stellantriebs 4 ist ohne zusätzliche Ventile keine Unterstüt­ zung durch Halten oder Einsperren eines pneumatischen Druck­ niveaus möglich.

Ein mit dem Membrankolben verbundenes Stellglied 4S (Kolben­ stange) des Stellantriebs 4 ist in an sich bekannter Weise mit einer Zahnstange 5 versehen, die mit einem am oder im Gehäuse des Stellantriebs 4 drehbar gelagerten Zahnrad 6 kämmt. Mit diesem ist ein Kurbelarm 7 drehfest gekuppelt, an dessen freiem Ende wiederum mit einem Kugelgelenk 8 ein Lenker 9 angelenkt ist, dessen Längsachse in der Ruhestellung des Stellantriebs 4 in einer (unteren) Totpunktlage bezüglich des Kurbelarms 7 liegt, so daß die Längsachsen dieser beiden Bauteile 7 und 9 zumindest etwa parallel übereinanderliegen. Eine strichpunk­ tierte Linie KA, die die Drehachse des Zahnrads 6 schneidet, markiert die Lage der Totpunkte des Kurbeltriebs.

Hier ist eine Übertotpunktstellung angedeutet, in der der ei­ gentliche (untere) Totpunkt noch überfahren wurde ("Übertot­ punktlage") und sich spitze Winkel zwischen den erwähnten Längs­ achsen der Bauteile 7 und 9 sowie zur Linie KA einstellen. Am freien Ende des Lenkers 9 wird über ein weiteres Kugelgelenk 11 die Klappe 1 bzw. ein mit dieser in der Lager-Achse 3A ver­ bundener Schwenkhebel 12 (Fig. 3) angelenkt. In Fig. 2 liegt dieser in einer senkrecht zur Zeichnungsebene liegenden Ebene vor bzw. über dem Lenker 9.

Eine in Längsrichtung des Lenkers 9 in diesen eingeleitete Zug­ kraft kann das Kurbelgetriebe nicht aus der dargestellten Lage hinausbewegen, weil der Stellantrieb 4 an einem Endanschlag an­ liegt. In der anderen Bewegungsrichtung hat der Lenker 9 keinen Hebel zur Bewegungseinleitung.

Wird die Arbeitskammer des Stellantriebs 4 nun mit Unterdruck p_u beaufschlagt, so wird das Stellglied 4S nebst Zahnstange 5 in das Gehäuse hineingezogen, wobei sich das Zahnrad 6 im Uhr­ zeigersinn dreht und den Kurbelarm 7 sowie den Lenker 9 mit­ nimmt. Der Mittelpunkt des Kugelgelenks 8 bewegt sich dabei längs einer Kreisbahn 10 um das Zentrum des Zahnrades 6, während der Mittelpunkt des Kugelgelenks 11 in dieser Blickrichtung ent­ lang der Linie KA geführt wird.

Der Hub des Stellglieds 45 bzw. der Zahnstange 5 ist mit der Übersetzung zum Zahnrad 6 so abgestimmt, daß sich letzteres bei einem vollen Hub gerade um 180° oder maximal 200° dreht, so daß sich in der voll eingefahrenen Endstellung des Stellelements 1 die - strichpunktiert angedeutete - entgegengesetzte (Über-)Tot­ punktlage mit annähernd einem 180°-Winkel zwischen den Längsach­ sen von Kurbelarm 7 und Lenker 9 einstellt. Auch hier ist keine Bewegung der Klappe durch Strömungskräfte möglich, denn nun liegt der Stellantrieb an seinem anderen Endanschlag.

Die größte Anpreßkraft der Klappe 1 an ihre jeweiligen periphe­ ren Kontakt- oder Dichtflächen innerhalb des Strömungskanals 2 wird in den Totpunkten selbst erreicht.

Ist der Gesamtwinkel des Zahnrads und des Kurbelarms 7, wie hier skizziert, größer als 180°, so geht das Kurbelgetriebe in den Endstellungen noch über die Totpunkte hinaus, was zu einer zu­ sätzlichen Lagestabilisierung führt (Kraftanstieg bei Anfang der Schwenkbewegung).

Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, verläuft die Achse 3A des La­ gers 3 im Raum in einem rechten Winkel zur hier in der Zeich­ nungsebene liegenden Drehachse des Zahnrads 6. Die beiden Ach­ sen sind aber windschief, d. h. sie verlaufen weder parallel noch schneiden sie einander.

Da der an der Klappe 1 angeordnete Schwenkhebel 12 (wiederum um einen Winkel α) um die Achse 3A herum schwenkt, zwingt er dem Lenker 9 bzw. dem Kugelgelenk 11 eine Bogenbewegung auf, die durch eine gestrichelte Bewegungsbahn 13 (Kreisabschnitt um Achse 3A) des oberen Kugelgelenks 11 des Lenkers 9 angedeutet ist.

Mit den beidseitig vorgesehenen Kugelgelenken 8 und 11 kann der Lenker 9 auch dieser, senkrecht zu der durch die Kreisbahn 10 in Fig. 2 definierten Ebene verlaufenden sphärischen Schwenkbewegung problemlos folgen. Insgesamt kann die Anordnung des Kurbelgetriebes und des Stellantriebs 4 bezüglich des Lagers 3 der Klappe 1 relativ freizügig festgelegt werden. Insbesondere kann der Stellantrieb 4 platzsparend auch in den Zwickel zwi­ schen den in Fig. 1 gezeigten Zuströmkanälen 2U und 2F einge­ baut werden, da seine Hubrichtung sich auch etwa parallel zur Lager-Achse 3A einstellen läßt, wie aus Fig. 2 ersichtlich. Es versteht sich, daß der Schwenkhebel 12 nicht mit der Klappen­ fläche in einer Ebene liegen muß.

Das Maß des Schwenkwinkels α der Klappe 1 läßt sich zum einen durch die Länge des Kurbelarms 7 am Zahnrad 6, zum anderen durch die Länge des klappenfesten Schwenkhebels 12 einstellen; ggf. kann letzterer zwecks Toleranzausgleichs in an sich bekannter Weise längenverstellbar sein. Je länger der Schwenkhebel 12 ausgelegt werden kann, desto größer ist natürlich der Hebel des Antriebs gegen die Klappe 1 und umso geringer die Abweichung der Kurve 13 von einer Geraden.

Es wäre vereinfachend konstruktiv auch möglich, die sphärische Bewegung des Lenkers 9 durch elastische Verformung desselben aufzufangen, so daß die Kugelgelenke durch einfachere Scharnier­ gelenke ersetzt werden können. In den innerhalb derselben Ebene liegenden Endstellungen läge dann, wie aus Fig. 2 ersichtlich, ohnehin keine Verformung des Lenkers aus seiner geradlinigen Normalform vor, so daß dessen Querelastizität nur während des Verschwenkens der Klappe beansprucht werden müßte. Dieser Federeffekt würde sogar zu einer zusätzlichen Lagestabilisie­ rung führen, da bei jeder Schwenkbewegung der Klappe Verfor­ mungsarbeit am Lenker 9 geleistet werden müßte.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Verstellen einer in einem Strömungskanal angeordneten, mittels eines fluidisch steuerbaren - insbeson­ dere gegen Federkraft einfachwirkenden - und einen drehbaren Abtrieb aufweisenden Stellantriebs zwischen zwei Endstellungen hin und her schwenkbaren Klappe, dadurch gekennzeichnet, daß zur Übertragung der Drehbewegungen des Abtriebs (6, 7) auf die Klappe (1) ein Kurbelgetriebe mit einem den Abtrieb (6, 7) mit der Klappe (1) verbindenden Lenker (9) und mit zwei einan­ der entgegengesetzten Totpunktlagen angeordnet ist, die den Endstellungen der Klappe (1) entsprechen, so daß das Kurbelge­ triebe gegen Bewegung durch auf die Klappe (1) in deren beiden Endstellungen einwirkende Strömungskräfte blockiert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappe (1) in einer ersten Endstellung von einer ersten Seite (1U) aus einem ersten Kanal (2U) und in der zweiten End­ stellung von ihrer zweiten Seite (1F) aus einem zweiten Kanal (2F) druckbelastbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Abtrieb (6, 7) zwischen den beiden Endstellungen der Klappe (1) über einen Winkel zwischen 180° und 200° schwenkbar ist,
daß der Lenker (9) einseitig an einer mit einem Zahnrad (6) des Abtriebs drehfest gekuppelten Kurbel (7) und anderseitig an der Klappe (1) angelenkt ist und
daß der Lenker (9) mit der Kurbel (7) in einer Endstellung ei­ nen Winkel im Bereich zwischen 0° und 10° und in der entgegen­ gesetzten Endstellung einen Winkel zwischen 170° und 180° bil­ det.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lenker (9) an beiden Enden Kugelgelenke (8, 11) auf­ weist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lenker aus quer zu seiner Längsachse elastisch verform­ barem Material besteht und an beiden Enden mit Scharniergelen­ ken versehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schwenkachse (3A) eines Lagers (3) der Klappe (1) im Raum winklig zu der Drehachse des Abtriebs (6, 7) verläuft, insbesondere in einem Winkel von 90°.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappe (1) mit einem aus dem Strömungskanal (2) her­ ausgeführten Schwenkhebel (12) drehfest verbunden ist, dessen freies Ende in einem Gelenk (11) mit dem Lenker (9) verbunden ist.