DE4223727C2 - Vorrichtung zum Verstellen einer in einem Strömungskanal angeordneten Klappe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Verstellen einer in einem Strömungskanal angeordneten, mittels eines steu­ erbaren und einen drehbaren Abtrieb aufweisenden Stellantriebs zwischen zwei Endstellungen hin und her schwenkbaren Klappe, wo­ bei zur Übertragung der Drehbewegungen des Abtriebs auf die Klappe ein Kurbelgetriebe mit einem den Abtrieb mit der Klappe verbindenden Lenker angeordnet ist, der über einen Schwenkhebel die Klappenwelle dreht. Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE-PS 9 02 901 bekannt.

Mit dieser Vorrichtung wird eine Betäti­ gung verhältnismäßig großer Klappen von Hand ermöglicht. Ferner wird durch die Anwendung eines Kurbelgetriebes sichergestellt, daß die Schließlage der Klappe in ihrer einen Endstellung blok­ kiert ist, da das Kurbelgetriebe hierbei eine Totpunktlage ein­ nimmt; hingegen ist die Schließlage der Klappe in ihrer anderen Endstellung nicht blockiert, da in dieser das Kurbelgetriebe keine Totpunktlage einnimmt.

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 au­ ßermittig schwenkbar gelagerten Luftklappen ein erheblicher Staudruck auf, der stärker als die von dem Stellelement aufge­ brachte Haltekraft sein kann und dann eine unerwünschte Verstel­ lung der betroffenen Klappe aus ihrer Sollposition herbeiführt.

Besonders nachteilig wirken sich die Strömungskräfte bei Um­ schaltklappen aus, die als Weiche in einem Kanal mit zwei Zu­ strömungen angeordnet sind, z. B. für die Frischluft-/Umluft-Um­ schaltung bei Fahrzeug-Klimaanlagen. Hierbei muß die Klappe in jeder von ihren beiden Endstellungen einen Kanal dicht ver­ schließen 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 Schließanlage des Ventils nimmt das aus Kurbel und Lenker gebildete Kniegelenk eine über­ streckte Stellung ein, die ein selbsttätiges Öffnen der Ventil­ klappe durch Strömungsdruck verhindert.

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

Beide bekannten Ventile sind für nur eine Strömungsrichtung vor­ gesehen, so daß für die Öffnungsstellung des jeweiligen Ventil­ körpers keine besonderen Maßnahmen zu dessen Fixierung getroffen 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 ver­ bunden und streckt dieses beim Schließen des Hahns in seine Tot­ punktlage. Hierdurch wird eine sehr hohe Kraftübersetzung und Selbsthemmung gegen ungewolltes Öffnen des Absperrhahns erzielt, so daß für eine hohe Schließkraft eine relativ geringe Druckbe­ aufschlagung des pneumatischen Antriebs ausreicht. In der entge­ gengesetzten Endstellung des Antriebs ist aber wiederum keine Selbsthemmung vorhanden.

Auch ist ein hydraulischer Kolbenantrieb mit rotatorischem Abtrieb bekannt (GB 2 004 325), bei dem der Abtrieb eine exzentrische Welle mit einer daran befestigten Zug-Druck-Stange bewegt, welch letztere wiederum über einen zweiarmigen Hebel eine Materialan­ druckwalze einer Spaltmaschine andrückt oder abhebt.

Aufgrund der hohen Untersetzung ist es nicht möglich, durch Ein­ wirkung auf die Andruckwalze eine Verstellung des Kolbens zu er­ zwingen. Andererseits bedarf es zu einem nur geringen Abhebehub der Andruckwalze eines langen Hubs des Kolbens.

Ferner ist eine nicht gattungsgemäße Antriebseinrichtung für elek­ trische Starkstromschalter bekannt (AT 289 940), die eine ma­ nuell schwenkbare Antriebswelle aufweist, deren Bewegung über ein vielgliedriges Kurbelgetriebe auf einen ebenfalls schwenkba­ ren Schaltkontakt übertragen werden. In der Aus- und der Ein­ schaltstellung des Schalters tritt durch Totpunktstellungen des Kurbelgetriebes eine Selbsthemmung ein, die ein ungewolltes Än­ dern der Schaltkontaktstellung verhindert, ohne eine äußere Festlegung der Antriebswelle zu erfordern.

Des weiteren ist noch aus der DE 36 07 144 A1 eine Vorrichtung zum Verstellen einer in einem Strömungskanal angeordneten, mit­ tels eines steuerbaren und einen drehbaren Abtrieb aufweisenden Stellantriebs zwischen zwei Endstellungen hin und her schwenkba­ ren Klappe bekannt, wobei jedoch nähere Einzelheiten über die getriebliche Verbindung des rotatorischen Antriebs mit der Klappe nicht offenbart sind.

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 Merkmalen des Patentanspruchs 1 ge­ löst.

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

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine Prinzipskizze der Anordnung einer als Weiche zum Um­ schalten zwischen zwei Zuströmungen in zwei Endstellungen stellbaren Klappe in einem Strömungskanal,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines in den Endstellungen selbsthemmenden pneumatischen Antriebs für die Klappe ge­ mäß Fig. 1,

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

Eine Klappe 1 einer Luftweiche ist gemäß der Schnittansicht ei­ nes Strömungskanals 2 in Fig. 1 außermittig an einem Außenrand in einem Lager 3 schwenkbar gelagert. In ihrer durchgezogen ge­ zeichneten 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 andere, um einen Win­ kel α im Lager 3 geschwenkte Endstellung der Klappe 1 gezeich­ net, in der der zweite Zuströmkanal 2F durch die zweite Flächen­ seite 1F der Klappe 1 verschlossen und der erste Zuströmkanal 2U geöffnet ist.

Prinzipiell kann diese Konfiguration auch als 3/2-Wegeventil an­ gesehen 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 Zu­ strömkanal 2F Frischluft führt. Ein Gebläse - das entweder, wie angedeutet, im Abströmkanal 2A angeordnet ist oder auch aufge­ teilt in den beiden Zuströmkanälen - fördert eine durch abwärts weisende Pfeile L symbolisierte Luftströmung im Strömungskanal, die je nach Strömungsgeschwindigkeit einen mehr oder weniger er­ heblichen Differenzdruck über die Klappe aufbaut, wobei die re­ sultierenden Druckkräfte die Klappe 1 jeweils aus der gerade eingenommenen Endstellung herauszubewegen trachten. 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 verbunden, außerhalb des Strömungskanals 2 befind­ lichen Schwenkhebel in diese eingeleitet, wie aus den weiteren Figuren und deren Beschreibung hervorgeht.

Üblicherweise wird die Klappe 1 in fahrzeugtechnischen Anwendun­ gen, 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 verein­ facht skizziert ist. Der Verlauf der Achse des Lagers 3 aus Fig. 1 ist hier durch eine strichpunktierte, schräg verlaufende 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 getroffen werden müssen, um die Klappe 1 auch wirklich in der jeweils ein­ gestellten Endstellung zu halten. Insbesondere in der gezeigten, durch die Rückstellfeder eingestellten Ruhelage des Stellan­ triebs 4 ist ohne zusätzliche Ventile keine Unterstützung durch Halten oder Einsperren eines pneumatischen Druckniveaus möglich.

Ein mit dem Membrankolben verbundenes Stellglied 4S (Kolbenstange) 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 - so daß das Zahnrad 6 und der Kurbelarm 7 den Abtrieb bilden -, an dessen freiem Ende wiederum mit einem Kugelgelenk 8 ein Lenker 9 ange­ lenkt ist, dessen Längsachse in der Ruhestellung des Stellan­ triebs 4 in einer (unteren) Totpunktlage bezüglich des Kurbel­ arms 7 liegt, so daß die Längsachsen des Kurbelarms 7 und des Lenkers 9 zumindest etwa parallel übereinanderliegen. Eine strichpunktierte Linie KA, die die Drehachse des Zahnrads 6 schneidet, markiert die Lage der Totpunkte des Kurbelgetriebes 7, 8, 9.

Hier ist eine Übertotpunktstellung angedeutet, in der der ei­ gentliche (untere) Totpunkt noch überfahren wurde ("Übertotpunktlage") und sich spitze Winkel zwischen den erwähn­ ten Längsachsen des Kurbelarms 7 und Lenkers 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 Lagerachse 3a verbun­ dener Schwenkhebel 12 (Fig. 3) angelenkt. In Fig. 2 liegt die­ ser 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 Uhrzei­ gersinn dreht und den Kurbelarm 7 sowie den Lenker 9 mitnimmt. Der Mittelpunkt des Kugelgelenks 8 bewegt sich dabei längs einer Kreisbahn 10 um das Zentrum des Zahnrades 6, während der Mittel­ punkt des Kugelgelenks 11 in dieser Blickrichtung entlang der Linie KA geführt wird.

Der Hub des Stellglieds 4S 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 Gesamtdrehwinkel 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 Achsen 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 Bogenbewegungen 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 Schwenkbewe­ gung problemlos folgen. Insgesamt kann die Anordnung des Kurbel­ getriebes 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 zwischen den in Fig. 1 gezeigten Zuströmkanälen 2U und 2F eingebaut 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 Klappenfläche 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 aus­ gelegt werden kann, desto größer ist natürlich der Hebel des An­ triebs 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 Feder­ effekt würde sogar zu einer zusätzlichen Lagestabilisierung füh­ ren, da bei jeder Schwenkbewegung der Klappe Verformungsarbeit am Lenker 9 geleistet werden müßte.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Verstellen einer in einem Strömungskanal (2) angeordneten, mittels eines steuerbaren und einen drehbaren Abtrieb (6, 7) aufweisenden - insbesondere gegen Federkraft einfachwirkenden fluidischen - Stellantriebs (4) zwischen zwei Endstellungen hin und her schwenkbaren Klappe (1), wobei zur Übertragung der Drehbewegungen des Abtriebs auf die Klappe ein Kurbelgetriebe mit einem den Abtrieb mit der Klappe verbindenden Lenker (9) angeordnet ist, der über einen Schwenkhebel (12) die Achse der Klappe dreht, dadurch gekennzeichnet, daß das Kurbelgetriebe (7, 8, 9) zwei einander entgegengesetzte Totpunktlagen aufweist, die den beiden Endstellungen der Klappe (1) entsprechen, in denen jeweils einer von zwei Strömungsdurch­ gängen (2U-2A; 2F-2A) geschlossen ist, so daß das Kurbelgetriebe gegen Bewegung durch eine die Klappe in der jeweiligen Endstel­ lung beaufschlagende Strömungskraft 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 220° 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 einen Winkel im Bereich zwischen 0° und 10° und in der entgegengesetz­ ten Endstellung einen Winkel zwischen 170° und 180° bildet.

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 (9) aus quer zu seiner Längsachse elastisch ver­ formbarem Material besteht und an beiden Enden mit Scharnierge­ lenken 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, z. B. in einem Winkel von 90°.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende des Schwenkhebels (12) über ein Gelenk (11) mit dem Lenker (9) verbunden ist.