DE4225516C2 - Drosselklappe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Drosselklappe gemäß dem Ober­ begriff des Anspruches 1 bzw. 2.

Derartige Drosselklappen sind jeweils in der DE 40 35 120 A1 und der DE 24 47 645 C3 beschrieben. Bei jeder dieser Drosselklappen ist die Klappenscheibe exzentrisch und außermittig gelagert und weist eine der beiden an Ventilsitz und Klappenscheibe angeordneten zusammenwirkenden Dichtflächen eine kegelförmige Kontur auf.

Bei diesen bekannten Drosselklappen hat man nur in einer genau bestimmten Stellung der Klappenscheibe eine konzentrische Lage der beiden zusammenwirkenden Dichtflächen zueinander.

Außerdem tritt bei diesen Drosselklappen bei Verwendung von elastisch deformierbaren Dichtelementen der Nachteil auf, daß bei Bewegung der Klappenscheibe in die Schließstellung hinein und aus der Schließstellung heraus hohe Reibungskräfte zu überwinden sind.

In der US-PS 4 284 264 ist eine Drosselklappe beschrieben, bei welcher ein dünner Sitzring mit einer Klappenscheibe zusammenarbeitet, bei welcher die weit von der Drehachse entfernten Bereiche der Umfangsfläche auf der Mantelfläche eines Kegels liegen, dessen Achse gegenüber der Klappen­ scheibe verkippt ist. Die der Drehachse benachbarten Be­ reiche der die breite Dichtfläche bildenden Umfangsfläche der Klappenscheibe sind Teile einer Kugelfläche, deren Mittelpunkt auf der Achse des Sitzringes liegt und gleichen Abstand von der Dichtebene aufweist wie die Drehachse der Klappenscheibe. Die restlichen Umfangsabschnitte der Klappenscheibe bilden kontinuierliche Übergänge zwischen den sphärischen und den kegelförmigen Abschnitten der Dichtflächen der Klappenscheibe. Die Herstellung einer Klappenscheibe mit derartiger Kontur der Dichtfläche läßt sich nicht mit einfachem Drehen oder Fräsen bewerkstelli­ gen.

In der DE-AS 20 38 905 ist eine Drosselklappe beschrieben, bei welcher die Klappenscheibe eine sphärische Umfangs­ fläche hat, wobei der Kugelmittelpunkt auf der Achse des Durchflußkanales liegt und zwar auf gleicher Höhe wie die Drehachse der Klappenscheibe. Die Klappenscheibe ar­ beitet mit einem elastischen Sitzring zusammen, der unter dem Druck anstehenden Strömungsmittels verstärkt gegen die Dichtfläche der Klappenscheibe gelegt wird, um die Dichtkraft zu erhöhen. Eine derartige Drosselklappe ist für Einsatz bei hohen Temperaturen und in Verbindung mit chemisch aggressiven Strömungsmitteln weniger gut geeig­ net.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Drossel­ klappe zu schaffen, deren Konstruktion die genannten Nach­ teile vermeidet und eine von Toleranzen unabhängige Dicht­ funktion ermöglicht. Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch eine Drosselklappe gemäß Anspruch 1 bzw. Anspruch 2.

Mit einer erfindungsgemäßen Drosselklappe wird eine genaue Regelung kleiner Durchflußmengen ermöglicht, da im Bereich der Schließstellung nur geringe Reibungskräfte zur Bewe­ gung der Klappenscheibe überwunden werden müssen.

Aus der DE 24 47 645 C3 ist zwar schon bekannt, daß die Dichtfläche der Klappenscheibe die Form eines Kegels mit gerader Mittelachse hat und die Dichtfläche kreisbogen­ förmig in die Dichtebene geschwenkt wird. Infolgedessen erhält man eine konzentrische Zuordnung der beiden Dicht­ flächen von Klappenscheibe und Ventilsitz nur in einer genau vorgegebenen Stellung der Klappenscheibe. Legt man in der Dichtebene transversale Schnitte durch die kontu­ rierte Dichtfläche der Klappenscheibe, die vor und hinter der genau vorgegebenen oben angesprochenen Stellung liegen, so sind diese Querschnitte nicht konzentrisch zum Sitz­ ring. Bearbeitungsbedingte oder temperaturbedingte Tole­ ranzen können nur ungenügend ausgeglichen werden.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1 die geometrischen Grundbeziehungen zwischen den Dichtflächen von Klappenscheibe und Sitz­ ring bei einer erfindungsgemäßen Drosselklappe;

Fig. 2 einen senkrecht zur Drehachse verlaufenden Schnitt durch eine erste Ausführungsform einer Drosselklappe, bei welcher der Sitzring eine breite konturierte Dichtfläche aufweist;

Fig. 3 einen senkrecht auf der Drehachse der Klappen­ scheibe stehenden Schnitt durch eine Drossel­ klappe, bei welcher die Klappenscheibe eine konturierte breite Dichtfläche aufweist;

Fig. 4 einen senkrecht zur Drehachse der Klappenscheibe gelegten Schnitt durch eine Drosselklappe, bei welcher ein elastischer Dichtring in der Klappenscheibe vorgesehen ist.

In Fig. 1 ist ein Sitzring 1 übertrieben breit, also mit übertriebener axialer Abmessung dargestellt. Eine Klappenscheibe 2 sitzt auf einer Klappenwelle 3 und dreht sich mit dieser um eine Drehachse 4. Die Drehachse 4 ist unter einem Abstand e zur Mittelachse 5 eines Klappenge­ häuses 16 und unter einem Abstand f zu einer Dichtebene 6 angeordnet, welche durch den scharfen Rand der Klappen­ scheibe 2 vorgegeben ist.

Die Klappenscheibe 2 ist ferner durch strichpunktierte Linien in einer teilweise geöffneten Stellung wiedergegeben, in welcher sie um den Winkel Φ gedreht ist. Bei dieser Öffnungsbewegung bewegt sich der Mittelpunkt einer schmalen kreisförmigen Dichtfläche 8, die am Außenrand der Klappen­ scheibe 2 liegt, auf einer Kreisbahn von einem Punkt 7a zu einem Punkt 7b. Die jeweils am weitesten von der Dreh­ achse 4 entfernten Punkte am Umfang der Klappenscheibe 2 bewegen sich ebenfalls auf Kreisbahnen, welche durch die strichpunktierten Linien 9′ und 10′ wiedergegeben sind. Wird die Klappenscheibe aus einer geöffneten Stel­ lung in Schließrichtung bewegt, so treffen mit 9 und 10 bezeichnete Punkte der schmalen kreisförmigen Dichtfläche 8 bei mit 11 bzw. 12 bezeichneten Punkten auf die konturier­ te breite Dichtfläche 13 des Sitzringes 1 auf. Ebenso verhält es sich mit allen anderen Punkten am Umfang der Klappenscheibe.

Die Punkte 9 und 10 treffen unter dem Winkel auf die Dichtfläche 13 auf. An anderen Punkten am Umfang der Klappenscheibe sind die Auftreffwinkel α. Ist tan (α) größer als die Reibzahl µ, befindet sich die Berührung der beiden Dichtflächen außerhalb der Selbsthemmung. In der Nähe der Klappenwelle 3 trifft dies nicht mehr zu. Dort sind jedoch die Abstände zur Drehachse 4 klein, so daß die zur Überwindung der Reibung erforderlichen Dreh­ momente ebenfalls klein sind.

In Fig. 1 ist das den beiden Ausführungsbeispielen über­ geordneten geometrische Prinzip erläutert, das darin be­ steht, daß sich mit der Schließbewegung der Klappenscheibe 2 kreisförmige Dichtflächen konzentrisch aufeinander zube­ wegen. Eine der beiden Dichtflächen ist relativ schmal, die andere ist breiter und hat die Mantelfläche eines gekrümmten Kegelstumpfes, dessen Mittelachse einen Kreis­ bogen darstellt, der durch die Drehachse 4 der Klappen­ welle 3 geht. Alle Mantellinien des gekrümmten Kegel­ stumpfes sind in gleicher Richtung gegenüber den Mantel­ linien eines echten Kegels gekrümmt, wie dies die Mittel­ achse des gekrümmten Kegelstumpfes bezüglich der Mittel­ achse eines echten Kegels ist. Die Mantellinien des ge­ krümmten Kegelstumpfes sind archimedische Spiralen. An den am weitesten von der Drehachse der Klappenwelle ent­ fernten Punkten der Mantelfläche sind die Spiralen s₁ und s₂ gegeben durch die Gleichungen

s₁ = r₁ + Φ · a tan () unds₂ = r₂ + Φ · tan (2).

An den Umfangspunkten, die einen kleineren Abstand zur Drehachse 4 haben, ist α .

Um den wesentlichen Bereich der Dichtflächen außerhalb der Selbsthemmung und damit die Reibung niedrig zu halten, sollte α vorzugsweise 12°-18° betragen.

Fig. 2 zeigt die praktische Ausführung einer Drossel­ klappe, bei welcher die breite konturierte Dichtfläche am Sitzring vorgesehen ist. Ein Sitzring 14 wird durch einen Haltering 15 in einem Klappengehäuse 16 festgehalten. In Fig. 2 ist ein Haltering mit Außengewinde dargestellt. Bei großen Nennweiten kann der Haltering statt durch ein Außengewinde mit mehreren Einzelschrauben mit dem Klappengehäuse verbunden und auf dem Sitzring festgespannt werden. Auch eine Klemmverbindung ist möglich. Die Lage des Sitzringes 14 im Klappengehäuse 16 wird durch eine Arretierung, beispielsweise durch einen Stift 17 sicher­ gestellt. Zur formschlüssigen Verbindung der Klappen­ scheibe 2 mit der Klappenwelle 3 dient in Fig. 2 ein Kegelstift 18. Auch andere Verbindungen, wie z. B. Paßfeder-, Vielzahn- oder Klemmverbindung sind möglich.

Fig. 3 zeigt die praktische Ausführung einer Drossel­ klappe, bei welcher die breite, konturierte Dichtfläche am Umfang der Klappenscheibe vorgesehen ist. Ein Sitzring 19 mit schmaler Dichtfläche ist mit dem Haltering 15 im Klappengehäuse 16 eingespannt. Die Punkte 11 und 12 am Umfang der konturierten Dichtfläche bewegen sich auf der jeweiligen Kreisbahn 9′ bzw. 10′. In schließender Rich­ tung bewegt treffen sie unter dem Winkel auf die Dicht­ fläche des Sitzringes 19. Die übrige Konstruktion ent­ spricht der gemäß Fig. 2.

In den Fig. 2 und 3 sind metallisch dichtende Paarungen von Sitzringen und Klappenscheiben dargestellt. Zur sehr genauen Fixierung der dichtenden Bauteile ist es möglich, den Sitzringen 14 und 19 etwas Spiel im Klappengehäuse 16 zu geben, um eine genaue Justierung durch Festspannen der Ringe bei Montage im Schließzustand zu ermöglichen.

Auch ist es möglich, Sitzringe oder auch die Dichtflächen aus elastischen Werkstoffen herzustellen.

Fig. 4 zeigt ein Beispiel einer Klappenscheibe 2 mit einem elastischen Dichtring 20. Zusätzlich ist ein Dicht­ ring 21 zwischen dem Sitzring und dem Klappengehäuse vor­ gesehen.

Zur Herstellung der konturierten Dichtfläche wird das jeweilige Werkstück um einen Drehpunkt entsprechend der Drehachse der Klappenwelle geschwenkt, während das Dreh­ werkzeug gleichzeitig die Drehbewegung und eine radiale Bewegung zur Erzielung des tan (α) ausführt.

Claims (3)

1. Drosselklappe mit einem Klappengehäuse (16) und einem Durchflußkanal, in dem ein am Klappengehäuse (16) befestigter Sitzring (14) und eine gegen den Sitzring (14) drehbare runde Klappenscheibe (2) angeordnet ist, auf deren Umfang eine Dichtfläche (8) mit einer in Schließ­ stellung an einer Dichtfläche (13) des Sitzringes (14) anliegenden kreisförmigen Dichtlinie angeordnet ist, die stets in der sich mit der Klappenscheibe (2) mitdrehenden Dichtebene liegt, wobei die Klappenscheibe (2) um eine sich parallel zur Dichtebene erstreckende Drehachse (4) verschwenkbar ist und die Drehachse (4) sowohl zur Dicht­ ebene als auch zur Mittelachse (5) des Durchflußkanals versetzt angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die innenliegende konturierte Dichtfläche (13) des Sitzringes (14) so ausgebildet ist, daß es vor und hinter der Schließlage der Klappenscheibe (2) einen Verschwenk­ bereich gibt, in dem unabhängig von der Stellung, in die die Klappenscheibe (2) verschwenkt ist, jede Schnittlinie zwischen der innenliegenden konturierten Dichtfläche (13) des Sitzringes (14) und der Dichtebene ein Kreis ist, dessen Mittelpunkt mit dem Mittelpunkt der kreisförmigen Dichtlinie auf der Dichtfläche (8) der Klappenscheibe (2) zusammenfällt, und die Durchmesser der kreisförmigen Schnittlinien sich mit fortschreitendem Verschwenken der Klappenscheibe (2) in die Schließrichtung stetig verringern und in Schließstellung der Durchmesser der Schnittlinie zwischen der innenliegenden konturierten Dichtfläche (13) des Sitzringes (14) und der Dichtebene gleich dem Durch­ messer der kreisförmigen Dichtlinie auf der Dichtfläche (8) der Klappenscheibe (2) ist.

2. Drosselklappe mit einem Klappengehäuse (16) und einem Durchflußkanal, in dem ein am Klappengehäuse (16) befestigter Sitzring (19) und eine gegen den Sitzring (19) drehbare runde Klappenscheibe (2) mit einer auf dem Außenumfang liegenden konturierten Dichtfläche (13) ange­ ordnet ist, wobei auf dem innenliegenden Umfang des Sitz­ ringes (19) eine Dichtfläche mit einer in Schließstellung an der konturierten Dichtfläche (13) der Klappenscheibe (2) anliegenden kreisförmigen Dichtlinie angeordnet ist, die sich in der relativ zum Klappengehäuse (16) festlie­ genden Dichtebene erstreckt, und wobei die Klappenscheibe (2) um eine sich parallel zur Dichtebene erstreckende Drehachse (4) verschwenkbar ist, die sowohl zur Dicht­ ebene als auch zur Mittelachse (5) des Durchflußkanals versetzt angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die auf dem Außenumfang liegende konturierte Dicht­ fläche (13) der Klappenscheibe (2) so ausgebildet ist, daß es vor und hinter der Schließlage der Klappenscheibe (2) einen Verschwenkbereich gibt, in dem unabhängig von der Stellung, in die die Klappenscheibe (2) verschwenkt ist, jede Schnittlinie zwischen der auf dem Außenumfang der Klappenscheibe (2) liegenden konturierten Dichtfläche (13) und der Dichtebene ein Kreis ist, dessen Mittelpunkt mit dem Mittelpunkt der kreisförmigen Dichtlinie auf der Dichtfläche des Sitzringes (19) zusammenfällt, und die Durchmesser der kreisförmigen Schnittlinien sich mit fort­ schreitendem Verschwenken der Klappenscheibe (2) in die Schließrichtung stetig vergrößern und in Schließrichtung der Durchmesser der kreisförmigen Schnittlinie zwischen der konturierten Dichtfläche auf dem Außenumfang der Klap­ penscheibe (2) und der Dichtebene gleich dem Durchmesser der kreisförmigen Dichtlinie auf dem innenliegenden Um­ fang des Sitzringes (19) ist.

3. Drosselklappe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Sitzring (14; 19) mit einem Halte­ ring (15) im Klappengehäuse (16) festgespannt ist.