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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Lager zum Abstützen einer
Welle in einer Gleit- und/oder Drehbewegung; insbesondere auf ein
Zapfenlager zum Abstützen
eines hin- und her beweglichen Zapfens in einem Zapfenventil; und
insbesondere auf eine modulare Lageranordnung, worin zwei unabhängige Lager
jeweils radial federnd sind und auch redundante axiale Dichtungen
gegen Leckage eines Fluids, insbesondere eines Gases, durch die Anordnung
bilden.
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US 4 725 040 (General Motors
Corporation) und
US 5,022,431 (General
Motors Corporation) offenbaren Abgasrückführungsventile mit ersten und zweiten
Lagerelementen, die koaxial um eine Welle mit einer Schraubenfeder
angeordnet sind, die in Kompression zwischen dem ersten und zweiten
Lagerelement angeordnet ist.
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Hintergrund
der Erfindung
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Linear-
und Drehstellglieder werden gewöhnlich
in verschiedenen kraftfahrzeugtechnischen, chemischen und allgemeinen
industriellen Anwendungen zum Regulieren eines Gasstroms und für andere ähnliche
Funktionen verwendet. Viele neuere Anwendungen haben sehr strenge
Anforderungen bezüglich
einer Wellenleckage vorbei an einem Zapfenlager. Einige dieser Anwendungen
wie z.B. Brennstoffzellen tolerieren keine Wellenleckage, da das
geleitete Medium wie z.B. Wasserstoff hochflüchtig und hochexplosiv ist.
Steuerungsventile in solchen Anwendungen erfordern im Wesentlichen
eine perfekte axiale Ausrichtung der Dosieröffnung und der Ventilwelle
oder des Zapfens, um vollständig
und zuverlässig
zu schließen.
Eine solche Ausrichtung ist in bekannten Steuerungsventilen, insbesondere
in Ventilen, die für
einen weiten Bereich von Temperaturen und Drücken mit begleitend auftretenden
thermisch und torsionsmäßig induzierten
Abmessungsänderungen
in Ventilkomponenten arbeiten müssen,
schwierig, wenn nicht unmöglich,
zu erreichen.
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Die
sich ergebende, bekannten Gasleitventilen eigene Fehlausrichtung
macht es nicht nur schwierig, die Anforderung hinsichtlich der Ventilleckage
zu erfüllen,
sondern verringert auch die Ventilleistung, indem bedeutende parasitäre Reibungskräfte eingeführt werden,
die die direkte Folge einer Fehlausrichtung von Komponenten sind.
Um diese Reibungskräfte
zu berücksichtigen,
werden Stellglieder gewöhnlich überdimensioniert,
wobei das Ergebnis Einrichtungen sind, die massiger, schwerer und teurer
als für
die Gasleitfunktion allein erforderlich sein können. In kraftfahrzeugtechnischen
Anwendungen beispielsweise können
solche überdimensionierten
Stellglieder sich zum Gewicht eines Fahrzeugs addieren, was Permanentkosten
bei reduzierter Kraftstoffeffizienz und erhöhtem Bremsverschleiß mit sich
bringt. Ein übermäßiges Fahrzeuggewicht kann
bis zu dem Punkt steigen, an welchem ein bestimmtes Fahrzeug in
eine schwerere, größere Klasse
neu klassifiziert werden muss, was zusätzliche Versicherungskosten
und von der Regierung auferlegte Strafen mit sich bringt.
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Benötigt wird
eine modulare Anordnung eines Lagers, die im Offline-Betrieb vorher leicht
zusammengebaut wird, in der das Lager radial nachgebend ist und
durch den Zapfen selbstjustiert wird und in der das Lager auch als
Wellendichtung dient.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung, die in Anspruch 1 definiert ist, ist auf
eine verbesserte modulare Lageranordnung vom Zapfenlagertyp gerichtet,
die zwei Lagerelemente aufweist, die in einem Gehäuse gehalten
und durch eine dazwischen angeordnete Druckfeder in entgegengesetzte
axiale Richtungen zwangsbelastet werden. Eine funktionsfähige Welle, die
durch das Lager sowohl abgestützt
als auch gegen Leckage abgedichtet wird, z.B. eine Ventilzapfenwelle,
ist in einer axialen Bohrung in jedem der Lagerelemente angeordnet,
wobei die Bohrungen vorzugsweise möglichst eng an den Durchmesser
der Welle angepasst sind, ohne zu bewirken, dass sich die Welle
in den Bohrungen frisst. Jede der der Feder gegenüberliegenden
radialen Lagerflächen
bildet eine Dichtung mit einer entsprechenden radialen Oberfläche des
Gehäuses,
wodurch ein redundantes Abdichtsystem definiert wird. Die Lager
können
sich innerhalb des Gehäuses
um eine vorbestimmte kleine Distanz radial ungehindert bewegen,
um zu ermöglichen,
dass die Welle wirksam selbstzentriert wird, wie z.B. durch einen
angebrachten Ventilkopf, der in einen Ventilsitz passt. Die verbesserte
Lageranordnung kann im Offline-Betrieb vorher zusammengebaut werden,
um ihren Einbau in eine Vorrichtung, z.B. ein Zapfenventil, zu erleichtern
und kann auch in bestehende Lagereinbauten nachgerüstet werden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
vorhergehenden und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung
sowie ihrer gegenwärtig
bevorzugten Ausführungsformen
werden aus einer Lesung der folgenden Beschreibung in Verbindung
mit den beiliegenden Zeichnungen ersichtlicher werden, worin:
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1 eine
Aufrissansicht eines Querschnitts eines Zapfenventils ist, die eine
Lageranordnung nach dem Stand der Technik zeigt;
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2 eine
vergrößere und
detaillierte Ansicht eines Bereichs 2 in 1 ist,
die ein einzelnes Lager, eine Lagerfeder und eine Spritzabschirmung des
Lagers zeigt;
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3 eine
Aufrissansicht eines Querschnitts einer ersten Ausführungsform
einer modularen Lageranordnung gemäß der Erfindung ist;
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4 eine
Aufrissansicht eines Querschnitts wie die in 3 gezeigte
ist, die Entlüftungseinrichtungen
für eine
zweite Ausführungsform
einer modularen Lageranordnung zeigt;
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5 eine
Aufrissansicht eines Querschnitts wie die in 3 und 4 gezeigte
ist, die Entlüftungseinrichtungen
für eine
dritte Ausführungsform einer
modularen Lageranordnung zeigt; und
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6 eine
Aufrissansicht eines Querschnitts einer modularen Lageranordnung
gemäß der Erfindung
ist, die in einem Abgasführungsventil
(EGR) in einem Verbrennungsmotor installiert ist.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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Die
durch die vorliegende Erfindung gelieferten Vorteile werden leichter
ersichtlich, indem zuerst ein installiertes Lager nach dem Stand
der Technik im typischen Gebrauch betrachtet wird. Nach 1 und 2 weist
ein AGR-Ventil 10 nach dem Stand der Technik einen Ventilkörper 12 mit
ei nem Ventilsitz 14 auf, der eine erste Kammer 16 von
einer zweiten Kammer 18 trennt, welche Kammern mit dem
Abgas- bzw. Ansaugsystem eines Verbrennungsmotors 11 oder
umgekehrt in Verbindung stehen können.
Ein Ventilkopf 20 ist dem Sitz 14 benachbart angeordnet, so
dass er mit ihm selektiv zusammenpasst, um eine Verbindung zwischen
den Kammern 16 und 18 zu öffnen und zu schließen. Ein
Ventilschaft oder -Zapfen 22 geht vom Kopf 20 durch
eine axiale Bohrung 24 im Lager 26 aus und ist
in einem Anker 28 eines Solenoidstellglieds 30 gefangen.
Das Lager 26 ist in einer Öffnung 27 in einer
Wand des Ventilkörpers 12 angeordnet
und führt
den Schaft 22 in einer hin- und hergehenden Bewegung, um
das Ventil zu öffnen
und zu schließen,
wenn das Stellglied 30 eingeschaltet bzw. abgeschaltet
wird. Der Sitz 14, der Kopf 20, der Zapfen 22 und
die Öffnung 27 erfordern
einen hohen Grad an gegenseitiger Konzentrizität, damit das Ventil vollständig und
zuverlässig
schließt.
Das Lager 26 ist mit einem Umfangsflansch 32 mit
einer ersten axialen Fläche 34 zum
Abdichten gegen eine axiale Außenfläche 36 des
Ventilkörpers 12 versehen,
um eine Leckage von Gasen dazwischen zu verhindern. Eine becherförmige Spritzabschirmung 38 des
Lagers hat einen einwärts
verlaufenden Flansch 40 mit einer zentralen Durchbrechung 42 für einen
Durchgang des Schafts 22, vorzugsweise ohne Kontakt zwischen
diesen, und einen zylindrischen Mantel 44, der axial verläuft, um
einen wesentlichen Teil des Lagers 26 externe Verunreinigungen
abzuschirmen. Die Abschirmung 38 ist nach unten offen,
um eine Entlüftung
etwaiger Gase zu gestatten, die während eines Betriebs des Ventils
entlang der Bohrung 24 lecken können. Das Stellglied 30 ist
mit dem Ventilkörper 12 über mehrere
Bolzen 46 verbunden, die durch mehrere Abstandshalter 48 verlaufen.
Eine den Schaft 22 umgebende Schraubenfeder 50 ist
innerhalb der Abschirmung 38 angeordnet, wobei sie zwischen
dem Stellglied 30 und einer zweiten Oberfläche 52 auf dem
Flansch 32 komprimiert wird, um den Flansch 32 zu
drängen,
unter allen Betriebsbedingungen gegen die Ober fläche 36 abzudichten.
Die Feder 50 dient auch dazu, die Abschirmung 38 gegen
das Stellglied 30 zu drängen,
um das Eindringen von Staub in das Stellglied zu minimieren.
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Nach 3–6 umfasst
eine erste Ausführungsform 54 einer
modularen Lageranordnung, um eine Welle federnd abzustützen und
redundant abzudichten, ein erstes und zweites Lagerelement 56, 58,
die innerhalb eines im wesentlichen zylindrischen Gehäuses 60 koaxial
angeordnet sind, das vorzugsweise aus einer ersten und zweiten Halbschale 60a, 60b mit
Flanschen 61a, 62b am Äquator besteht, die durch Schweißen, Nieten
oder irgendein anderes äquivalentes
Mittel, um ein geschlossenes Gehäuse
zu schaffen, miteinander verbunden sind. Ist es geschlossen, schützt das
Gehäuse 60 die
Lager gegen äußere Verunreinigung
besser als die Spritzabschirmung 38 nach dem Stand der
Technik. Die Lagerelemente 56, 58 sind vorzugsweise
identisch und werden in der folgenden Diskussion als solche behandelt;
innerhalb des Umfangs der Erfindung können sie aber verschieden sein,
wie es für
eine bestimmte Anwendung erforderlich ist. Die Lagerelemente können aus
einem beliebigen Material geschaffen sein, das für den erwarteten Gebrauch geeignet
ist, z.B. geschmiertes Verbundmaterial oder Metall wie z.B. Messing
oder Bronze oder Kombinationen davon. Jedes der Lagerelemente 56, 58 hat eine
axiale Bohrung 62, um eine abzustützende und abzudichtende Welle 23,
z.B. eine Ventilzapfenwelle, aufzunehmen. Die Durchmesser der Welle 22 und Bohrungen 62 sind
vorzugsweise möglichst
nahezu identisch, solange sie noch erlauben, dass die erforderliche
Gleitbewegung der Welle in den Bohrungen ohne Fressen stattfindet.
Dieses wichtige Merkmal ermöglicht,
dass über
ein Lager gemäß der Erfindung nahezu
keine Leckage erhalten wird.
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Eine
Führungshülse 64 ist
innerhalb des Gehäuses 60 angeordnet,
um das mögliche
Ausmaß einer
radialen Bewegung von Lagerelementen 56, 58 während einer
Federbewegung zu begrenzen. Die Lagerelemente sind voneinander unabhängig, und eine
Federung der Elemente gegen eine radiale Bewegung der Welle 22 wird
durch einen vorbestimmten Zwischenraum 66 zwischen dem
Außendurchmesser 68 des
Lagers und dem Innendurchmesser 70 der Hülse geschaffen
und beschränkt.
Geformte Unterlegscheiben 72 nehmen eine zwischen den Lagerelementen 56, 58 angeordnete
Druckfeder 74 auf und führen
sie, schaffen eine radiale Gleitfläche für innere radiale Flächen 76 von
Lagerelementen und begrenzen den Umfang einer den Lagerelementen möglichen
axialen Verschiebung. Jede Unterlegscheibe 72 ist mit einem
Halsabschnitt 78 versehen, der eine axiale Bohrung 80 mit
einem Durchmesser 81 aufweist. Der Außendurchmesser 82 der
Unterlegscheibe 72 wird in Bezug auf den Hülsendurchmesser 70 und
Bohrungsdurchmesser 81 vorzugsweise so gewählt, dass
der Halsabschnitt 78 bei einer radialen Ablenkung der Elemente 56, 58 oder
Unterlegscheibe 72 keinen Kontakt mit der Welle 22 herstellen
kann.
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Die
Halbschalen 60a, 60b des Gehäuses sind jeweils mit Halsabschnitten 84a, 84b versehen, wobei
die Anforderungen bezüglich
des diametralen Zwischenraums an die Welle 22 im wesentlichen
wie gerade für
die geformten Unterlegscheiben 72 diskutiert sind.
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Die äußeren radialen
Flächen 86 der
Elemente entsprechen den inneren radialen Flächen 88 des Gehäuses, um
damit gegenseitige Abdichtungen zu bilden. Die Flächen 86 werden
durch die komprimierte Kraft der Feder 74 gegen die Flächen 88 gedrängt, um
eine erste bzw. zweite redundante Abdichtung 85 bzw. 87 zu
schaffen. Die Feder 74 ist mit einer Federkraft ausgewählt, so
dass eine für
die Verwendung geeignete Abdichtkraft geliefert wird, während die
Lagerelemente von einer radial federnden Bewe gung, wie sie von der
Welle 22 vorgegeben werden kann, nicht abgehalten werden.
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Im
Betrieb bewirkt eine radiale Unrundheit der Welle 22 während einer
axialen und/oder Drehbewegung, wie sie z.B. durch eine Fehlausrichtung eines
Ventilsitzes, Ventilkopfes und einer Ventilzapfenwelle verursacht
werden kann, eine entsprechende radiale federnde Bewegung der Lagerelemente 76, 78,
während
eine abdichtende Verbindung der Welle 22 mit den Elementbohrungen 62 aufrechterhalten
wird. Ferner wird die abdichtende Verbindung der Elementflächen 86 gegen
die Gehäuseflächen 88 ebenfalls
aufrechterhalten.
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Die
in 3 dargestellte Ausführungsform 54 ist
zweckdienlich, wo keine Verbindung zwischen der Innenseite und der
Außenseite
des Gehäuses 60 beispielsweise
bei der Leitung von Wasserstoffgas in einer Brennstoffzelle erwünscht ist.
Bei anderen Anwendungen kann jedoch eine Entlüftung des Gehäuses 60 wünschenswert
oder notwendig sein. Zum Beispiel enthält eine Wellenleckage eines
Abgases von einem Abgasrückführungsventil
an einem Verbrennungsmotor korrosive Feuchtigkeit, die aus dem Gehäuse entlüftet werden
muss, um deren Eindringen in das Stellglied 30 zu verhindern.
Wie in der zweiten und dritten Ausführungsform 89 und 91 in 4 und 5 dargestellt
ist, kann oder können demgemäß nach Wunsch
ein oder mehrere Entlüftungskanäle bzw.
-öffnungen 90 in
der Wand des Gehäuses 60 ausgebildet
sein, um für
eine derartige Entlüftung
zu sorgen, die den Druck eines Leckgases, der gegen die zweite Dichtung 87 ausgeübt wird, im
wesentlichen auf Null bringt.
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In 6 ist
eine Ausführungsform 91 dargestellt,
die in ein Abgasrückführungsventil 10' eingebaut ist,
das zwischen einem Kanal 94 im Abgas krümmer 96 und einem
Kanal 98 im Ansaugkrümmer 100 eines
Verbrennungsmotors gekoppelt ist.
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Die
vorhergehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in
einer modularen, radial federnden, redundant abdichtenden Lageranordnung
wurde zum Zwecke der Veranschaulichung und der Beschreibung präsentiert.
Die Beschreibung soll nicht erschöpfend sein, noch soll sie die
Erfindung auf die offenbarten präzisen
Formen beschränken.
Der Fachmann erkennt, dass die offenbarten Ausführungsformen im Lichte der
obigen Lehren modifiziert werden können. Die beschriebenen Ausführungsformen
sind so gewählt,
dass sie eine Veranschaulichung der Erfindung und ihrer praktischen
Anwendung liefern, um dadurch dem Fachmann zu ermöglichen,
die Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen und mit verschiedenen Modifikationen
zu nutzen, wie sie für
den in Betracht gezogenen, besonderen Gebrauch geeignet sind. Daher
soll die vorhergehende Beschreibung als beispielhaft, statt beschränkend betrachtet
werden, und der wahre Umfang der Erfindung ist der in den folgenden
Ansprüchen
beschriebene.