EP1359300A2 - Drosselklappeneinheit - Google Patents

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EP1359300A2
EP1359300A2 EP03007851A EP03007851A EP1359300A2 EP 1359300 A2 EP1359300 A2 EP 1359300A2 EP 03007851 A EP03007851 A EP 03007851A EP 03007851 A EP03007851 A EP 03007851A EP 1359300 A2 EP1359300 A2 EP 1359300A2
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EP
European Patent Office
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shaft
throttle valve
valve unit
unit according
flap
Prior art date
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EP03007851A
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English (en)
French (fr)
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EP1359300A3 (de
EP1359300B1 (de
Inventor
Wolfgang Dr. Hähnl
Klaus Regenold
Marek Birke
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Faurecia Emissions Control Technologies Germany GmbH
Original Assignee
ArvinMeritor Emissions Technologies GmbH
Zeuna Starker GmbH and Co KG
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Publication date
Application filed by ArvinMeritor Emissions Technologies GmbH, Zeuna Starker GmbH and Co KG filed Critical ArvinMeritor Emissions Technologies GmbH
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Publication of EP1359300A3 publication Critical patent/EP1359300A3/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D11/00—Arrangements for, or adaptations to, non-automatic engine control initiation means, e.g. operator initiated
    • F02D11/06—Arrangements for, or adaptations to, non-automatic engine control initiation means, e.g. operator initiated characterised by non-mechanical control linkages, e.g. fluid control linkages or by control linkages with power drive or assistance
    • F02D11/08—Arrangements for, or adaptations to, non-automatic engine control initiation means, e.g. operator initiated characterised by non-mechanical control linkages, e.g. fluid control linkages or by control linkages with power drive or assistance of the pneumatic type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D9/00—Controlling engines by throttling air or fuel-and-air induction conduits or exhaust conduits
    • F02D9/04—Controlling engines by throttling air or fuel-and-air induction conduits or exhaust conduits concerning exhaust conduits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D9/00—Controlling engines by throttling air or fuel-and-air induction conduits or exhaust conduits
    • F02D9/08—Throttle valves specially adapted therefor; Arrangements of such valves in conduits
    • F02D9/10—Throttle valves specially adapted therefor; Arrangements of such valves in conduits having pivotally-mounted flaps
    • F02D9/1065—Mechanical control linkage between an actuator and the flap, e.g. including levers, gears, springs, clutches, limit stops of the like

Definitions

  • the invention relates to a throttle valve unit for use in the exhaust system of an internal combustion engine, comprising a valve body, one therein shaft rotatable about an axis with a closure element, a vacuum box with a membrane as well as implementing the lifting movement of the membrane in a coupling device serving to rotate the shaft, one being the rotational movement of the shaft in the flap position "open" limiting anchorage device provided is.
  • Throttle valve units are particularly well known from engine construction. Here is the main area of application regulation of throttle valves Combustion air or the fuel air mixture. The The temperature of the flowing medium is on the Ambient air temperature level from -20 ° C to + 40 ° C.
  • the structure and operation of the known so far Throttle valve units is e.g. B. in DE 197 29 648 A1, DE 40 27 269 A1, DE 42 09 586 A1, DE 100 06 795 A1, DE 199 28 473 A1, DE 198 57 957 A1 and DE 43 13 454 A1 described.
  • Throttle valve units are becoming increasingly important but also in exhaust systems of internal combustion engines. she come in particular in connection with silencers with variable damping characteristics or the variable Design of the muzzle noise for use (see E. Santiago et al., special print MTZ 53 (1992) issue 7/8; Ch. L generallygen u. A., System Partners 2000 p. 54 - 57). Because of the high temperatures around exhaust systems mainly flaps are used here Vacuum unit. The negative pressure introduced from the outside, which depends on the particular operating state of the engine, acts on a membrane with a linkage connected is. A stroke is generated when Negative pressure is present. If no vacuum is present a spring arranged in the vacuum box Restoring force; the membrane returns to its starting position back (see DE 197 29 648 A1).
  • the lifting movement of the Linkage acts on the shaft via a crank mechanism and the closure element.
  • the crank mechanism sets the Stroke and return movement of membrane and linkage in a rotational movement of the shaft.
  • the vacuum can i.a. by means of a bracket or a mounting bracket arranged on the valve body.
  • the temperature of the exhaust gases from internal combustion engines is meanwhile partly above 850 ° C.
  • the high temperatures lead to thermal expansion of all components.
  • a throttle valve unit with the usual tolerances an ambient temperature of 20 ° C is changed their switching behavior seriously with such rising temperatures.
  • the conditions of use of flaps in exhaust systems therefore require substantial greater tolerances between the sliding pairings than on Ambient temperature level.
  • the noise problem is namely the rattling of the moving components through vibration excitation at a Hot gas application cannot therefore be remedied.
  • the technical The contradiction is as follows: a minor game between moving components reduces the risk the creation of rattling noises. However, the Risk of seizing at high operating temperatures. A big game between the moving parts works that Seize against, but leads to rattling noises. And spring-loaded friction devices increase that required actuators in an unacceptable manner.
  • the throttle valve device is distinguished characterized in that the anchor device designed as an axially acting clamping device which is a resting clamping element, one with the shaft rotatable clamping element, an axially stationary stroke stop element and one axially moved with the shaft Stroke element comprises, at least one of the two clamping elements a control surface inclined to the axis has on the "open” in the flap position each other clamping element is applied, and wherein in the Flap position "open” the moving stroke stop element rests on the stationary stroke stop element. In the Flap position "open” touch the two clamping elements in the area of the inclined surface one of the Elements or lie with two corresponding to each other inclined surfaces.
  • the shaft and the closure element comprehensive unit exerted an axially directed force.
  • This force is absorbed by one - also axially acting - stroke limiting device, which a stationary stroke stop element and one with the shaft axially moving stroke stop element, which is in the flap position "open" on the stationary stroke stop element supports, includes.
  • the closure element and the unit encompassing the shaft when open Throttle valve clamped i.e. such fixed that they were not inside the valve body Can make rattling noises leading movements.
  • Throttle valve unit is in the subclaims specified and / or the following description removable.
  • the Coupling device with the membrane of the vacuum box connected linkage and one connected to the shaft Crank arm, the rotatable clamping element part of the crank arm.
  • a particular advantage of this training is the comparatively low technical effort, compared to such an embodiment in which the clamping device is functionally separate from the Coupling device.
  • the resting clamping element is assigned to a mounting bracket is, by means of which the vacuum can supports the valve body.
  • the shaft in the flap housing is particularly preferred stored by means of two plain bearings.
  • a development of the present invention from a Wire mesh should be formed. This is special favorable with regard to the sliding properties of the relevant application of the throttle valve unit in the exhaust system of an internal combustion engine.
  • those plain bearings preferred development of the invention characterized in that at least one of them designed as a plain sliding bearing is in the axial direction on the outside of the valve body supported.
  • the collar of the collar sliding bearing can protrude slightly into the interior of the valve body and forms the stationary stroke stop element. In this Trap is the moving stroke stop element special preferably by a collar or a shoulder of the shaft educated.
  • the stationary stroke stop element be formed by the valve body, on which in the flap position "open" the closure element, which in this case is the moving stroke stop element forms, under that of the Clamping device provided clamping force is present.
  • the closure element lies, if it is according to a preferred further education is elliptical, preferably on its outer Extent only in the area of the large radius of the ellipse on the inner casing of the housing.
  • a game is planned. This game that is smaller than the axial extent of the at least one inclined Surface of the clamping elements, is used for the (small) axial displacement of the shaft and the closure element comprehensive unit when clamping at the end of the opening movement used.
  • the throttle valve device shown in the drawing for use in the exhaust system of an internal combustion engine has the following basic Structure:
  • the valve body 1 and the bearing bushes 2 form the carrier for all other assemblies.
  • each Bearing bushing 2 is designed as a plain sliding bearing Plain bearings 3, 4 used.
  • the plain bearings 3, 4 are sufficient inside the flap housing 1 and support outwards in the axial direction.
  • the plain bearings 3, 4 are made from a wire mesh.
  • the wire mesh has elastic properties.
  • the shaft 5 In the plain bearings 3, 4 is the shaft 5 on which a Closure element 6, partially enclosing shaft 5, is arranged to be rotatable about the axis 7 (arrow A). Furthermore, the shaft 5 can be in the plain bearings 3, 4 to the extent described in more detail below move axially (arrow B).
  • the rotary movements A and the lifting movements B are, as explained below, limited by appropriate stops.
  • the collar 8 of the plain bearing 3 forms a stationary stroke stop element 9.
  • the closure element 6 has in relation on the rotation and stroke limitation Dual function.
  • the part of the closure element 6, the nestles on the shaft 5, forms with his Bund 8 of the federal camp 3 facing section of the End face 10 a moving stroke stop element 11.
  • the remaining part of the end face 10 seals during the closing process on the inner casing 12 of the valve housing 1.
  • Inner jacket 12 and closure element 6 limit the Rotational movement of the shaft 5 together with the closure element 6 with the flap closed.
  • a mounting bracket 13 On the outer end face of the slide bearing 3 receiving Bearing bush 2, a mounting bracket 13 is arranged, the vacuum box 14 with the inside contained diaphragm and spring components.
  • the linkage 15 transmits the lifting movement of the membrane to the Crank arm 16.
  • the crank arm 16 converts the lifting movement the diaphragm into a rotary movement of the shaft 5.
  • the elliptical Closure element 6 In the flap position "closed” is the elliptical Closure element 6 on its outer circumference 10 only in the area of the large radius of the ellipse on the inner jacket 12 of the valve body. On the side flanks is a small compared to the two plain bearings 3, 4 axial play provided. The axial play is there smaller than the axial extent of the inclined control surfaces 19, 21 of the clamping elements 18, 20.
  • the throttle device illustrated in the drawing works as follows: With a corresponding The operating state of the engine is generated by the vacuum box 14 negative pressure applied to the membrane of Vacuum can exceeds the force of the return spring Force.
  • the closure element 6 lies in the top described manner on the inner casing 12 of the valve housing 1 on. The hatch is closed. Shut up open, the vacuum potential from the vacuum box 14 decoupled. The one contained in the vacuum box Return spring generates a force in the direction Linkage 15. The linkage turns the crank arm 16. The Wave 5 starts to spin.

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Abstract

Eine Drosselklappeneinheit für den Einsatz in der Abgasanlage eines Verbrennungsmotors umfaßt ein Klappengehäuse (1), eine darin um eine Achse (7) drehbar gelagerte Welle (5) mit einem Verschlußelement (6), eine Unterdruckdose (14) mit einer Membran sowie eine der Umsetzung der Hubbewegung der Membran in eine Drehbewegung der Welle (5) dienende Koppeleinrichtung, wobei eine die Drehbewegung (A) der Welle (5) in der Klappenstellung "offen" begrenzende Anschlageinrichtung vorgesehen ist. Dabei ist die Anschlageinrichtung als axial wirkende Klemmeinrichtung ausgeführt, die ein ruhendes Klemmelement (18), ein mit der Welle (5) drehbar bewegtes Klemmelement (20), ein axial ruhendes Hubanschlagelement (9) und ein mit der Welle (5) axial bewegtes Hubanschlagelement (11) umfaßt, wobei mindestens eines der beiden Klemmelemente (18, 20) eine zur Achse (7) geneigte Steuerfläche aufweist, an der in der Klappenstellung "offen" das jeweils andere Klemmelement anliegt, und wobei in der Klappenstellung "offen" das bewegte Hubanschlagelement (11) an dem ruhenden Hubanschlagelement (9) anliegt. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Drosselklappeneinheit für den Einsatz in der Abgasanlage eines Verbrennungsmotors, umfassend ein Klappengehäuse, eine darin um eine Achse drehbar gelagerte Welle mit einem Verschlußelement, eine Unterdruckdose mit einer Membran sowie eine der Umsetzung der Hubbewegung der Membran in eine Drehbewegung der Welle dienende Koppeleinrichtung, wobei eine die Drehbewegung der Welle in der Klappenstellung "offen" begrenzende Anschlageinrichtung vorgesehen ist.
Allgemein bekannt sind Drosselklappeneinheiten insbesondere aus dem Motorenbau. Hier ist das Hauptanwendungsgebiet für Drosselklappen die Regulierung der Verbrennungsluft bzw. des Kraftstoffluftgemisches. Die Temperatur des strömenden Mediums liegt dabei auf dem Niveau der Umgebungslufttemperatur von -20°C bis +40°C. Der Aufbau und die Funktionsweise der insoweit bekannten Drosselklappeneinheiten ist z. B. in DE 197 29 648 A1, DE 40 27 269 A1, DE 42 09 586 A1, DE 100 06 795 A1, DE 199 28 473 A1, DE 198 57 957 A1 und DE 43 13 454 A1 beschrieben.
Innerhalb eines Gehäuses befindet sich ein ebenes Verschlußelement, das auf einer das Gehäuse durchsetzenden drehbaren Welle angeordnet ist. Die Welle wird in Gleitlagern geführt. Die Stellkräfte werden von außen eingeleitet. Man verwendet dafür Unterdruckdosen oder elektrische Antriebe.
Zunehmend an Bedeutung gewinnen Drosselklappeneinheiten aber auch in Abgasanlagen von Verbrennungsmotoren. Sie kommen insbesondere in Verbindung mit Schalldämpfern mit variabler Dämpfungscharakteristik bzw. der variablen Gestaltung des Mündungsgeräusches zum Einsatz (vgl. E. Santiago u. A., Sonderdruck MTZ 53 (1992) Heft 7/8; Ch. Lüßgen u. A., System Partners 2000 S. 54 - 57). Aufgrund der hohen Temperaturen im Umfeld von Abgasanlagen verwendet man hier vorwiegend Klappen mit Unterdruckdose. Der von außen eingeleitete Unterdruck, der von dem jeweiligen Betriebszustand des Motors abhängt, wirkt auf eine Membran, die mit einem Gestänge verbunden ist. Es wird eine Hubbewegung erzeugt, wenn Unterdruck anliegt. Wenn kein Unterdruck anliegt erzeugt eine in der Unterdruckdose angeordnete Feder eine Rückstellkraft; die Membran geht in ihre Ausgangslage zurück (vgl. DE 197 29 648 A1). Die Hubbewegung des Gestänges wirkt über einen Kurbeltrieb auf die Welle und das Verschlußelement. Der Kurbeltrieb setzt die Hub- und Rückstellbewegung von Membran und Gestänge in eine Drehbewegung der Welle um. Die Unterdruckdose wird i.a. mittels einer Halterung bzw. eines Befestigungsbügels am Klappengehäuse angeordnet.
Die Begrenzung der Hubbewegung der Membran der Unterdruckdose erfolgt beim Schließvorgang in der Klappenstellung "geschlossen" durch das Anschlagen des Verschlußelementes an der Innenfläche des Klappengehäuses. Beim Öffnungsvorgang der Drosselklappe kann die Hubbegrenzung durch einen auf die Membran wirkenden Anschlag vorgegeben werden, oder sie erfolgt mittels eines Anschlages für den Kurbeltrieb.
Wie nachstehend im Detail erläutert wird, führt die hohe Temperatur, denen Drosselklappeneinheiten in den Abgasanlagen von Verbrennungsmotoren ausgesetzt sind, zu schwer beherrschbaren Problemen.
Funktions- und fertigungsbedingt bestehen bei Drosselklappeneinheiten der hier in Rede stehenden Art Toleranzen zwischen Gleitlager und Welle einerseits sowie dem Gestänge und dem Kurbeltrieb andererseits. Solange die Einsatzbedingungen der Drosselklappe in einem Temperaturfenster bis 200 °C liegen, können die Passungen zwischen Welle und Gleitlager, zwischen Verschlußelement und Klappengehäuse sowie zwischen Kurbelarm und Gestänge sehr eng bemessen sein. Die in den wartungsfreien Gleitlagern enthaltenen Schmiermittel werden über die Betriebszeit der Drosselklappe nicht verbraucht. Der Lagerverschleiß bleibt relativ gering. Ist das System beim Zusammenbau einmal aufeinander abgestimmt und justiert, verändert sich im anschließenden Betriebszustand wenig.
Die Temperatur der Abgase von Verbrennungsmotoren liegt indessen teilweise oberhalb 850 °C. Die hohen Temperaturen führen zur Wärmeausdehnung aller Bauteile. Damit verbunden sind Form-, Längen- und Lageänderungen, Veränderung der Abstände und Federspannungen. Eine Drosselklappeneinheit, die mit den üblichen Toleranzen bei einer Umgebungstemperatur von 20 °C montiert wird, verändert ihr Schaltverhalten gravierend mit solchermaßen steigenden Temperaturen. Häufig beißt und klemmt eine bei Umgebungstemperatur leichtgängig schließende Klappe bei solchen hohen Betriebstemperaturen und/oder schließt nicht mehr vollständig. Die Einsatzbedingungen von Klappen in Abgasanlagen erfordern daher wesentlich größere Toleranzen zwischen den Gleitpaarungen als auf Umgebungstemperaturniveau.
Dies führt allerdings zu einem weiteren Problemkreis. Denn bei entsprechend vergrößertem Spiel zwischen den einzelnen Bauteilen führt der Einsatz solcher Drosselklappeneinheiten in Fahrzeugen, wenn nicht besondere Maßnahmen dagegen ergriffen werden, infolge der unvermeidbaren Erschütterungen und Schwingungen zu nicht akzeptablen Klappergeräuschen.
Zur Vermeidung derartiger Klappergeräusche wurde in der DE 43 13 454 A1 vorgeschlagen, die Drosselklappenwelle mittels Federkraft gegen eine Axialwand des Gehäuses abzustützen und ein Federelement aus keramischem Werkstoff zu verwenden. Die Federkraft wirkt dabei in allen Klappenstellungen in Achsrichtung auf die Welle. Das führt beim Betätigen der Drosselklappenwelle zwangsläufig zu erhöhten Reibungen zwischen Welle und Feder einerseits und Drosselklappe und Gehäuse andererseits. Die zusätzlichen Reibkräfte müssen durch zusätzliche Stellkräfte überwunden werden. Das erfordert eine größere Unterdruckdose mit größerer Membranfläche und eine stärkere Feder zur Erzeugung der Rückstellkräfte.
In DE 197 29 335 wurde vorgeschlagen, daß die Gleitlager aus zwei Lagerschalen bestehen und jedes Lagerhalbschalenstück ein von einer Bandfeder gebildetes Gegenhalblager aufweist, deren Lagerschalenabschnitt unter der Vorspannkraft eines von der zweiten Gehäusehälfte beim Zusammenbau verformten Federschenkels besteht. Auch diese Lösung führt zur Erhöhung der Reibkräfte und der damit erforderlichen Stellkräfte.
Da übliche Gleitmittel zwischen den sich bewegenden Teilen oberhalb 550 °C verdampfen oder verbrennen, wird die Drehbewegung der Klappe auch aus diesem Grund schwergängig. Die Stellkräfte müßten auch aus diesem Grund vergrößert werden. Die zum Schalten der Klappen zur Verfügung stehenden Kräfte und Drehmomente in Personenkraftfahrzeugen sind jedoch bauraum- und massebedingt sehr begrenzt. Ferner ist bei den in der DE 197 29 335 A1 und der DE 43 13 454 A1 vorgeschlagenen Lösungen nachteilig, daß diese Einspannungen die Drehbewegung wesentlich behindern.
Mit den oben angeführten Lösungsansätzen ist das Geräuschproblem, nämlich das Klappern der bewegten Bauteile durch Schwingungsanregungen bei einer Heißgasanwendung somit nicht zu beheben. Der technische Widerspruch besteht in folgendem: Ein geringes Spiel zwischen bewegten Bauteilen vermindert zwar die Gefahr der Entstehung von Klappergeräuschen. Jedoch steigt die Gefahr des Festfressens bei hohen Betriebstemperaturen. Ein großes Spiel zwischen den bewegten Teilen wirkt dem Festfressen entgegen, führt aber zu Klappergeräuschen. Und federbeaufschlagte Reibeinrichtungen vergrößern die erforderlichen Stellkräfte in nicht vertretbarer Weise.
In Anbetracht der vorstehend dargelegten Problematik besteht die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung darin, eine Drosselklappeneinrichtung der eingangs angegebenen Art bereitzustellen, die sich bei hoher Betriebssicherheit (kein Verklemmen!) und geringen erforderlichen Stellkräften durch eine minimale Geräuschentwicklung auszeichnet.
Gelöst wird diese Aufgabenstellung durch eine Drosselklappeneinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Demgemäß zeichnet sich die erfindungsgemäße Drosselklappeneinrichtung dadurch aus, daß die Anschlageinrichtung als axial wirkende Klemmeinrichtung ausgeführt ist, die ein ruhendes Klemmelement, ein mit der Welle drehbar bewegtes Klemmelement, ein axial ruhendes Hubanschlagelement und ein mit der Welle axial bewegtes Hubanschlagelement umfaßt, wobei mindestens eines der beiden Klemmelemente eine zur Achse geneigte Steuerfläche aufweist, an der in der Klappenstellung "offen" das jeweils andere Klemmelement anliegt, und wobei in der Klappenstellung "offen" das bewegte Hubanschlagelement an dem ruhenden Hubanschlagelement anliegt. In der Klappenstellung "offen" berühren sich die beiden Klemmelemente im Bereich der geneigten Fläche eines der Elemente bzw. liegen mit zwei zueinander korrespondierend geneigten Flächen aneinander an. Durch die Neigung der mindestens einen zur Drehachse geneigten Steuerfläche wird am Ende der Öffnungsbewegung der Drosselklappe, wenn die beiden Klemmelemente aneinander anliegen, auf die bewegbare, die Welle und das Verschlußelement umfassende Einheit eine axial gerichtete Kraft ausgeübt. Diese Kraft wird aufgenommen von einer - ebenfalls axial wirkenden - Hubbegrenzungseinrichtung, welche ein ruhendes Hubanschlagelement und ein mit der Welle axial bewegtes Hubanschlagelement, welches sich bei der Klappenstellung "offen" an dem ruhenden Hubanschlagelement abstützt, umfaßt. Auf diese Weise wird die das Verschlußelement und die Welle umfassende Einheit bei geöffneter Drosselklappe festgeklemmt, d.h. dergestalt fixiert, daß sie innerhalb des Klappengehäuses keine zu Klappergeräuschen führenden Bewegungen ausführen kann. Es entstehen - als Folge der mechanischen Schwingungen der Abgasanlage oder der Pulsationen des Abgasstroms - weder Klappergeräusche zwischen Welle und Lager, noch zwischen Verschlußelement und Klappengehäuse. Zugleich sind bei der erfindungsgemäßen Drosselklappeneinheit ausreichend große Toleranzen zwischen den bewegten Bauteilen möglich, um die Fertigungstoleranzen und Verformungen infolge Temperaturänderung auszugleichen und auch bei nachlassender Schmierung die Bewegungen nicht zu behindern. Zum Betätigen der Klappe ist zudem nur eine sehr geringe Kraft erforderlich, was den engen Platzverhältnissen und den zur Verfügung stehenden begrenzten Betriebsmitteln in Fahrzeugen entgegenkommt. Es kommen keine zusätzlichen Federelemente, die eine Erhöhung der Reibkräfte zwischen Gleitlager und Welle und/oder Verschlußelement und Gehäuse verursachen und/oder die Bewegungsfreiheit der sich bewegenden Teile beeinträchtigen, zum Einsatz. Im geschlossenen Zustand der Klappe ist die Leckrate des Abgases ausreichend gering bemessen und gleichzeitig "akustische Dichtheit" gewährleistet.
Besonders bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Drosselklappeneinheit sind in den Unteransprüchen angegebenen und/oder der nachfolgenden Beschreibung entnehmbar.
Gemäß einer ersten bevorzugten Weiterbildung umfaßt die Koppeleinrichtung ein mit der Membran der Unterdruckdose verbundenes Gestänge und einen mit der Welle verbundenen Kurbelarm, wobei das drehbare Klemmelement Teil des Kurbelarms ist. Besonderer Vorteil dieser Weiterbildung ist der vergleichsweise geringe technische Aufwand, verglichen mit einer solchen Ausführung, bei der die Klemmeinrichtung funktional getrennt ist von der Koppeleinrichtung. Ebenfalls im Sinne einer technisch einfachen Realisierung kann dabei vorgesehen sein, daß das ruhende Klemmelement einem Befestigungsbügel zugeordnet ist, mittels dessen sich die Unterdruckdose an dem Klappengehäuse abstützt.
Besonders bevorzugt ist die Welle in dem Klappengehäuse mittels zweier Gleitlager gelagert. Diese können gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung aus einem Drahtgestrick gebildet sein. Dies ist besonders günstig im Hinblick auf die Gleiteigenschaften bei der hier maßgeblichen Anwendung der Drosselklappeneinheit in der Abgasanlage eines Verbrennungsmotors. Im Hinblick auf jene Gleitlager zeichnet sich eine andere bevorzugte Weiterbildung der Erfindung dadurch aus, das mindestens eines von ihnen als Bundgleitlager ausgeführt ist, das sich in Achsrichtung nach außen am Klappengehäuse abstützt. Der Bund des Bundgleitlagers kann geringfügig in das Innere des Klappengehäuses hineinragen und bildet das ruhende Hubanschlagelement. In diesem Falle ist das bewegte Hubanschlagelement besonders bevorzugt durch einen Bund oder einen Absatz der Welle gebildet.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind jedoch in entsprechender Weise zahlreiche andere Möglichkeiten, die beiden zusammenwirkenden Hubanschlagelemente auszuführen, denkbar. Beispielsweise kann das ruhende Hubanschlagelement durch das Klappengehäuse gebildet sein, an welchem in der Klappenstellung "offen" das Verschlußelement, welches in diesem Falle das bewegte Hubanschlagelement bildet, unter der von der Klemmeinrichtung bereitgestellten Klemmkraft anliegt.
Im Klappenzustand "geschlossen" liegt das Verschlußelement, sofern es gemäß einer bevorzugten Weiterbildung elliptisch ausgeführt ist, bevorzugt an seinem äußeren Umfang nur im Bereich der großen Halbmesser der Ellipse am Innenmantel des Gehäuses an. An den Seitenflanken ist ein Spiel vorgesehen. Dieses Spiel, das kleiner ist als die axiale Erstreckung der mindestens einen geneigten Fläche der Klemmelemente, wird für die (geringe) axiale Verschiebung der die Welle und das Verschlußelement umfassenden Einheit beim Klemmen am Ende der Öffnungsbewegung genutzt.
Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand eines in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1
eine Schnittdarstellung der Drosselklappeneinrichtung,
Fig. 2
ein Detail der Klemmeinrichtung in Klappenstellung "offen" in Ansicht schräg von außen,
Fig. 3
ein Detail der Klemmeinrichtung in Ansicht in Klappenstellung "offen" schräg von innen und
Fig. 4
ein Detail der Klemmeinrichtung in Ansicht in Klappenstellung "geschlossen" schräg von innen.
Die in der Zeichnung dargestellte Drosselklappeneinrichtung für den Einsatz in der Abgasanlage eines Verbrennungsmotors besitzt den folgenden grundsätzlichen Aufbau: Das Klappengehäuse 1 und die Lagerbuchsen 2 bilden die Träger für alle weiteren Baugruppen. In jede Lagerbuchse 2 ist ein als Bundgleitlager ausgebildetes Gleitlager 3, 4 eingesetzt. Die Gleitlager 3, 4 reichen in das Innere des Klappengehäuses 1 hinein und stützen sich in Achsrichtung nach außen ab. Die Gleitlager 3, 4 sind aus einem Drahtgestrick gefertigt. Das Drahtgestrick besitzt federnde Eigenschaften.
In den Gleitlagern 3, 4 ist die Welle 5, auf der ein Verschlußelement 6, teilweise die Welle 5 umschließend, angeordnet ist, um die Achse 7 drehbar (Pfeil A) gelagert. Ferner läßt sich die Welle 5 in den Gleitlagern 3, 4 in dem nachstehend näher beschriebenen Umfang auch axial verschieben (Pfeil B). Die Drehbewegungen A und die Hubbewegungen B werden, wie nachstehend erläutert, durch entsprechende Anschläge begrenzt.
Der Bund 8 des Gleitlagers 3 bildet ein ruhendes Hubanschlagelement 9. Das Verschlußelement 6 besitzt in bezug auf die Dreh- und Hubbegrenzung eine Doppelfunktion. Der Teil des Verschlußelementes 6, der sich an der Welle 5 anschmiegt, bildet mit seinem dem Bund 8 des Bundlagers 3 zugewandten Abschnitt der Stirnfläche 10 ein bewegtes Hubanschlagelement 11. Der übrige Teil der Stirnfläche 10 dichtet beim Schließvorgang an dem Innenmantel 12 des Klappengehäuses 1 ab. Innenmantel 12 und Verschlußelement 6 begrenzen die Drehbewegung der Welle 5 samt dem Verschlußelement 6 bei geschlossener Klappenstellung.
An der äußeren Stirnseite der das Gleitlager 3 aufnehmenden Lagerbuchse 2 ist ein Befestigungsbügel 13 angeordnet, der die Unterdruckdose 14 mit den im Inneren enthaltenen Bauteilen Membran und Feder trägt. Das Gestänge 15 überträgt die Hubbewegung der Membran auf den Kurbelarm 16. Der Kurbelarm 16 wandelt die Hubbewegung der Membran in eine Drehbewegung der Welle 5.
Am Befestigungsbügel 13 ist ein im Hinblick auf die Klappenstellung "offen" wirksames ruhendes Drehanschlagelement 17 angeordnet. Dieses ist als ruhendes Klemmelement 18 ausgeführt, indem es eine zur Achse 7 geneigte Steuerfläche 19 aufweist. Das Gegenstück als bewegtes Klemmelement 20 bildet der Kurbelarm 16, der an seiner Berührungsfläche mit dem ruhenden Klemmelement 18 ebenfalls eine zur Achse 7 geneigte Steuerfläche 21 aufweist. Das ruhende und das bewegte Klemmelement 18, 20 sind radial von der Drehachse 7 der Welle 5 beabstandet angeordnet.
Im Klappenzustand "offen" berühren sich die Klemmelemente 18 und 20 im Bereich ihrer geneigte Steuerflächen 19 und 21. Hierdurch wird auf die Welle 5 eine in axialer Richtung verlaufende Kraftkomponente ausgeübt, welche die Welle 5 samt des Verschlußelements 6 seitwärts (Pfeil B) verschiebt, bis die beiden Hubanschlagelemente 9 und 11 aneinander anliegen. Hierdurch wird die Welle 5 samt dem Verschlußelement 6 festgeklemmt, so daß in der Klappenstellung "offen" ein Klappern dieser Teile in dem Klappengehäuse unterbunden wird.
In der Klappenstellung "geschlossen" liegt das elliptische Verschlußelement 6 an seinem äußeren Umfang 10 nur im Bereich der großen Halbmesser der Ellipse am Innenmantel 12 des Klappengehäuses an. An den Seitenflanken ist gegenüber den beiden Gleitlagern 3, 4 ein geringes axiales Spiel vorgesehen. Das axiale Spiel ist dabei kleiner als die axiale Erstreckung der geneigten Steuerflächen 19, 21 der Klemmelemente 18, 20.
Die in der Zeichnung veranschaulichte Drosseleinrichtung funktioniert wie folgt: Beim einem entsprechenden Betriebszustand des Motors erzeugt der an der Unterdruckdose 14 anliegende Unterdruck auf die Membran der Unterdruckdose eine die Kraft der Rückstellfeder übersteigende Kraft. Das Verschlußelement 6 liegt in oben beschriebener Weise am Innenmantel 12 des Klappengehäuses 1 an. Die Klappe ist geschlossen. Soll die Klappe öffnen, wird das Unterdruckpotential von der Unterdruckdose 14 entkoppelt. Die in der Unterdruckdose enthaltene Rückstellfeder erzeugt eine Kraft in Richtung Gestänge 15. Das Gestänge dreht den Kurbelarm 16. Die Welle 5 beginnt sich zu drehen.
Trifft kurz vor dem Ende der Öffnungsbewegung des Verschlußelements 6 das bewegte Klemmelement 20 auf das ruhende Klemmelement 18, so gleitet mit dem Einsetzen der ersten Berührung der beiden Klemmelemente das bewegte Klemmelement auf der geneigten Steuerfläche 19 des ruhenden Klemmelements 18 und erzeugt zusätzlich zur Drehbewegung der Welle 5 eine axiale Bewegung. Die axiale Bewegung ist abgeschlossen, wenn das Spiel zwischen dem am Verschlußelement vorgesehenen bewegten Hubanschlagelement 11 und dem am Bund 8 des Gleitlagers 3 vorgesehenen ruhenden Hubanschlagelement 9 aufgehoben ist. Es entsteht eine kraftschlüssige Verbindung. Die Welle läßt sich nicht mehr bewegen.
Soll die Klappe wieder geschlossen werden, erzeugt der Unterdruck in der Unterdruckdose 14 eine Kraft, die größer als die Federkraft ist. Das Gestänge 15 erzeugt eine Zugkraft auf den Kurbelarm 16. Die vorstehend erläuterte kraftschlüssige Klemmverbindung wird aufgehoben. Beim Fortschreiten der Schließbewegung beginnt das Verschlußelement 6 den Gehäuseinnenmantel 12 auf der dem Kurbelarm benachbarten Seite zu berühren. Mit fortschreitender Drehbewegung erfolgt auch wieder eine Axialbewegung und damit eine Lageausrichtung für das Verschlußelement 6, d.h. eine Rückführung des Verschlußelements in seine mittige Lage. Das ursprüngliche Achsspiel ist wieder hergestellt. Das Verschlußelement liegt wieder in seiner dichtungsoptimierten Verschlußlage. Auch in dieser Endlage wird wieder eine kraftschlüssige Verbindung hergestellt.
Im offenen Zustand der Klappe wird der Strömungsweg freigegeben und das Abgas umströmt das Verschlußelement 6. Das strömende Abgas erzeugt auf das Verschlußelement 6 immer dann eine in Schließrichtung wirkende Kraft, wenn das Verschlußelement eine Zwischenstellung einnimmt.
Da in beiden Endlagen kraftschlüssige Verbindungen erzeugt werden und in den Phasen der Übergänge zwischen den Zuständen "geschlossen" und "offen" die Strömung eine zusätzliche Spannkraft erzeugt, ist ein Klappern einer erfindungsgemäß ausgeführten Drosselklappe ausgeschlossen. Gleichzeitig kann ein ausreichendes Spiel vorgegeben werden, um sowohl die Drehbewegung als auch den Lageausgleich des Verschlußelementes nicht zu behindern.

Claims (11)

  1. Drosselklappeneinheit für den Einsatz in der Abgasanlage eines Verbrennungsmotors, umfassend ein Klappengehäuse (1), eine darin um eine Achse (7) drehbar gelagerte Welle (5) mit einem Verschlußelement (6), eine Unterdruckdose (14) mit einer Membran sowie eine der Umsetzung der Hubbewegung der Membran in eine Drehbewegung der Welle (5) dienende Koppeleinrichtung, wobei eine die Drehbewegung (A) der Welle (5) in der Klappenstellung "offen" begrenzende Anschlageinrichtung vorgesehen ist,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlageinrichtung als axial wirkende Klemmeinrichtung ausgeführt ist, die ein ruhendes Klemmelement (18), ein mit der Welle (5) drehbar bewegtes Klemmelement (20), ein axial ruhendes Hubanschlagelement (9) und ein mit der Welle (5) axial bewegtes Hubanschlagelement (11) umfaßt, wobei mindestens eines der beiden Klemmelemente (18, 20) eine zur Achse (7) geneigte Steuerfläche (19, 21) aufweist, an der in der Klappenstellung "offen" das jeweils andere Klemmelement anliegt, und wobei in der Klappenstellung "offen" das bewegte Hubanschlagelement (11) an dem ruhenden Hubanschlagelement (9) anliegt.
  2. Drosselklappeneinheit nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Koppeleinrichtung ein mit der Membran der Unterdruckdose verbundenes Gestänge (15) und einen mit der Welle (5) verbundenen Kurbelarm (16) umfaßt, wobei das drehbare Klemmelement (20) Teil des Kurbelarms (16) ist.
  3. Drosselklappeneinheit nach Anspruch 1 oder Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß sowohl das ruhende (18) als auch das bewegte Klemmelement (20) eine zur Achse (7) geneigte Steuerfläche (19, 21) aufweisen.
  4. Drosselklappeneinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß das ruhende Klemmelement (18) einem Befestigungsbügel (13) zugeordnet ist, mittels dessen sich die Unterdruckdose (14) an dem Klappengehäuse (1) abstützt.
  5. Drosselklappeneinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (5) in dem Klappengehäuse (1) in zwei Gleitlagern (3, 4) gelagert ist, von denen mindestens eines als Bundgleitlager ausgeführt ist, wobei der Bund (8) des Bundgleitlagers das ruhende Hubanschlagelement (9) bildet.
  6. Drosselklappeneinheit nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß das bewegte Hubanschlagelement (11) durch einen Bund oder einen Absatz der Welle (5) gebildet ist.
  7. Drosselklappeneinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß das ruhende Hubanschlagelement (11) durch das Klappengehäuse (1) gebildet ist.
  8. Drosselklappeneinheit nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß das bewegte Hubanschlagelement (11) durch das Verschlußelement (6) gebildet ist.
  9. Drosselklappeneinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußelement (6) nahe der Achse (7) zylindrisch geformt ist und die Welle (5) in sich aufnimmt.
  10. Drosselklappeneinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (5) in dem Klappengehäuse (1) in zwei Gleitlagern (3, 4) gelagert ist, welche aus einem Drahtgestrick gebildet sind.
  11. Drosselklappeneinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußelement (6) in der Klappenstellung geschlossen nur in seinen von der Achse (7) entfernten Bereichen an der Innenwand (12) des Klappengehäuses (1) anliegt, während benachbart zur Achse zwischen dem Verschlußelement (6) und der Innenwand des Klappengehäuses (1) ein geringes Spiel besteht.
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