EP4643002A1 - Klappenvorrichtung für einen verbrennungsmotor - Google Patents

Klappenvorrichtung für einen verbrennungsmotor

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Publication number
EP4643002A1
EP4643002A1 EP23837243.7A EP23837243A EP4643002A1 EP 4643002 A1 EP4643002 A1 EP 4643002A1 EP 23837243 A EP23837243 A EP 23837243A EP 4643002 A1 EP4643002 A1 EP 4643002A1
Authority
EP
European Patent Office
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bearing element
flap
plain bearing
flow housing
flow
Prior art date
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Pending
Application number
EP23837243.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alpay CAPAN
Franz Dellen
Christian Antoni
Ahu VONAL
Hasan ÖZCAN
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.)
Pierburg GmbH
Original Assignee
Pierburg GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Pierburg GmbH filed Critical Pierburg GmbH
Publication of EP4643002A1 publication Critical patent/EP4643002A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16K1/16—Lift valves or globe valves, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces with pivoted closure-members
    • F16K1/18—Lift valves or globe valves, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces with pivoted closure-members with pivoted discs or flaps
    • F16K1/22—Lift valves or globe valves, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces with pivoted closure-members with pivoted discs or flaps with axis of rotation crossing the valve member, e.g. butterfly valves
    • F16K1/224—Details of bearings for the axis of rotation
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    • F16K11/00—Multiple-way valves, e.g. mixing valves; Pipe fittings incorporating such valves
    • F16K11/02—Multiple-way valves, e.g. mixing valves; Pipe fittings incorporating such valves with all movable sealing faces moving as one unit
    • F16K11/04—Multiple-way valves, e.g. mixing valves; Pipe fittings incorporating such valves with all movable sealing faces moving as one unit comprising only lift valves
    • F16K11/052—Multiple-way valves, e.g. mixing valves; Pipe fittings incorporating such valves with all movable sealing faces moving as one unit comprising only lift valves with pivoted closure members, e.g. butterfly valves
    • F16K11/0525—Multiple-way valves, e.g. mixing valves; Pipe fittings incorporating such valves with all movable sealing faces moving as one unit comprising only lift valves with pivoted closure members, e.g. butterfly valves the closure members being pivoted around an essentially central axis
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    • F16K27/00—Construction of housing; Use of materials therefor
    • F16K27/02—Construction of housing; Use of materials therefor of lift valves
    • F16K27/0209—Check valves or pivoted valves
    • F16K27/0218—Butterfly valves

Definitions

  • the invention relates to a flap device for an internal combustion engine, with a flow housing which delimits at least one flow channel, a flap shaft which is rotatably mounted on the flow housing via at least one plain bearing element, wherein the plain bearing element is fastened to the flow housing via a press connection between an outer peripheral surface of the plain bearing element and an inner peripheral surface of an opening formed on the flow housing, and at least one flap body which is mounted on the flap shaft and is arranged in the flow channel, wherein the flap body can be rotated together with the flap shaft about a longitudinal axis of the flap shaft between different positions.
  • flap devices are used, for example, as exhaust gas flaps or as exhaust gas recirculation valves in low-pressure or high-pressure exhaust gas circuits. It is also known to provide such flap devices in an air intake duct of an internal combustion engine, in particular as a throttle valve.
  • the flap device comprises an exhaust gas flow housing which delimits an exhaust gas flow channel.
  • a flap body is arranged in the exhaust gas flow channel and is attached to a flap shaft which is rotatably mounted on the exhaust gas flow housing and projects into the exhaust gas flow channel.
  • Two plain bearing elements are provided for the bearing, which are arranged in alignment with one another and on the opposite sides of the flap body. Such plain bearing elements are usually pressed into an opening in the flow housing, so that the plain bearing elements are attached to the flow housing via a press connection between an outer peripheral surface and an inner peripheral surface of the opening, ie by a press fit.
  • the disadvantage of fastening the plain bearing element to the flow housing d exclusively by means of the press connection is that there is a risk that the fixation of the plain bearing element cannot be reliably ensured in certain conditions.
  • the different thermal expansions of the flow housing and the plain bearing element caused by the different materials mean that when the flow housing and the plain bearing element are subjected to high thermal stress, in particular due to the hot gas flowing through the flow channel of the flow housing, the flow housing and/or the plain bearing element deform plastically.
  • the pressure that was set when the housing was new is canceled out by the shrinkage of the flow housing and the plain bearing element, so that the plain bearing element is no longer fixed to the flow housing.
  • a lack of axial securing of the plain bearing element on the flow housing leads to the plain bearing element moving axially back and forth and striking adjacent components, resulting in undesirable noise.
  • the task is therefore to provide a flap device for an internal combustion engine of a motor vehicle, in which the The plain bearing element can be reliably secured axially to the flow housing in a simple and cost-effective manner, in particular without additional components and without an additional assembly step, even under different thermal loads.
  • the plain bearing element pressed into the opening is held axially to the flow housing almost exclusively by the press connection.
  • the Plain bearing element and the flow housing in particular in the area of the plain bearing element, such that the plain bearing element and the flow housing expand due to the thermal loads and deform elastically and plastically.
  • the deformation in the area of the recess is such that the deformation creates a projection on the peripheral surface not having the recess, which projection engages in the recess.
  • the projection is formed exclusively by the plastic portion of the deformation, with the projection having such a radial extension that it engages in the recess.
  • the positive connection between the flow housing and the plain bearing element is automatically established by putting the flap device into operation, with the formation of the section or projection protruding into the recess taking place exclusively by the thermal load present during operation of the flap device and the resulting thermal expansion of the flow housing and the plain bearing element.
  • the plain bearing element can be fixed to the flow housing reliably and under different thermal loads of the flow housing and the plain bearing element, whereby no additional components or additional assembly steps are required.
  • the recess is a circumferential groove.
  • the groove which runs 360°, enables the plain bearing element to be fixed axially to the flow housing evenly over the entire circumference. This allows the plain bearing element to be reliably fastened to the flow housing in a form-fitting manner in the axial direction of the flap shaft, whereby the production of the groove is simple and cost-effective, in particular during the manufacturing process of the plain bearing element or during mechanical post-processing of the plain bearing element.
  • the flow housing has a larger coefficient of thermal expansion than the plain bearing element.
  • the flow housing is made from a metallic cast material and the plain bearing element is made from a sintered material.
  • the recess has a width of several millimeters.
  • the projection created by the plastic deformation therefore also has a width of several millimeters.
  • the plain bearing element and/or the peripheral surface of the opening of the flow housing therefore has a macroscopic recess.
  • a first flap body and a second flap body are attached to the flap shaft, the first flap body being arranged in a first flow channel delimited by the flow housing and the second flap body being arranged in a second flow channel delimited by the flow housing, the flap body having a first sliding bearing element arranged at a first axial end, a second sliding bearing element arranged at a second axial end and a third sliding bearing element arranged between the two flap bodies, the third sliding bearing element having the recess. Due to the arrangement of the third plain bearing element in a through-opening between the two flow channels, the third plain bearing element is subjected to particularly high thermal stress, so that the risk of the press connection between the third plain bearing element and the flow housing coming loose is particularly high. The positive connection can reliably prevent axial displacement of the third plain bearing element when cooled.
  • the flow channel is an exhaust gas flow channel, wherein the exhaust gas has a temperature of several 100°C and the plain bearing element and the flow housing are exposed to a relatively high thermal load.
  • a hot gas flows through the flow channel of the flow housing, the flow housing and the sliding bearing element expanding based on the corresponding thermal expansion coefficients in such a way that a section of one circumferential surface in the region of the recess of the other circumferential surface penetrates into the recess and plastically deforms into a projection, wherein in the cooled state of the sliding bearing element and the flow housing, the sliding bearing element is axially positively fastened to the flow housing by an engagement of the projection in the recess.
  • This provides a flap device for an internal combustion engine in which the plain bearing element is reliable and different thermal loads on the flow housing and the plain bearing element can be fixed to the flow housing without the need for additional components or additional assembly steps.
  • Figure 1 shows a sectional view of a flap device according to the invention
  • Figures 2a, 2b and 2c show a temporal sequence of the operation of the flap device from Figure 1.
  • the figure shows a flap device 10 for an internal combustion engine of a motor vehicle, wherein the flap device 10 is designed as an exhaust flap device and serves, for example, as an exhaust gas flap or as an exhaust gas recirculation valve.
  • the flap device 10 comprises a flow housing 12, which delimits a first flow channel 14 and a second flow channel 16.
  • the flow housing 12 is made of a metallic material, in particular in one piece and from a cast material.
  • the flap device 10 further comprises a flap shaft 18 which is rotatably mounted on the flow housing 12 and to which two flap bodies 20, 22 are attached, wherein a first flap body 20 is arranged in the first flow channel 14 and the second flap body 22 is arranged in the second flow channel 16.
  • the flap shaft 18 is made in one piece and extends through the two Flow channels 14, 16, the flow housing 12 having an opening 30 in the form of a through-opening between the two flow channels 14, 16, a blind hole opening 34 on a side of the second flow channel 16 facing away from the first flow channel 14, and a through-opening 32 on a side of the first flow channel 14 facing away from the second flow channel 16.
  • the flap shaft 18 is mounted axially on the one hand and radially on the other hand, i.e. rotatably, on the flow housing 12.
  • a radial bearing 40, 42, 44 in the form of a plain bearing element 41, 43, 45 is provided in the opening 30, in the blind hole opening 34 and in the through opening 32.
  • a first plain bearing element 43, a second plain bearing element 45 and a third plain bearing element 41 are designed as sleeves and made of a sintered material.
  • the sleeve-like plain bearing elements 41, 43, 45 are each attached to the flow housing 12 via a press connection, with the plain bearing elements 41, 43, 45 being pressed into the respective opening 30, 32, 34 during assembly.
  • the axial bearing is provided by an axial bearing 50, which has a bearing element 52, a counter-bearing element 54 and a ceramic element 56.
  • the bearing element 52 is arranged within the through-opening 32 and fastened to the flow housing 12.
  • the bearing element 52 has a circular cross-section and is pressed into the flow housing 12 via an outer peripheral surface, so that the bearing element 52 is fixedly arranged on the flow housing 12 at least in the axial direction.
  • the counter-bearing element 54 is fastened to the flap shaft 18, for example via a press connection.
  • the ceramic element 56 is arranged between the bearing element 52 and the counter-bearing element 54 and is fastened to a side of the counter-bearing element 54 facing the bearing element 52.
  • the ceramic element 56 has a conical contact surface 58, which in the finally assembled state rests against a complementary, conical counter-contact surface 60 of the bearing element 52. Due to the conical design of the contact surfaces 58, 60, the contact area can be increased and thus the sealing can be improved.
  • a spring receiving element 70 is attached to the protruding section of the flap shaft 18, with a spring element 72 being pre-tensioned between the spring receiving element 70 and the flow housing 12.
  • the spring element 72 causes such a load on the flap shaft 18 that the counter bearing element 54 is loaded in the direction of the bearing element 52 of the axial bearing 50.
  • the flap device 10 is new, i.e. after initial assembly, there is such a high surface pressure between the outer peripheral surface 46, 47, 48 of the plain bearing elements 41, 43, 45 and the corresponding peripheral surface 31, 33, 35 of the openings 30, 32, 34 that the plain bearing elements 41, 43, 45 are fixed radially, axially and tangentially to the flow housing 12.
  • the flow channels 14, 16 are flowed through by an exhaust gas which has a temperature of several 100°C. Due to the high temperatures of the exhaust gas, the plain bearing elements 41, 43, 45 and the flow housing 12 heat up and expand in accordance with their thermal expansion coefficient.
  • the third plain bearing element 41 arranged in the opening 30 and the area of the flow housing 12 around the third plain bearing element 41 are subjected to the greatest thermal stress. Due to the thermal expansion of the third plain bearing element 41 and the flow housing 12 in particular, the surface pressure between the outer circumferential surface 46 of the third plain bearing element 41 and the circumferential surface 31 of the opening 30 increases such that the third plain bearing element 41 and the flow housing 12 plastically deform in the area of the opening 30.
  • a macroscopic recess 80 in the form of a groove is provided on the outer peripheral surface 46 of the third plain bearing element 41.
  • the recess 80 ensures that during the thermal caused expansion of the third plain bearing element 41 and the flow housing 12 and the resulting plastic deformation of the plain bearing element 41 and the flow housing 12, a section 82 of the flow housing 12 penetrates into the recess 80.
  • the section 82 penetrating into the recess 80 and still present in the cooled state is created by a plastic deformation and forms a projection 84, which is retained even in the cooled state of the flow housing 12 and engages in the recess 80.
  • the projection 84 has a radial extension a when there is thermal expansion of the plain bearing element 41 and the flow housing 12, which is made up of an elastic and a plastic component. In the cooled state, only the plastic part of the deformation is retained, so that the projection 84 has a radial extent b which is less than the radial extent a.
  • the radial extent b of the projection 84 created by the plastic deformation is so high in the cooled state of the flow housing 12 and the plain bearing element 41 that the projection 84 rests over a section d with the side surfaces 86, 88 on the side surfaces 90, 92 of the recess 80.
  • the projection 84 and the recess 80 thus form a positive connection between the third plain bearing element 41 and the flow housing 12 in the axial direction, the positive connection being established automatically by the commissioning of the flap device 10, i.e. by the exhaust gas flowing through the flow channels 14, 16, and no additional components are required for this.
  • the manufacture of the projection 84 is shown in Figures 2a, 2b and 2c, whereby Figure 2a shows the new state and the plain bearing element 41 is merely pressed into the opening 30.
  • the new state is also shown in Figure 1.
  • Figure 2b shows a state in which the flow channels 14, 16 are flowed through with the exhaust gas and thereby the third plain bearing element 41 and the flow housing 12 in the area of the third plain bearing element 41 have expanded due to thermal conditions.
  • Figure 3c shows the cooled state after the thermal expansion of the plain bearing element 41 and the flow housing 12.
  • the scope of protection of the main claim is not limited to the described embodiment, but various modifications are possible.
  • the other plain bearing elements 43, 45 can also be provided with a recess.
  • the recess could also be formed on the peripheral surface 31 of the opening 30.

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Abstract

Klappenvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, mit einem Strömungsgehäuse (12), welches mindestens einen Strömungskanal (14, 16) begrenzt, einer Klappenwelle (18), welche über mindestens ein Gleitlagerelement am Strömungsgehäuse (12) drehbar gelagert ist, wobei das Gleitlagerelement über eine Pressverbindung zwischen einer äußeren Umfangsfläche des Gleitlagerelements und einer inneren Umfangsfläche einer am Strömungsgehäuse ausgebildeten Öffnung am Strömungsgehäuse (12) befestigt ist, und mindestens einem Klappenkörper (20, 22), welcher an der Klappenwelle (18) gelagert ist und im Strömungskanal (14, 16) angeordnet ist, wobei der Klappenkörper (20, 22) gemeinsam mit der Klappenwelle (18) um eine Längsachse (24) der Klappenwelle (18) zwischen unterschiedlichen Stellungen verdrehbar ist, wobei an der äußeren Umfangsfläche (46) des Gleitlagerelements (41) und/oder an der inneren Umfangsfläche (31) der Öffnung (30) eine Aussparung (80) vorgesehen ist, wobei bei einer Durchströmung des Strömungskanals (14, 16) mit einem heißen Gas die Flächenpressung zwischen der äußeren Umfangsfläche (46) des Gleitlagerelements (41) und der inneren Umfangsfläche (31) der am Strömungsgehäuse vorgesehenen Öffnung (30) aufgrund der Wärmedehnung des Gleichlagerelements (41) und der Wärmedehnung des Strömungsgehäuses (12) derart ansteigt, dass ein Abschnitt (82) der einen Umfangsfläche (31, 46) im Bereich der an der anderen Umfangsfläche (31, 46) vorgesehenen Aussparung (80) in die Aussparung (80) eindringt und sich zu einem Vorsprung (84) plastisch verformt, wobei im abgekühlten Zustand des Gleitlagerelements (41) und des Strömungsgehäuses (12) das Gleichlagerelement (41) in Axialrichtung formschlüssig durch den in die Aussparung (80) hineinragenden Vorsprung (84) gehalten ist.

Description

B E S C H R E I B U N G
Klappenvorrichtung für einen Verbrennungsmotor
Die Erfindung betrifft eine Klappenvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, mit einem Strömungsgehäuse, welches mindestens einen Strömungskanal begrenzt, einer Klappenwelle, welche über mindestens ein Gleitlagerelement am Strömungsgehäuse drehbar gelagert ist, wobei das Gleitlagerelement über eine Pressverbindung zwischen einer äußeren Umfangsfläche des Gleitlagerelements und einer inneren Umfangsfläche einer am Strömungsgehäuse ausgebildeten Öffnung am Strömungsgehäuse befestigt ist, und mindestens einem Klappenkörper, welcher an der Klappenwelle gelagert ist und im Strömungskanal angeordnet ist, wobei der Klappenkörper gemeinsam mit der Klappenwelle um eine Längsachse der Klappenwelle zwischen unterschiedlichen Stellungen verdrehbar ist.
Derartige Klappenvorrichtungen werden beispielsweise als Abgasstauklappen oder als Abgasrückführventile in Niederdruck- oder Hochdruckabgaskreisläufen eingesetzt. Auch ist es bekannt, derartige Klappenvorrichtungen in einem Luftansaugkanal eines Verbrennungsmotors, insbesondere als Drosselklappe, vorzusehen.
Eine derartige Klappenvorrichtung offenbart beispielsweise die WO 2017/182233 Al. Die Klappenvorrichtung umfasst ein Abgasströmungsgehäuse, welches einen Abgasströmungskanal begrenzt. In dem Abgasströmungskanal ist ein Klappenkörper angeordnet, welcher an einer drehbar an dem Abgasströmungsgehäuse gelagerten und in den Abgasströmungskanal ragenden Klappenwelle befestigt ist. Zur drehbaren Lagerung sind zwei Gleitlagerelemente vorgesehen, welche fluchtend zueinander und an den entgegengesetzten Seiten des Klappenkörpers angeordnet sind. Derartige Gleitlagerelemente werden üblicherweise in jeweils eine Öffnung des Strömungsgehäuses eingepresst, so dass die Gleitlagerelemente über eine Pressverbindung zwischen einer äußeren Umfangsfläche und einer inneren Umfangsfläche der Öffnung, d.h. durch einen Presssitz, am Strömungsgehäuse befestigt sind.
Nachteilig an der ausschließlich durch die Pressverbindung ausgeführten Befestigung des Gleitlagerelements am Strömungsgehäuse d ist, dass die Gefahr besteht, dass die Fixierung des Gleitlagerelements in bestimmten Zuständen nicht zuverlässig gewährleistet werden kann. Die unterschiedlichen, durch die unterschiedlichen Werkstoffe verursachten Wärmedehnungen des Strömungsgehäuses und des Gleitlagerelements führen dazu, dass bei einer hohen thermischen Belastung des Strömungsgehäuses und des Gleitlagerelements, insbesondere durch das durch den Strömungskanal des Strömungsgehäuses strömenden, heißen Gases, sich das Strömungsgehäuse und/oder das Gleitlagerelement plastisch verformen. Bei einer anschließenden geringen thermischen Belastung des Strömungsgehäuses und des Gleitlagerelements ist die im Neuzustand eingestellte Pressung durch die Schrumpfung des Strömungsgehäuses und des Gleitlagerelements aufgehoben, so dass eine Fixierung des Gleitlagerelements am Strömungsgehäuse nicht mehr vorliegt. Insbesondere eine fehlende axiale Sicherung des Gleitlagerelements am Strömungsgehäuse führt dazu, dass das Gleitlagerelement sich axial hin- und herbewegt und dabei an benachbarten Komponenten anschlägt, woraus unerwünschte Geräusche resultieren.
Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Klappenvorrichtung für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, bei welchem das Gleitlagerelement auf eine einfache und kostengünstige Weise, insbesondere ohne zusätzliche Komponenten und ohne einen zusätzlichen Montageschritt, auch bei unterschiedlichen thermischen Belastungen zuverlässig axial am Strömungsgehäuse gesichert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Klappenvorrichtung für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Zur axialen Fixierung des Gleitlagerelements ist an der äußeren Umfangsfläche des Gleitlagerelements und/oder an der inneren Umfangsfläche der Öffnung eine Aussparung vorgesehen, wobei bei einer Durchströmung des Strömungskanals mit einem heißen Gas die Flächenpressung zwischen der äußeren Umfangsfläche des Gleitlagerelements und der inneren Umfangsfläche der am Strömungsgehäuse vorgesehenen Öffnung durch die Wärmedehnung des Gleichlagerelements und die Wärmedehnung des Strömungsgehäuses derart ansteigt, dass ein Abschnitt der einen Umfangsfläche im Bereich der Aussparung der andere Umfangsfläche in die Aussparung eindringt und sich plastisch verformt, wobei im abgekühlten Zustand des Gleitlagerelements und des Strömungsgehäuses der ausgebildete Vorsprung, d.h. der plastisch verformte Anteil, erhalten bleibt und das Gleichlagerelement in Axialrichtung formschlüssig durch den plastisch verformten und in die Aussparung hineinragenden Abschnitt gehalten wird.
Im Neuzustand der Klappenvorrichtung wird das in die Öffnung eingepresste Gleitlagerelement nahezu ausschließlich durch die Pressverbindung axial am Strömungsgehäuse gehalten. Bei einer erstmaligen Durchströmung des Strömungskanals des Strömungsgehäuses mit einem heißen Gas, insbesondere bei einem erstmaligen Betrieb der Klappenvorrichtung, erwärmen sich das Gleitlagerelement und das Strömungsgehäuse, insbesondere im Bereich des Gleitlagerelements, derart, dass sich das Gleitlagerelement und das Strömungsgehäuse aufgrund der thermischen Belastungen ausdehnen und sich elastisch sowie plastisch verformen. Die Verformung im Bereich der Aussparung ist derart, dass an der die Aussparung nicht aufweisenden Umfangsfläche durch die Verformung ein Vorsprung entsteht, welcher in die Aussparung eingreift. Im abgekühlten Zustand ist der Vorsprung ausschließlich durch den plastischen Anteil der Verformung gebildet, wobei der Vorsprung dabei eine derartige Radialerstreckung aufweist, dass dieser in die Aussparung eingreift. In anderen Worten ausgedrückt, die Formschlussverbindung zwischen dem Strömungsgehäuse und dem Gleitlagerelement wird automatisch durch die Inbetriebnahme der Klappenvorrichtung hergestellt, wobei die Formung des in die Aussparung ragenden Abschnitts bzw. Vorsprungs ausschließlich durch die im Betrieb der Klappenvorrichtung vorliegenden, thermischen Belastung und die daraus resultierende Wärmedehnung des Strömungsgehäuses und des Gleitlagerelements erfolgt.
Auf diese Weise kann das Gleitlagerelement zuverlässig und bei unterschiedlichen thermischen Belastungen des Strömungsgehäuses und des Gleitlagerelements am Strömungsgehäuse fixiert werden, wobei keine zusätzlichen Komponenten oder zusätzlichen Montageschritte erforderlich sind.
Vorzugsweise ist die Aussparung eine umlaufende Nut. Durch die über 360° umlaufende Nut kann das Gleitlagerelement über den gesamten Umfang gleichmäßig am Strömungsgehäuse axial fixiert werden. Dadurch kann das Gleitlagerelement zuverlässig am Strömungsgehäuse formschlüssig in Axialrichtung der Klappenwelle befestigt werden, wobei die Herstellung der Nut einfach und kostengünstig, insbesondere bereits beim Herstellungsprozess des Gleitlagerelements oder bei einer mechanischen Nachbearbeitung des Gleitlagerelements, erfolgen kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Strömungsgehäuse einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Gleitlagerelement auf. Insbesondere in diesem Fall besteht die Gefahr, dass im abgekühlten Zustand die Pressverbindung zwischen dem Strömungsgehäuse und dem Gleitlagerelement aufgehoben wird und daraus unerwünschte Geräusche durch das axial Verlagern des Gleitlagerelements resultieren. Durch die zusätzliche formschlüssige Verbindung in Axialrichtung zwischen dem Gleitlagerelement und dem Strömungsgehäuse kann dies zuverlässig verhindert werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Strömungsgehäuse aus einem metallischen Gusswerkstoff hergestellt und das Gleitlagerelement ist aus einem Sinterwerkstoff hergestellt.
Vorzugsweise weist die Aussparung eine Breite von mehreren Millimetern auf. Der durch die plastische Verformung entstehende Vorsprung weist damit auch eine Breite von mehreren Millimetern auf. Damit weist das Gleitlagerelement und/oder die Umfangsfläche der Öffnung des Strömungsgehäuses eine makroskopische Aussparung auf.
Vorzugsweise sind an der Klappenwelle ein erster Klappenkörper und ein zweiter Klappenkörper befestigt, wobei der erste Klappenkörper in einem ersten, durch das Strömungsgehäuse begrenzten Strömungskanal angeordnet ist und der zweite Klappenkörper in einem zweiten, durch das Strömungsgehäuse begrenzten Strömungskanal angeordnet ist, wobei der Klappenkörper ein erstes, an einem ersten Axialende angeordnetes Gleitlagerelement, ein zweites an einem zweiten Axialende angeordnetes Gleitlagerelement und ein drittes zwischen den beiden Klappenkörpern angeordnetes, drittes Gleitlagerelement aufweist, wobei das dritte Gleitlagerelement die Aussparung aufweist. Durch die Anordnung des dritten Gleitlagerelements in einer Durchgangsöffnung zwischen den beiden Strömungskanälen ist das dritte Gleitlagerelement besonders stark thermisch beansprucht, so dass an dem dritten Gleitlagerelement die Gefahr besonders hoch ist, dass die Pressverbindung zwischen dem dritten Gleitlagerelement und dem Strömungsgehäuse gelöst wird. Durch die formschlüssige Verbindung kann eine axiale Verlagerung des dritten Gleitlagerelements im abgekühlten Zustand zuverlässig verhindert werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Strömungskanal ein Abgasströmungskanal, wobei das Abgas eine Temperatur von mehreren 100 C° aufweist und das Gleitlagerelement sowie das Strömungsgehäuse einer relativ hohen thermischen Belastung ausgesetzt sind.
Die Aufgabe wird außerdem durch ein Verfahren zur Montage eines Gleitlagerelements einer Klappenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 gelöst, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Einpressen des Gleitlagerelements in eine Öffnung eines Strömungsgehäuses,
Durchströmung des Strömungskanals des Strömungsgehäuses mit einem heißen Gas, wobei sich das Strömungsgehäuse und das Gleitlagerelement basierend auf den entsprechenden Wärmeausdehnungskoeffizienten derart ausdehnen, dass ein Abschnitt der einen Umfangsfläche im Bereich der Aussparung der anderen Umfangsfläche in die Aussparung eindringt und sich plastisch zu einem Vorsprung verformt, wobei im abgekühlten Zustand des Gleitlagerelements und des Strömungsgehäuses das Gleitlagerelement durch einen Eingriff des Vorsprungs in die Aussparung axial formschlüssig an dem Strömungsgehäuse befestigt ist.
Damit wird eine Klappenvorrichtung für einen Verbrennungsmotor bereitgestellt, bei welcher das Gleitlagerelement zuverlässig und bei unterschiedlichen thermischen Belastungen des Strömungsgehäuses und des Gleitlagerelements am Strömungsgehäuse fixiert werden kann, ohne dass dazu zusätzliche Komponenten oder zusätzliche Montageschritte erforderlich sind.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Klappenvorrichtung für einen Verbrennungsmotor ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
Figur 1 zeigt eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Klappenvorrichtung, und
Figuren 2a, 2b und 2c zeigen einen zeitlichen Ablauf des Betriebs der Klappenvorrichtung aus Figur 1.
Die Figur zeigt eine Klappenvorrichtung 10 für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs, wobei die Klappenvorrichtung 10 als Abgasklappenvorrichtung ausgeführt ist und beispielsweise als Abgasstauklappe oder als Abgasrückführventil dient.
Die Klappenvorrichtung 10 umfasst ein Strömungsgehäuse 12, welches einen ersten Strömungskanal 14 und einen zweiten Strömungskanal 16 begrenzt. Das Strömungsgehäuse 12 ist aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere einstückig und aus einem Gusswerkstoff, hergestellt.
Die Klappenvorrichtung 10 weist weiterhin eine am Strömungsgehäuse 12 drehbar gelagerte Klappenwelle 18 auf, an welcher zwei Klappenkörper 20, 22 befestigt sind, wobei ein erster Klappenkörper 20 in dem ersten Strömungskanal 14 angeordnet ist und der zweite Klappenkörper 22 in dem zweiten Strömungskanal 16 angeordnet ist. Die Klappenwelle 18 ist einstückig ausgeführt und erstreckt sich durch die beiden Strömungskanäle 14, 16, wobei das Strömungsgehäuse 12 hierbei zwischen den beiden Strömungskanälen 14, 16 eine Öffnung 30 in Form einer Durchgangsöffnung, an einer dem ersten Strömungskanal 14 abgewandten Seite des zweiten Strömungskanals 16 eine Sacklochöffnung 34 und an einer dem zweiten Strömungskanal 16 abgewandten Seite des ersten Strömungskanals 14 eine Durchgangsöffnung 32 aufweist. Die Klappenwelle 18 ragt aus der Durchgangsöffnung 32 aus dem Strömungsgehäuse 12 heraus, wobei an dem herausragenden Abschnitt der Klappenwelle 18 ein in der Figur nicht gezeigter Aktor angreift, durch welchen die Klappenwelle 18 und die Klappenkörper 20, 22 zwischen unterschiedlichen Stellungen verdreht werden können. Durch die Verstellung der Klappenwelle 18 und der Klappenkörper 20, 22 können die durch den jeweiligen Klappenkörper 20, 22 und eine Innenumfangsfläche der Strömungskanäle 14, 16 definierter Durchströmungsquerschnitt verändert werden, wobei durch die Befestigung der Klappenkörper 20, 22 an einer einzigen Klappenwelle 18 die Verstellung des Durchströmungsquerschnitts in beiden Strömungskanälen 14, 16 zwingenderweise gleichzeitig erfolgt.
Die Klappenwelle 18 ist einerseits axial und andererseits radial, d.h. drehbar, an dem Strömungsgehäuse 12 gelagert.
Für die radiale Lagerung der Klappenwelle 18 sind in der Öffnung 30, in der Sacklochöffnung 34 und in der Durchgangsöffnung 32 jeweils ein Radiallager 40, 42, 44 in Form eines Gleitlagerelements 41, 43, 45 vorgesehen. Ein erstes Gleitlagerelement 43, ein zweites Gleitlagerelement 45 und ein drittes Gleitlagerelement 41 sind hülsenartig ausgeführt und aus einem Sinterwerkstoff hergestellt. Die hülsenartigen Gleitlagerelemente 41, 43, 45 sind über jeweils eine Pressverbindung am Strömungsgehäuse 12 befestigt, wobei die Gleitlagerelemente 41, 43, 45 bei der Montage in die jeweilige Öffnung 30, 32, 34 derart eingepresst werden, dass im montierten Zustand zwischen den Außenumfangsflächen 46, 47, 48 der Gleitlagerelemente 41, 43, 45 und der Innenumfangsflächen 31, 33, 35 der Öffnungen 30, 32, 34 jeweils eine Flächenpressung vorliegt und die Gleitlagerelemente 41, 43, 45 axial, radial und tangential, d.h. in Umfangsrichtung, am Strömungsgehäuse 12 befestigt sind.
Die axiale Lagerung erfolgt durch ein Axiallager 50, welches ein Lagerelement 52, ein Gegenlagerelement 54 und ein Keramikelement 56 aufweist. Das Lagerelement 52 ist innerhalb der Durchgangsöffnung 32 angeordnet und am Strömungsgehäuse 12 befestigt. Das Lagerelement 52 weist einen kreisringförmigen Querschnitt auf und ist über eine Außenumfangsfläche in das Strömungsgehäuse 12 eingepresst, so dass das Lagerelement 52 am Strömungsgehäuse 12 zumindest in Axialrichtung fest angeordnet ist. Das Gegenlagerelement 54 ist an der Klappenwelle 18 befestigt, beispielsweise über eine Pressverbindung. Das Keramikelement 56 ist zwischen dem Lagerelement 52 und dem Gegenlagerelement 54 angeordnet und an einer dem Lagerelement 52 zugewandten Seite des Gegenlagerelements 54 befestigt. Das Keramikelement 56 weist eine konische Anlagefläche 58 auf, welche im endmontierten Zustand an einer dazu komplementären, konischen Gegenanlagefläche 60 des Lagerelements 52 anliegt. Durch die konische Ausführung der Anlageflächen 58, 60 kann die sich berührende Fläche vergrößert werden und dadurch die Abdichtung verbessert werden.
An dem herausragenden Abschnitt der Klappenwelle 18 ist ein Federaufnahmeelement 70 befestigt, wobei zwischen dem Federaufnahmeelement 70 und dem Strömungsgehäuse 12 ein Federelement 72 vorgespannt angeordnet ist. Das Federelement 72 bewirkt eine derartige Belastung auf die Klappenwelle 18, dass das Gegenlagerelement 54 in Richtung des Lagerelements 52 des Axiallagers 50 belastet wird. Im Neuzustand der Klappenvorrichtung 10, d.h. im Zustand nach der Erstmontage, liegt zwischen der Außenumfangsfläche 46, 47, 48 der Gleitlagerelemente 41, 43, 45 und der entsprechenden Umfangsfläche 31, 33, 35 der Öffnungen 30, 32, 34 eine derart hohe Flächenpressung vor, dass die Gleitlagerelemente 41, 43, 45 radial, axial und tangential fest am Strömungsgehäuse 12 angeordnet sind. Im Betrieb der Klappenvorrichtung 10 werden die Strömungskanäle 14, 16 mit einem Abgas durchströmt, welcher eine Temperatur von mehreren 100 C° aufweist. Durch die hohen Temperaturen des Abgases erwärmen sich die Gleitlagerelemente 41, 43, 45 und das Strömungsgehäuse 12 und dehnen sich entsprechend ihres Wärmeausdehnungskoeffizienten aus. Das in der Öffnung 30 angeordnete, dritte Gleitlagerelement 41 und der Bereich des Strömungsgehäuses 12 um das dritte Gleitlagerelement 41 sind thermisch am stärksten belastet. Durch die thermische Ausdehnung insbesondere des dritten Gleitlagerelements 41 und des Strömungsgehäuses 12 steigt die Flächenpressung zwischen der Außenumfangsfläche 46 des dritten Gleitlagerelements 41 und der Umfangsfläche 31 der Öffnung 30 derart an, dass das dritte Gleitlagerelement 41 und das Strömungsgehäuse 12 im Bereich der Öffnung 30 sich plastisch verformen. Durch die plastische Verformung liegt im abgekühlten Zustand des dritten Gleitlagerelements 41 und des Strömungsgehäuses 12 ein Radialspalt 49 zwischen der Außenumfangsfläche 46 des dritten Gleitlagerelements 41 und der Umfangsfläche 31 der Öffnung 30 vor, wodurch die Flächenpressung zumindest im abgekühlten Zustand aufgehoben ist und eine Fixierung des dritten Gleitlagerelements 41 am Strömungsgehäuse 12 nicht mehr gegeben ist.
Erfindungsgemäß ist an der Außenumfangsfläche 46 des dritten Gleitlagerelements 41 eine makroskopische Aussparung 80 in Form einer Nut vorgesehen. Die Aussparung 80 bewirkt, dass bei der thermisch bedingten Ausdehnung des dritten Gleitlagerelements 41 und des Strömungsgehäuses 12 und die dadurch verursachte plastische Verformung des Gleitlagerelements 41 und des Strömungsgehäuses 12 ein Abschnitt 82 des Strömungsgehäuses 12 in die Aussparung 80 eindringt. Der in die Aussparung 80 eindringende und im abgekühlten Zustand auch noch vorliegende Abschnitt 82 entsteht durch eine plastische Verformung und bildet einen Vorsprung 84, welcher auch im abgekühlten Zustand des Strömungsgehäuses 12 erhalten bleibt und in die Aussparung 80 eingreift. Hierbei weist der Vorsprung 84 bei einer vorliegenden thermischen Ausdehnung des Gleitlagerelements 41 und des Strömungsgehäuses 12 eine Radialerstreckung a auf, welche sich aus einem elastischen und einem plastischen Anteil zusammensetzt. Im abgekühlten Zustand bleibt ausschließlich der plastische Anteil der Verformung erhalten, so dass der Vorsprung 84 eine Radialerstreckung b aufweist, welche geringer als die Radialerstreckung a ist. Die Radialerstreckung b des durch die plastische Verformung entstandenen Vorsprungs 84 ist im abgekühlten Zustand des Strömungsgehäuses 12 und des Gleitlagerelements 41 derart hoch, dass der Vorsprung 84 über einen Abschnitt d mit den Seitenflächen 86, 88 an den Seitenflächen 90, 92 der Aussparung 80 anliegt. Damit bilden der Vorsprung 84 und die Aussparung 80 eine formschlüssige Verbindung zwischen dem dritten Gleitlagerelement 41 und dem Strömungsgehäuse 12 in Axialrichtung, wobei die formschlüssige Verbindung sich automatisch durch die Inbetriebnahme der Klappenvorrichtung 10, d.h. durch das Durchströmen der Strömungskanäle 14, 16 mit dem Abgas, einstellt und dafür keine zusätzlichen Komponenten erforderlich sind. Die Herstellung des Vorsprungs 84 ist in den Figuren 2a, 2b und 2c dargestellt, wobei die Figur 2a den Neuzustand darstellt und das Gleitlagerelement 41 lediglich in die Öffnung 30 eingepresst ist. In Figur 1 ist ebenfalls der Neuzustand dargestellt. Die Figur 2b zeigt einen Zustand, in welchem die Strömungskanäle 14, 16 mit dem Abgas durchströmt sind und dadurch das dritte Gleitlagerelement 41 und das Strömungsgehäuse 12 im Bereich des dritten Gleitlagerelements 41 sich thermisch bedingt ausgedehnt haben. Die Figur 3c zeigt den abgekühlten Zustand nach der thermischen Ausdehnung des Gleitlagerelements 41 und des Strömungsgehäuses 12. Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich des Hauptanspruchs nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel begrenzt ist, sondern verschiedene Modifikationen möglich sind. Beispielsweise können auch die anderen Gleitlagerelemente 43, 45 mit einer Aussparung vorgesehen werden. Die Aussparung könnte auch an der Umfangsfläche 31 der Öffnung 30 ausgebildet sein.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Klappenvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, mit einem Strömungsgehäuse (12), welches mindestens einen Strömungskanal (14, 16) begrenzt, einer Klappenwelle (18), welche über mindestens ein Gleitlagerelement am Strömungsgehäuse (12) drehbar gelagert ist, wobei das Gleitlagerelement über eine Pressverbindung zwischen einer äußeren Umfangsfläche des Gleitlagerelements und einer inneren Umfangsfläche einer am Strömungsgehäuse ausgebildeten Öffnung am Strömungsgehäuse (12) befestigt ist, und mindestens einem Klappenkörper (20, 22), welcher an der Klappenwelle (18) gelagert ist und im Strömungskanal (14, 16) angeordnet ist, wobei der Klappenkörper (20, 22) gemeinsam mit der Klappenwelle (18) um eine Längsachse (24) der Klappenwelle (18) zwischen unterschiedlichen Stellungen verdrehbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass an der äußeren Umfangsfläche (46) des Gleitlagerelements (41) und/oder an der inneren Umfangsfläche (31) der Öffnung (30) eine Aussparung (80) vorgesehen ist, wobei bei einer Durchströmung des Strömungskanals (14, 16) mit einem heißen Gas die Flächenpressung zwischen der äußeren Umfangsfläche (46) des Gleitlagerelements (41) und der inneren Umfangsfläche (31) der am Strömungsgehäuse vorgesehenen Öffnung (30) aufgrund der Wärmedehnung des Gleichlagerelements (41) und der Wärmedehnung des Strömungsgehäuses (12) derart ansteigt, dass ein Abschnitt (82) der einen Umfangsfläche (31, 46) im Bereich der an der anderen Umfangsfläche (31, 46) vorgesehenen Aussparung (80) in die Aussparung (80) eindringt und sich zu einem Vorsprung (84) plastisch verformt, wobei im abgekühlten Zustand des Gleitlagerelements (41) und des Strömungsgehäuses (12) das Gleichlagerelement (41) in Axialrichtung formschlüssig durch den in die Aussparung (80) hineinragenden Vorsprung (84) gehalten ist.
2. Klappenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (80) eine umlaufende Nut ist.
3. Klappenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsgehäuse (12) einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Gleitlagerelement (41) aufweist.
4. Klappenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsgehäuse (12) aus einem Gusswerkstoff hergestellt ist und das Gleitlagerelement (41) aus einem Sinterwerkstoff hergestellt ist.
5. Klappenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (80) eine Breite von mehreren Millimetern aufweist.
6. Klappenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Klappenwelle (18) ein erster Klappenkörper (20) und ein zweiter Klappenkörper (22) befestigt sind, wobei der erste Klappenkörper (20) in einem ersten, durch das Strömungsgehäuse (12) begrenzten Strömungskanal (14) angeordnet ist und der zweite Klappenkörper (22) in einem zweiten, durch das Strömungsgehäuse (12) begrenzten Strömungskanal (16) angeordnet ist, wobei der Klappenkörper (22) ein erstes, an einem ersten Axialende angeordnetes Gleitlagerelement (43), ein zweites an einem zweiten Axialende angeordnetes Gleitlagerelement (45) und ein drittes zwischen den beiden Klappenkörpern (20, 22) angeordnetes, drittes Gleitlagerelement (41) aufweist, wobei das dritte Gleitlagerelement (41) die Aussparung (80) aufweist.
7. Klappenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (14, 16) ein Abgasströmungskanal ist.
8. Verfahren zur Montage eines Gleitlagerelements einer Klappenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit folgenden Schritten:
Einpressen des Gleitlagerelements (41) in eine Öffnung (30) eines Strömungsgehäuses (12),
Durchströmung des Strömungskanals (14, 16) des
Strömungsgehäuses (12) mit einem heißen Gas, wobei sich das Strömungsgehäuse (12) und das Gleitlagerelement (41) basierend auf den entsprechenden Wärmeausdehnungskoeffizienten derart ausdehnen, dass ein Abschnitt (82) der einen Umfangsfläche (31, 46) im Bereich der Aussparung (80) der andere Umfangsfläche (31, 46) in die Aussparung (80) eindringt und sich plastisch zu einem Vorsprung (84) verformt, wobei im abgekühlten Zustand des Gleitlagerelements (41) und des Strömungsgehäuses (12) das Gleitlagerelement (41) durch einen Eingriff des Vorsprungs (84) in die Aussparung (80) axial formschlüssig an dem Strömungsgehäuse (12) befestigt ist.
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