Schaltventil

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schaltventil, insbesondere für eine Frischgasanlage einer Brennkraftmaschine.

Ein derartiges Schaltventil besitzt eine Klappe, die zum Verändern eines durchströmbaren Querschnitts eines Kanals um eine Schwenkachse verschwenkbar im Kanal angeordnet ist. Ferner ist zum Schwenkverstellen der Klappe ein Stellantrieb vorgesehen, der drehfest mit der Klappe verbunden ist. Um schnelle Schaltvorgänge beziehungsweise kurze Schaltzeiten realisieren zu können, kann außerdem ein als Rückstellfeder dienender Torsionsstab vorgesehen sein, der sich koaxial zur Schwenkachse der Klappe erstreckt und der einenends drehfest mit dem Stellantrieb und anderenends drehfest mit einem den Kanal im Bereich der Klappe umfassenden Gehäuse verbunden ist .

Beispielsweise kann bei einem als schnellschaltendes Schaltventil ausgestalteten Schaltventil der Stellantrieb elektromagnetisch arbeiten und einen Anker aufweisen, der mittels elektromagnetischer Kräfte zwischen zwei Endstellungen hin und her bewegt wird. Der Anker ist drehfest mit der Klappe

gekoppelt und mit der Torsionsfeder in eine neutrale Ruheposition vorgespannt. Die Endlagen des Ankers definieren Endstellungen der Klappe, zwischen denen das jeweilige Schaltventil umschaltbar ist. In der jeweiligen Endlage des Ankers ist die Torsionsfeder gespannt und ermöglicht dadurch eine starke Beschleunigung des Ankers und somit der Klappe zu Beginn eines Schaltvorgangs. Der Torsionsstab muss hierzu relativ große Drehmomente am Gehäuse abstützen können. Das mit dem Gehäuse drehfest verbundene Ende des Torsionsstabs kann hierzu beispielsweise einen abgeflachten Querschnitt aufweisen, der es ermöglicht, dieses Torsionsstabende formschlüssig mit dem Gehäuse zu verbinden.

Für eine möglichst effektive Funktionsweise des Schaltventils ist es erforderlich, die Neutrallage des Torsionsstabs justieren zu können, um diese möglichst genau mit der Mittellage der Klappe im montierten Zustand in übereinstimmung bringen zu können.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Schaltventil der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine verbesserte Justiermöglichkeit des Torsionsstabs auszeichnet .

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, für die drehfeste Verbindung zwischen dem Torsionsstab und dem Gehäuse eine Fixiereinrichtung vorzusehen, die einerseits eine Fixierung des Torsionsstabs ermöglicht, wenn das jeweilige Torsionsstabende ein Kreisprofil aufweist, und die andererseits zwischen einer Aktivstellung und einer Passivstellung verstellbar ist. In der Passivstellung ist der Torsionsstab relativ zum Gehäuse verdrehbar, während in der Aktivstellung die drehfeste Fixierung zwischen Torsionsstab und Gehäuse vorliegt. Auf diese Weise kann in der Passivstellung der Fixiereinrichtung zum Beispiel während der Montage der Schaltklappe die gewünschte Justierung des Torsionsstabs durchgeführt werden. Die aufgefundene justierte Relativlage kann dann durch Verstellen der Fixiereinrichtung in deren Aktivstellung gesichert werden. Die Montierbarkeit des Schaltventils wird dadurch vereinfacht.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Fixiereinrichtung mit einer Schlinghülse arbeiten, die axial geschlitzt ist und in die das jeweilige Torsionsstabende einsteckbar ist. Der in die Schlinghülse eingebrachte axiale Schlitz ermöglicht eine Kraftübertragung von radial außen auf die Schlinghülse aufgebrachten Kräften auf das Torsionsstabende, wodurch eine radiale Verpressung zwischen der Schlinghülse und dem Torsionsstabende erzielt werden kann. Durch diese Einspannkräfte kann ein Reibschluss beziehungsweise Kraftschluss zwischen der Schlinghülse und dem Torsionsstab realisiert werden. Da das Torsionsstabende ein

Kreisprofil besitzt, kann es in jeder beliebigen Drehlage mit Hilfe der Schlinghülse fixiert werden.

Grundsätzlich ist dabei die Art und Weise, wie die Kräfte zum Einspannen des Torsionsstabs in der Schlinghülse aufgebracht werden, beliebig. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Schlinghülse jedoch radial außen mit einer Planfläche ausgestattet sein, deren Eben sich parallel zur Schwenkachse erstreckt. Diese Planfläche ermöglicht einerseits die Einleitung radialer Kräfte in die Schlinghülse zum Verspannen des Torsionsstabs, wobei die Kräfte beispielsweise normal zur Planfläche in die Schlinghülse einleitbar sind. Zum anderen ermöglicht die Planfläche einen Formschluss der Schlinghülse mit einem dazu komplementären Bauteil, das insbesondere auch zur Krafteinleitung nutzbar ist, wodurch die Schlinghülse außerdem drehfest im Gehäuse fixiert ist. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn die Schlinghülse gemäß einer bevorzugten Bauweise abgesehen von der Planfläche eine zylindrische Kontur aufweist. Diese Ausführungsform baut sehr kompakt, was die Handhabung und Zugänglichkeit im Einbauzustand verbessert.

Die Fixiereinrichtung kann gemäß einer Weiterbildung außerdem einen Keil aufweisen, der in einer im Gehäuse ausgebildeten Keilbahn linear verstellbar angeordnet ist und der eine mit der Planfläche zusammenwirkende Keilfläche aufweist. Mit Hilfe dieses verstellbaren Keils können zum einen die zum Einspannen des Torsionsstabs erforderlichen Kräfte in die Planfläche der Schlinghülse eingeleitet werden. Zum an-

deren kann über den Keil in Verbindung mit der Planfläche die Schlinghülse drehfest am Gehäuse abgestützt werden. Ein derartiger Keilantrieb baut ebenfalls vergleichsweise kompakt .

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen .

Es zeigen, jeweils schematisch,

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Schaltventils,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch das Schaltventil,

Fig. 3 einen Querschnitt des Schaltventils im Bereich einer Fixiereinrichtung.

Entsprechend den Fig. 1 bis 3 umfasst ein Schaltventil 1 ein Gehäuse 2, in dem ein Abschnitt eines durchströmbaren Kanals 3 ausgebildet ist. Mit diesem Gehäuse 2 ist das Schaltventil 1 in eine hier nicht dargestellte Leitung einbaubar, die den übrigen Kanal 3 enthält. Der Kanal 3 dient zur Führung eines Fluids, vorzugsweise eines Gases. Das Schaltventil 1 dient zum öffnen und Schließen des Kanals 3, um so eine Fluidströ- mung im Kanal 3 freigeben beziehungsweise sperren zu können.

Das Schaltventil 1 kann beispielsweise in einer Frischgasleitung einer Frischgasanlage einer Brennkraftmaschine angeordnet sein, um so die Zuführung von Frischgas zur Brennkraftmaschine stromauf üblicher Ladungswechselventile steuern zu können. Ein derartiges Schaltventil 1 kann auch in einer Abgasanlage oder auch in einer Abgasrückführanlage angeordnet sein, um dort die jeweilige Gasströmung zu steuern. Bei einer Ausgestaltung als schnellschaltendes Gasventils 1 lassen sich insbesondere strömungsdynamische Effekte ausnutzen, beispielsweise um Druckschwingungen zu erzeugen und/oder um eine Impulsaufladung der Brennkraftmaschine zu bewirken. Schnellschaltende Ventile besitzen Schaltzeiten, die kleiner sind als die Schaltzeiten der Ladungswechselventile. Beispielsweise liegen die Schaltzeiten eines derartigen schnellschaltenden Schaltventils 1 im einstelligen Millisekundenbereich.

Das Schaltventil 1 besitzt außerdem eine Klappe 4, die im Kanal 3 beziehungsweise in dem dem Gehäuse 2 zugeordneten

Abschnitt des Kanals 3 angeordnet ist. Die Klappe 4 ist vorzugsweise als Schmetterlingsklappe ausgestaltet und ist um eine Schwenkachse 5 schwenkverstellbar im Kanal 3 angeordnet. Exemplarisch besitzt die Klappe 4 hier einen kreisförmigen Querschnitt. Die Klappe 4 dient zum Verändern eines durchströmbaren Querschnitts des Kanals 3. Insbesondere ist die Klappe 4 zwischen einer Schließstellung und einer Offenstellung verstellbar.

Zur Drehbetätigung der Klappe 4 weist das Schaltventil 1 außerdem einen Stellantrieb 6 auf. Dieser ist drehfest mit der Klappe 4 verbunden. Entsprechend Fig. 2 umfasst der Stellantrieb 6 beispielsweise zumindest eine elektromagnetische Spule 7 und einen um die Drehachse 5 drehbar gelagerten Anker 8, der mit Hilfe elektromagnetischer Kräfte, die mit Hilfe der wenigstens einen Spule 7 generiert werden, zwischen zwei Endstellungen verstellbar ist. Der Anker 8 ist drehfest mit der Klappe 4 verbunden, so dass die Endstellungen des Ankers 8 die Schaltstellungen der Klappe 4 definieren. Im gezeigten Beispiel ist der Anker 8 mit einer Lagerbuchse 9 drehfest verbunden, die den Anker 8 zentrisch durchsetzt und die über Lager 10 an einem Gehäuse 11 des Stellantriebs 6 um die Schwenkachse 5 drehbar gelagert ist. über die Lagerbuchse 9 ist dann auch der Anker 8 drehbar gelagert. Außerdem ist die Lagerbuchse 9 drehfest mit der Klappe 4 verbunden. Beispielsweise ist die Klappe 4 mit der Lagerbuchse 9 verschraubt. Entsprechende Schrauben sind in Fig. 2 mit 12 bezeichnet.

Das Schaltventil 1 umfasst des weiteren einen Torsionsstab 13, der als Rückstellfeder dient. Der Torsionsstab 13 erstreckt sich dabei koaxial zur Schwenkachse 5 und ist eine- nends drehfest mit dem Stellantrieb 6 verbunden, während er anderenends drehfest mit dem Gehäuse 2 verbunden ist. Der Torsionsstab 13 erstreckt sich dabei quer durch den Kanal 3 und ist im Gehäuse 2 in einem dem Stellantrieb 6 diametral gegenüberliegenden Abschnitt 14 des Gehäuses 2 festgelegt. Besagter Gehäuseabschnitt 14 kann auch nachträglich an den den Kanal 3 enthaltenden Abschnitt des Gehäuses 2 angebaut sein. Der Torsionsstab 13 spannt den Anker 8 und somit die Klappe 4 in eine Neutrallage vor, die im Idealfall mittig zwischen den Endstellungen der Klappe 4 liegt. An seinem an- triebsseitigen Ende 15 ist der Torsionsstab 13 beispielsweise über einen Formschluss drehfest mit der Lagerbuchse 9 und über diese drehfest mit dem Anker 8 verbunden. Hierzu erstreckt sich der Torsionsstab 13 koaxial in der Lagerbuchse 9. Ferner erstreckt sich der Torsionsstab 13 innerhalb der Lagerbuchse 9 in einem der Torsion ausgesetzten Bereich mit Radialspiel .

In seinem zur Fixierung am Gehäuse 2 dienenden, gehäusesei- tigen Ende 16 erstreckt sich der Torsionsstab 13 bis in besagten Gehäuseabschnitt 14 hinein und im gezeigten Beispiel sogar darüber hinaus. Dabei durchdringt der Torsionsstab 13 eine weitere Lagerbuchse 17 koaxial. Diese Lagerbuchse 17 ist einenends drehfest mit der Klappe 4 verbunden, beispielsweise über eine Verschraubung 12. Anderenends ist diese Lagerbuchse 17 im Gehäuse 2 drehverstellbar gelagert. ü-

ber diese Lagerbuchse 17 ist die Klappe 4 in einem vom Stellantrieb 6 entfernten Bereich am Gehäuse 2 drehbar gelagert. Besagte Lagerbuchse 17 kann in Achsrichtung der Schwenkachse 15 ein Loslager für die Klappenlagerung realisieren. Somit sind insbesondere axiale Relativbewegungen zwischen der Lagerbuchse 17 und dem Gehäuse 2 möglich. Im Unterschied dazu bilden die Lager 10, mit denen die dem Stellantrieb 6 zugeordnete Lagerbuchse 9 gelagert ist, ein Festlager für die Lagerung der Klappe 4. Im Beispiel sind die Lager 10 als Wälzlager ausgestaltet. Grundsätzlich sind jedoch auch hier Gleitlager denkbar.

Zur Realisierung des axialen Loslagers in Verbindung mit der Lagerbuchse 17 kann hier ein Lagerelement 18 vorgesehen sein, das radial in das Gehäuse 2 eingebaut ist und das durch den anschließend montierten Gehäuseabschnitt 14 am übrigen Gehäuse 2 fixiert ist. Der Gehäuseabschnitt 14 ist beispielsweise mittels Schrauben 19 am übrigen Gehäuse 2 befestigt .

Um den Torsionsstab 13 am gehäuseseitigen Ende 16 drehfest mit dem Gehäuseabschnitt 14 verbinden zu können, weist das Schaltventil 1 eine Fixiereinrichtung 20 auf, die im Folgenden mit Bezug auf Fig. 3 näher erläutert wird. Die Fixiereinrichtung 20 ist so ausgestaltet, dass sie wenigstens einmal zwischen einem Passivzustand und einem Aktivzustand verstellbar ist. Im Passivzustand ist das gehäuseseitige Torsionsstabende 16 relativ zum Gehäuse 2 um die Schwenkachse 5 drehbar. Das gehäuseseitige Torsionsstabende 16 besitzt

hierzu ein Kreisprofil. Im Unterschied dazu ist das gehäuse- seitige Torsionsstabende 16 im Aktivzustand der Fixiereinrichtung 20 relativ zum Gehäuse 2 drehfest fixiert. Während der Montage des Schaltventils 1 kann die Fixiereinrichtung 20 ihren Passivzustand aufweisen, so dass es möglich ist, die Torsionsstange 13 relativ zum Gehäuse 2 zu positionieren. Insbesondere kann dadurch die Neutrallage des Torsionsstabs 13 und somit des damit drehfest verbundenen Ankers 8 sowie der damit drehfest gekoppelten Klappe 4 justiert werden. Sobald diese Justage beendet ist und die optimale Relativlage zwischen Torsionsstab 13 und Gehäuse 2 gefunden ist, kann die Fixiereinrichtung 20 in ihren Aktivzustand verstellt werden, um die aufgefundene Justierposition zu fixieren. Grundsätzlich kann die Fixiereinrichtung 20 so ausgestaltet sein, dass das Umschalten vom Passivzustand in den Aktivzustand nur ein einziges Mal durchführbar ist, so dass ein Zurückstellen in den Passivzustand nicht möglich ist. Ebenso ist eine Ausführungsform möglich, bei der die Fixiereinrichtung 20 grundsätzlich beliebig oft zwischen dem einen und dem anderen Zustand umschaltbar ist.

Bei der hier wiedergegeben, bevorzugten Ausführungsform des Schaltventils 1 umfasst die Fixiereinrichtung 20 eine Schlingbuchse 21, die axial geschlitzt ist und dementsprechend einen Schlitz 22 enthält. Besagter Schlitz 22 durchsetzt den Körper der Schlingbuchse 21 in axialer Richtung und ist vorzugsweise bezüglich der Schwenkachse 5 radial o- rientiert. Die Schlingbuchse 21 umschlingt das gehäuseseiti- ge Torsionsstabende 16 und ist ihrerseits in eine Buchsen-

aufnähme 23 eingesetzt, die im Gehäuse 2 beziehungsweise im Gehäuseabschnitt 14 ausgebildet ist. Die Schlingbuchse 21 enthält somit eine komplementär zum gehäuseseitigen Torsionsstabende 16 dimensionierte Durchgangsöffnung 24.

Die Schlingbuchse 21 weist bei der hier gezeigten, bevorzugten Ausführungsform radial außen eine Planfläche 25 auf. Diese erstreckt sich in einer Ebene, die sich ihrerseits parallel zur Schwenkachse 5 erstreckt. über diese Planfläche 25 lassen sich Kräfte in die Schlingbuchse 21 einleiten, welche dazu nutzbar sind, die Schlingbuchse 21 mit dem jeweiligen Torsionsstabende 16 so weit zu verspannen, dass eine ausreichende Drehmomentübertragung erzielbar ist. Außerdem kann mit Hilfe dieser Planfläche 25 die Schlingbuchse 21 mittels Formschluss drehfest im Gehäuse 2 fixiert werden.

Vorzugsweise ist die Planfläche 25 entlang des Umfangs der Schlingbuchse 21 gezielt so angeordnet, dass sich der Schlitz 22 in der Umfangsrichtung der Schlingbuchse 21 zwischen der Planfläche 25 und einem der Planfläche 25 diametral gegenüberliegenden Umfangsabschnitt der Schlingbuchse 21 befindet. Im gezeigten Beispiel ist der Schlitz 22 etwa mittig zwischen der Planfläche 25 und dem genannten gegenüberliegenden Umfangsabschnitt im Körper der Schlingbuchse 21 ausgebildet. Durch diese Anordnung können die an der Planfläche 25 eingeleiteten Kräfte besonders günstig zur Erzielung einer Klemmwirkung zwischen Schlingbuchse 21 und Torsionsstab 13 genutzt werden.

Ferner weist die Fixiereinrichtung 20 einen Keil 26 auf. Dieser ist in einer Keilbahn 27, die im Gehäuse 2 beziehungsweise in besagtem Gehäuseabschnitt 14 ausgebildet ist, linear verstellbar angeordnet. Die lineare Verstellbarkeit des Keils 26 in der Keilbahn 27 ist in Fig. 3 durch einen Doppelpfeil 28 angedeutet. Der Keil 26 weist eine Keilfläche 29 auf, die mit der Planfläche 25 zusammenwirkt. Insbesondere liegt die Keilfläche 29, die sich hierzu in einer Ebene erstreckt, flächig an der Planfläche 25 an. Zweckmäßig ist ein Keilwinkel so klein gewählt, dass sich eine Selbsthemmung einstellt. Als Antrieb für den Keil 26 sind hier zwei Schrauben vorgesehen, nämlich eine Eintreibschraube 30 und eine Austreibschraube 31, die in der Verstellrichtung 28, jedoch an gegenüberliegenden Enden am Keil 26 angreifen. Mit der Eintreibschraube 30 wird der Keil 26 eingetrieben, wodurch die Klemmkraft zwischen Schlingbuchse 21 und Torsionsstab 13 erhöht wird, um die Fixiereinrichtung 20 in ihren Aktivzustand zu verstellen. Im Unterschied dazu kann die Austreibschraube 31 dazu genutzt werden, den Keil 26 auszutreiben, um die Klemmkräfte zum Fixieren des Torsionsstabendes 16 am Gehäuse 2 zu Reduzieren, wodurch die Fixiereinrichtung 20 in ihren Passivzustand verstellbar ist.

Um die gewünschte Drehfestigkeit zwischen dem Torsionsstabende 16 und dem Gehäuse 2 realisieren zu können, muss die Schlingbuchse 21 ein vergleichsweise großes Drehmoment vom Torsionsstabende 16 aufnehmen können. Um die Flächenpressung im Gehäuse 2 zur Abstützung der Schlingbuchse 21 beziehungsweise zur Abstützung des Keils 26 zu reduzieren beziehungs-

weise um das übertragbare Drehmoment zu erhöhen, kann gemäß einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen sein, die Schlingbuchse 21 radial innen über einen reibungserhöhenden Werkstoff 32 am gehäuseseitigen Torsionsstabende 16 abzustützen. Ein derartiger reibungserhöhender Werkstoff 32 kann beispielsweise Siliziumcarbid-Partikel, kurz SiC-Partikel aufweisen. Diese können beispielsweise eine Korngröße zwischen 2 und 5 Mikrometern aufweisen und besitzen eine sehr große Härte. Durch die Verpressung zwischen Schlingbuchse 21 und Torsionsstab 13 können sich die harten Partikel in den Werkstoff der Schlingbuchse 21 und/oder in den Werkstoff des Torsionsstabs 16 eingraben, wodurch die Reibung extrem erhöht werden kann.

Bevorzugt kann der reibungserhöhende Werkstoff 32 durch eine Beschichtung realisiert werden, die zumindest im Kontaktbereich zwischen Schlingbuchse 21 und Torsionsstab 16 an der Schlingbuchse 21 oder am Torsionsstab 13 oder sowohl an der Schlingbuchse 21 als auch am Torsionsstab 13 aufgebracht ist. Diese Beschichtung kann beispielsweise eine Nickelbasis aufweisen, in welche insbesondere die genannten SiC-Partikel eingelagert sein können.

Grundsätzlich reicht es aus, die Schlingbuchse 21 radial innen mit besagter Beschichtung, die im folgenden ebenfalls mit 32 bezeichnet wird, zu versehen. Ebenso ist eine Ausführungsform möglich, bei der lediglich das gehäuseseitige Torsionsstabende 16 mit dieser Beschichtung 32 versehen ist. Des weiteren ist grundsätzlich eine Ausführungsform möglich,

bei welcher der gesamte Torsionsstab 13 mit dieser Beschich- tung 32 versehen ist. Hierdurch kann beispielsweise auch die drehfeste Kopplung zwischen dem Torsionsstab 13 an seinen antriebsseitigen Ende 15 und der Lagerbuchse 9 verbessert werden. Des weiteren kann bei einer Komplettbeschichtung des Torsionsstabs 13 je nach Art des gewählten Beschichtungs- werkstoffs eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit für den Torsionsstab 13 erreicht werden.

Bemerkenswert ist bei der hier gezeigten Ausführungsform des Schaltventils 1 außerdem, dass die Klappe 4 wellenlos ausgestaltet ist, also insbesondere keine durchgehende Antriebswelle aufweist, die koaxial zur Schwenkachse 5 verläuft und den Kanal 3 durchsetzt. Anstelle einer durchgehenden Welle sind hier die beiden Lagerbuchsen 9 und 17 vorgesehen. Die Kraftübertragung zwischen den beiden Lagerstellen erfolgt hier somit nicht über eine Antriebswelle, sondern direkt über die Klappe 4. Ferner ist hier bemerkenswert, dass die Klappe 4 insgesamt in einer Klappenebene liegt, die beabstandet und parallel zur Schwenkachse 5 verläuft.

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