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Die
Erfindung betrifft eine Absperrklappe, wie sie in Schaltsaugrohren
mit mindestens einem Saugrohrkanal, einer drehbar darin gelagerten
Welle und mindestens einer drehfest auf der Welle angeordneten Absperrklappe
bei Verbrennungsmotoren zur Regelung der Luftzufuhr je nach Betriebszustand des
Verbrennungsmotor verwendet werden. Die Absperrklappe ist zur Regelung
der Luftzufuhr und Optimierung der Verbrennungsleistung vorzugsweise zwischen
einer geschlossenen Stellung und einer geöffneten Stellung drehbar. Vorzugsweise
ist die Absperrklappe in einem Ansaugstutzen des Schaltsaugrohrs
angeordnet.
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Ein
solches Schaltsaugrohr kann beispielsweise schneckenförmig ausgebildet
sein, wobei jedem Zylinder eines Verbrennungsmotors Luft von einem
gemeinsamen Luftverteilungsraum durch ein diesen umlaufendes Saugrohr
zugeführt
wird. Ein oder mehrere durch Absperrklappen verschließbare Ansaugstutzen
verbinden das Saugrohr mit dem Luftverteilungsraum und können bei
geöffneter
Klappe einen Teil des Saugrohrs kurzschließen und so den Ansaugweg verkürzen. Durch
die Verkürzung des
Ansaugwegs in Abhängigkeit
vom Betriebszustand des Motors, beispielsweise von der Drehzahl, können Resonanzerscheinungen
im Saugrohr vermieden werden, welche die Motorleistung, den Wirkungsgrad
des Motors und die Abgaszusammensetzung beeinträchtigen würden.
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Schaltsaugrohr
dieser Art sind beispielsweise in den
US 5,211, 139-A und
EP-537 120-A1 beschrieben.
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Damit
die in der Regel nebeneinander angeordneten Absperrklappen die Ansaugstutzen
möglichst
dicht verschließen
können,
ist man bestrebt die Toleranzen zwischen dem äußeren Umfangsrand der Absperrklappen
und dem Innenrand des Saugrohrkanals möglichst gering zu halten. Ferner
sollte die Welle einen möglichst
geringen Durchmesser aufweisen, damit der freie Strömungsquerschnitt
des Ansaugstutzens nicht zu stark vermindert wird. Hieraus ergibt
sich die Notwendigkeit, eine Welle aus hochfestem Material, beispielsweise
Stahl zu verwenden, während
aus Gewichts- und Kostengründen
für das Schaltsaugrohr
und die Klappe der Einsatz von dünnem
Blech oder Kunststoff angestrebt wird.
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Da
ein solches Schaltsaugrohr relativ nahe am Verbrennungsraum des
Motors angeordnet ist, wird es naturgemäß nicht unbeträchtlich
erwärmt,
so dass sich je nach Länge
der verwendeten Wellen bzw. der Anzahl der nebeneinander angeordneten Saugrohrkanäle beträchtliche
Wärmeausdehnungen ergeben
können,
die zum Verklemmen der Absperrklappen führen können, was nur durch größere Einbautoleranzen
auf Kosten der Dichtwirkung verhindert werden kann.
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Eine
Absperrklappe anderer Bauart ist aus der
DE 42 23 724 bekannt.
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Die
DE 195 04 256 A1 schlägt hierzu
vor, die Klappen zwar drehfest aber axial begrenzt verschiebbar
auf der Welle anzubringen. Dadurch kann sich bei unterschiedlicher
Wärmeausdehnung
von Schaltsaugrohr und Welle die Absperrklappe auf der Welle verschieben,
so dass sie bei allen Betriebstemperaturen klemmfrei im Ansaugstutzen
angeordnet ist. Bevorzugt sind die Klappen mit Clips versehen, welche
die Welle umfangen, und sie weisen ebene Flächen auf, die an einer Abflachung
der Welle anliegen.
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DE 10 2006 003 217
A1 offenbart ein Schaltsaugrohr, bei dem die Absperrklappe
aus einer unteren und einer oberen Hälfte besteht, die Versickungen
aufweisen, welche die Welle von beiden Seiten umfangen und mit Federkraft
halten. Hierdurch soll bessere Abdichtung im Ansaugstutzen und einfachere
Montage erreicht werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
sind obere und untere Hälfte
einstückig
miteinander ausgeführt
und aufeinander gefaltet, wobei sich die geforderte Federkraft ergibt.
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Die
Drehbewegung der Welle wird üblicherweise über Stellelemente
bewirkt, die pneumatisch oder mittels Elektromotor, ggf. über Getriebe,
bewegt werden. Die Welle selbst ist gewöhnlich in besonders verschleißfesten
Gleitlagern gelagert.
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Um
die Welle mit den daran angebrachten Absperrklappen mit geringem
Drehmoment und geringer Belastung der Lager schnell und leicht drehen zu
können,
muss das Trägheitsmoment
der Anordnung möglichst
klein sein. Die bekannten Vorrichtungen werden dieser Forderung
nicht völlig
gerecht. Außerdem
ist es sehr schwierig, die Federkraft so einzustellen, dass eine
drehfeste Lagerung der Klappe auf der Welle bei gleichzeitiger hinreichend
leichter axialer Verschiebbarkeit gewährleistet ist. Dies gilt insbesondere
für die
erwähnte
gefaltete Ausführungsform,
bei der hohe Präzision
der Versickungen und der Faltung notwendig ist.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Absperrklappe und ein Schaltsaugrohr
mit einer solchen Klappe anzugeben, die insbesondere hinsichtlich
der Lagerung und Befestigung der Absperrklappe auf der Welle größere Fertigungstoleranzen zulassen
und kostengünstiger
herstellbar sind.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Absperrklappe nach dem Hauptanspruch und
ein Schaltsaugrohr nach Anspruch 14 gelöst.
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Es
wurde nämlich
gefunden, dass die Absperrklappe auf der Welle auch bei geringerer
Präzision
der Versickungen und des Wellen profils hinreichend drehfest und
verschiebbar gelagert wird, wenn in den Versickungen mindestens
ein Federelement vorhanden ist, das sich auf der Wellenoberfläche abstützen kann.
Durch dieses Federelement werden gegenüberliegende Versickungen der
Absperrklappe mit einer über
das Federelement einstellbaren Kraft an die Welle herangezogen,
so dass die Klappe drehfest und mit definierter Kraft begrenzt verschiebbar an
der Welle anliegt.
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Es
ist möglich,
dass die ersten und zweiten Versickungen jeweils die Hälfte des
Profils der Welle umfassen oder die Umfassungsbereiche so aneinanderstoßen, dass
sie sich zum vollen Umfang ergänzen.
Eine solche Ausführung
läßt sich
leicht aus einem Blechrohling durch Pressen oder Tiefziehen herstellen.
Vorteilhaft für
eine drehfeste Lagerung der Klappe ist jedoch, wenn die Umfassungsbereiche eine
gewisse Überlappung
aufweisen. Beispielsweise können
die ersten und zweiten Versickungen bei einer Vierkantwelle die
Form sich gegenüberliegender
quadratischer U-Profile haben. Diese Form kann leicht aus Kunststoff,
beispielsweise durch Spritzgießen,
hergestellt werden.
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Vorzugsweise
weist die Welle ein quadratisches Profil (Vierkantprofil) auf. Dementsprechend besitzen
die Versickungen in den Mitten- beziehungsweise Randzonen des Befestigungsbereichs ebenfalls
ein rechtwinkliges oder quadratisches Innenprofil. Es sind aber
auch andere Wellenprofile möglich,
beispielsweise dreieckig, fünfeckig
oder zylindrisch mit ein oder zwei ebenen Schlüsselflächen. Erfindungsgemäß ist das
Innenprofil der Versickungen jeweils an das Profil der Welle angepasst.
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In
einer einfachen und bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht
die Klappe aus einem geeignet umgeformten Metallblech. Zur Herstellung
der Klappe aus dem Blech können
bekannte Umformtechniken wie beispielsweise Stanzen, Pressen, Tiefziehen
angewendet werden. Dabei kann die Klappe außerhalb des Befestigungsbereichs
dünner gehalten
werden, um das Trägheitsmoment des
Systems Welle-Klappe weiter herabzusetzen.
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Ebenso
ist es möglich
und bevorzugt, dass die Klappe aus einem Kunststoff, beispielsweise
einem thermoplastischen Kunststoff, besteht. Zur Herstellung solcher
Klappen können
ebenfalls bekannte Verfahren, wie beispielsweise Spritzgießen, Formpressen,
Schichtpressen angewendet werden.
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Besonders
bevorzugt besteht die Klappe aus einem Metallblech und an- oder
umgespritztem thermoplastischem Kunststoff. Durch die Kunststoffanteile
lassen sich vorteilhaft Lagerzapfen und Lagerstellen, mit denen
die Klappe am Gleitlager anliegen kann, realisieren.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
bestehen diejenigen Teile der Klappe, welche die Welle umgeben,
zumindest teilweise aus Metall, und die Flügelbereiche aus Kunststoff.
Solche Klappen lassen sich herstellen, indem ein thermoplastischen
Kunststoff in einer Spritzgußform
an das Metallteil angespritzt oder dieses mit Kunststoff umspritzt
wird. So kann zum Beispiel die Versickung, die das Federelement
umfaßt,
aus Metall gebildet sein, was hinsichtlich der erreichbaren Federkraft
und der Stabilität
bei erhöhter
Temperatur vorteilhaft ist.
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Vorzugsweise
sind in den beiden Randzonen des Befestigungsbereichs jeweils eine
erste Versickung und in der Mittenzone eine zweite Versickung vorhanden.
Eine solche Anordnung ist relativ einfach herzustellen und hilft
dabei, die von den Federelementen ausgeübten Kräfte längs der Welle gleichmäßig zu verteilen.
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Die
Federelemente werden bevorzugt so realisiert, daß in mindestens einer der Versickungen eine Öffnung vorhanden
ist, die mindestens einen Rand aufweist, der parallel oder quer
zur Wellenrichtung verläuft,
wobei die Federelemente mindestens eine Federzunge sind, die an
mindestens einem dieser Ränder
ausgebildet ist.
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Diese
Federzungen ragen soweit in das Innenprofil der Versickungen hinein,
dass sie sich, beispielsweise beim Einschieben der Welle in die
Versickungen, ohne Bruch oder plastische Verformung in die Wandfläche des
Profils zurückbiegen
lassen. Sie liegen im Einbauzustand der Welle an der Oberfläche der
Welle an und üben
auf diese eine Kraft aus, die von Ausmaß der beim Einsetzen der Welle
hervorgerufenen Verformung der Federzungen bestimmt ist. Entsprechend
lässt sich
die gewünschte
Federkraft einstellen, indem man die Federzungen im demontierten
Zustand mehr oder weniger in das Innenprofil der Versickungen hineinragen
lässt.
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Eine
weitere Möglichkeit
zur Einstellung der Federkraft und zur Anpassung des Systems Welle-Klappe
an größere Fertigungstoleranzen
ergibt sich dadurch, dass man Anzahl, Größe, Ausrichtung und Anbringungsort
der Federzungen geeignet auswählt.
Bevorzugt weist eine zweite Versickung in der Mittenzone des Befestigungsbereichs
eine Öffnung mit
einem Rand auf, an dem mindestens eine Federzunge ausgebildet ist.
Durch diese Federzunge werden die ersten Versickungen in den Randzonen
an die Welle herangezogen und liegen drehfest auf dieser auf.
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Ebenso
ist es möglich,
in mindestens einer der ersten Versickungen der Randzonen eine Öffnung anzubringen,
an deren Rand mindestens eine Federzungen ausgebildet ist. Zur gleichmäßigen Verteilung
der Kräfte
ist es vorteilhaft, die Öffnung
mit mindestens einer Federzunge in beiden Randzonen gleich vorzusehen.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Federzungen ergeben sich, wenn
jeweils an einem Rand einer Öffnung
eine Federzunge ausgebildet ist, wenn an einem solchen Rand zwei
oder mehrere Federzungen nebeneinander liegen, deren Federkräfte verschieden
eingestellt werden können
oder wenn an zwei sich gegenüberliegenden
Rändern
einer Öffnung
jeweils eine oder mehrere Federzungen ausgebildet sind.
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Die
erfindungsgemäße Absperrklappe
kann sich im Ansaugstutzen grundsätzlich selbsttätig zentrieren,
wenn sie durch Längenänderung
der Welle infolge thermischer Ausdehnung an die Wände des Ansaugstutzens
stößt, indem
sie sich geringfügig
auf der Welle verschiebt. Dabei besteht jedoch die Gefahr der Abnutzung
an Klappe und Wänden.
Vorteilhaft sind daher Mittel zur axialen Führung der Klappe vorgesehen,
die bevorzugt in der Nähe
der Welle an der Klappe angebracht sind. Dies können bei einer Klappe aus Metallblech
beispielsweise die aus der
DE 10 2006 003 217 A1 bekannten Zentrierfedern sein,
die wie dort einstückig
angeformt sein können. Bei
einer Ausführung
aus Metall beziehungsweise Metall-Kunststoff können auch Kunststofflagerstellen und/oder
-lagerzapfen angespritzt sein, die gleichzeitig eine Führung der
Welle bewirken und das Spiel der Klappe gegenüber den Wänden des Ansaugstutzens festlegen.
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Die
Erfindung wird nun mit Hilfe bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der
beigegebenen Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen
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1 ein
erfindungsgemäßes Schaltsaugrohr
im Querschnitt,
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2 einen
Metallkörper
einer Absperrklappe nach einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform
in perspektivischer Ansicht,
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3 einen
Metallkörper
einer Absperrklappe nach einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform
in perspektivischer Ansicht,
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4 einen
Metallkörper
einer Absperrklappe nach einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform
in perspektivischer Ansicht,
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5 den
Metallkörper
nach 3 in Seitenansicht,
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6 eine
fertige Absperrklappe nach einer vierten erfindungsgemäßen Ausführungsform
in perspektivischer Ansicht,
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7 eine
Absperrklappe nach 6 mit eingesetzter Vierkantwelle
in perspektivischer Ansicht.
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1 zeigt
schematisch ein erfindungsgemäßes Schaltsaugrohr
im Querschnitt, um die Einbaulage des Welle-Klappe-Systems zu veranschaulichen.
Dargestellt ist ein Schnitt durch das Saugrohr für einen Zylinder. Weitere Saugrohre
für die
anderen Zylinder bzw. Einlassventile des Motors befinden sich über oder
unter der Zeichnungsebene.
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Die
Verbrennungsluft wird über
Einlassstutzen 1 dem Luftverteilungsraum 2 zugeführt. Saugrohre 5 sind
mit Saugrohreinlässen 3 an
den Luftverteilungsraum 2 angeschlossen und werden schneckenförmig um
diesen herumgeführt.
Ansaugstutzen 4 verbinden etwa halbwegs die Saugrohre 5 mit
dem Luftverteilungsraum 2. Diese Ansaugstutzen verkürzen so
den Ansaugweg. Sie können
durch Absperrklappen 10, die sich drehfest auf einer antreibbaren Vierkantwelle 50 befinden,
verschlossen werden.
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Das
Gehäuse
des Schaltsaugrohrs besteht aus Polyamid, während die Vierkantwelle 50 aus Stahl
besteht. Im Bereich der Gehäusewand
ist die Vierkantwelle 50 mit einem zylindrischen Lagerkörper umgeben,
der in einem Gleitlager 60 drehbar ist.
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2 zeigt
den Metallkörper
für eine
bevorzugte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Absperrklappe
für ein
Schaltsaugrohr. Der Körper
weist einen Befestigungsbereich 12 und zwei daran auf beiden
Seiten angrenzende Flügelbereiche 11 auf. Der
Befestigungsbereich besitzt angrenzend an gegenüberliegende Ränder der
Klappe zwei Randzonen mit ersten Versickungen 13 und dazwischen
eine Mittenzone mit einer zweiten Versickung 14, welche den
ersten Versickungen entgegengerichtet ist. In die Versickungen kann
von einer Randzone her eine Vierkantwelle eingeschoben werden, die
dann von den ersten Versickungen 13 und der zweiten Versickung 14 jeweils
teilweise umschlossen wird. In der zweiten Versickung 14 ist
eine Öffnung 15 vorgesehen.
Am Rand dieser Öffnung,
der bei dieser Ausführungsform
parallel zur Richtung der Welle verläuft, ist eine Federzunge 16 vorhanden,
die etwas in den Innenraum der Versickung hineingebogen ist. Beim Einschieben
der Vierkantwelle stützt
sich nun die Federzunge 16 auf der Wellenoberfläche ab und
zieht die Klappe 10 so an die Welle heran, dass die ersten Versickungen 13 drehfest
an der Welle anliegen. Um die Klappe in den Flügelbereichen möglichst
leicht und doch stabil zu gestalten, sind erhabene und vertiefte
Sicken 18 bzw. 19 vorgesehen. Ein Ansatz 17 am
Befestigungsbereich 12 ist dazu bestimmt, nach Umspritzen
mit Kunststoff einen Lagerzapfen zu bilden. Es wäre auch möglich, solche Ansätze an beiden
Enden des Befestigungsbereichs vorzusehen, jedoch ist die einseitige
Lagerung der Klappe oft ausreichend.
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Der
in 3 gezeigte Metallkörper für eine Klappe nach einer zweiten
erfindungsgemäßen Ausführungsform
unterscheidet sich gegenüber
der Ausführungsform
der 2 dadurch, dass die Öffnung 15 nun zwei
Ränder
aufweist, die quer zur Wellenrichtung verlaufen und mit je einer
Federzunge 16 versehen sind. Auch bei dieser Ausführungsform kann
eine Vierkantwelle in die Versickungen 13 und 14 eingeschoben
und durch die Wirkung der Federzungen 16 drehfest fixiert
werden.
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Bei
der in 4 gezeigten dritten Ausführungsform weist die Öffnung 15 in
der zweiten Versickung 14 zwei mit Federzungen 16 versehene
Ränder
auf, die parallel zur Richtung der Welle verlaufen. Wie bereits
erwähnt
können
die Federkräfte
der Federzungen durch mehr oder weniger starkes Einbiegen in den
Innenraum der zweiten Versickung eingestellt werden, wobei es vorteilhaft
sein kann, für
beide Federzungen verschiedene Federkräfte vorzusehen.
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Die
in den 2 bis 4 gezeigten Metallkörper können, wie
ersichtlich, leicht aus einem Blechrohling durch Stanzen, Pressen,
Tiefziehen oder dergleichen hergestellt werden.
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5 zeigt
den Metallkörper
der 3 in Seitenansicht. Man erkennt, daß die Versickungen 13 und 14 jeweils
die untere bzw. die obere Hälfte
einer Vierkantwelle umschließen
können.
Die übrigen Bezugszeichen
entsprechen denen in 2.
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6 zeigt
eine einbaufertige Absperrklappe nach einer vierten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Hierbei ist in der Öffnung 15 der
zweiten Versickung 14 eine Federzunge 16 an einem
quer zur Wellenrichtung verlaufenden Rand angebracht. An einem Ende
des Befestigungsbereichs 12 ist eine kreisringförmige Lagerstelle 30 aus
Kunststoff angespritzt, die eine quadratische Öffnung zur Aufnahme der Vierkantwelle
aufweist. Diese Lagerstelle 30 steht etwas (beispielsweise
einige Zehntel mm) über den
benachbarten Rand des Flügelbereichs 11 vor. Ändert sich
die Lage der Klappe im Ansaugstutzen infolge unterschiedlicher Wärmeausdehnung
von Welle und Schaltsaugrohrkörper,
dann stützt
sich zunächst
die Lagerstelle 30 auf das Gleitlager 60 (siehe 1)
und die Klappe wird auf der Welle entsprechend verschoben, ohne
daß ihr
Rand die Innenwand des Ansaugstutzens 4 berührt. Dadurch
wird eine Abnutzung von Klappe und Innenwand vermieden.
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Am
anderen Ende des Befestigungsbereichs 13 ist auch eine
Lagerstelle 31 ausgebildet, die hier jedoch einstückig mit
dem zylindrischen Lagerzapfen 32 aus angespritztem Kunststoff
gefertigt ist. Der Lagerzapfen 32 wird durch den Ansatz 17 (siehe 2 bis 4)
gestützt
und wird in Einbaulage von den Lagerschalen des Gleitlagers 60 gehalten.
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7 zeigt
die Klappe der 6 mit eingebauter Welle 50.
Man erkannt, daß die
Welle die Lagerstelle 30, eine erste Ver sickung 13 (siehe 2 bis 4),
die zweite Versickung 14, eine weitere erste Versickung 13,
die Lagerstelle 31 und den Lagerzapfen 32 durchsetzt.
Beim Einbau wird die in der Öffnung
15 am quer zur Welle verlaufenden Rand angebrachte Federzunge 16 von
der Welle angehoben, stützt
sich auf deren Oberfläche
ab und zieht mit ihrer Federkraft die ersten Versickungen 13 des
Befestigungsbereichs 12 an die Welle 50 heran,
wodurch ein drehfester Sitz der Klappe entsteht.
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- 1
- Einlassstutzen
- 2
- Luftverteilungsraum
- 3
- Saugrohreinlass
- 4
- Ansaugstutzen
- 5
- Saugrohr
- 10
- Absperrklappe
- 11
- Flügelbereich
- 12
- Befestigungsbereich
- 13
- erste
Versickung
- 14
- zweite
Versickung
- 15
- Öffnung
- 16
- Federzunge
- 17
- Ansatz
für Lagerzapfen
- 18
- erhabene
Sicke
- 19
- vertiefte
Sicke
- 30,
31
- Lagerstellen
- 32
- Lagerzapfen
- 50
- Welle
- 60
- Gleitlager