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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen eines Nockenwellenverstellers mit einem Rotor und einem Stator und einen derartigen Nockenwellenversteller.
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Hintergrund der Erfindung
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Nockenwellenversteller verändern die Steuerzeiten der Ventilsteuerung in Verbrennungsmotoren, insbesondere in Viertaktmotoren. Ein herkömmlicher Nockenwellenversteller ist beispielsweise aus der
DE 10 2009 002 405 A1 bekannt.
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Der Nockenwellenversteller umfasst einen Rotor und einen Stator. Der Rotor ist drehfest mit einer Nockenwelle des Verbrennungsmotors verbunden und wird über den Stator von einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors gedreht. Dabei kann die Drehung des Rotors gegenüber dem Stator verzögert werden, indem der Rotor beispielsweise hydraulisch gegenüber dem Rotor in Richtung früh oder spät verdreht wird.
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Im technischen Sprachgebrauch beschreibt der Begriff „früh“ bei Nockenwellenverstellern eine Verdrehung des Rotors gegenüber dem Stator in die Drehrichtung der Nockenwelle, während der Begriff „spät“ eine Verdrehung des Rotors gegenüber dem Stator entgegen der Drehrichtung der Nockenwelle beschreibt.
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Die Lagerung der Nockenwelle im Zylinderkopf und der Einfluss weiterer Ventiltriebskomponenten erzeugen ein Schleppreibmoment, das die Nockenwelle abbremst und die Drehung des Rotors ungewollt in Richtung spät verzögert. Um dieser Schleppreibung entgegenzuwirken, sind der Rotor und der Stator über ein Rückstellelement miteinander verbunden, das eine dem Reibmoment entgegenwirkende Rückstellkraft zwischen Rotor und Stator aufbringt.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist Aufgabe der Erfindung, den Nockenwellenversteller zu verbessern.
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Lösung der Aufgabe
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung schlägt vor, eine Vorspannlänge des Rückstellelementes in Abhängigkeit des Reibmomentes zwischen der Nockenwelle und dem Zylinderkopf einzustellen.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass in einem Nockenwellenversteller definierte Verbindungspunkte am Rotor beziehungsweise Stator vorhanden sind, an denen das Rückstellelement herkömmlich mit einer fest definierten Vorspannlänge in den Nockenwellenversteller eingebaut wird. Damit lässt sich mit einer vorbestimmten Feder jedoch genau ein Federmoment und damit genau ein Rückstellmoment realisieren.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Überlegung zugrunde, dass bereits in einem einzigen Verbrennungsmotor unterschiedliche Rückstellmomente notwendig sein können. So kann an einer Einlassnockenwelle eine von einer Auslassnockenwelle verschiedene Schleppreibung auftreten, so dass die entsprechenden Nockenwellenversteller mit verschiedenen Rückstellmomenten vorgespannt werden müssen. Auch können für die Einlassnockenwelle und für die Auslassnockenwelle unterschiedliche Basispositionen notwendig sein, was heißt, dass die Eingangsnockenwelle gegenüber der Ausgangsnockenwelle in einer Ausgangsposition in Richtung früh oder spät verschoben ist.
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Das Problem kann sich bei der Entwicklung von neuen Motoren verschärfen, wenn die Schleppreibung und somit das erforderliche Rückstellmoment noch nicht bekannt sind. Zur Ermittlung des benötigten Rückstellmoments sind in diesem Fall Funktionsuntersuchungen am befeuerten Verbrennungsmotor notwendig. Ergeben die Funktionsuntersuchungen, dass das Rückstellmoment nur unzureichend die Schleppreibung überwindet, so muss das zu Beginn definierte Rückstellmoment durch Herstellen einer völlig neuen Feder korrigiert werden. Die Herstellung einer geeigneten Feder von der Konzeption bis hin zur Fertigung kann mehrere Wochen in Anspruch nehmen. Um diese Zeit verzögert sich die Entwicklung des neuen Motors.
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Zur Senkung der Entwicklungszeit schlägt die Erfindung daher vor, die Vorspannlänge des Rückstellelements variabel auszugestalten. Auf diese Weise können zwischen Rotor und Stator noch vor Ort bei der Entwicklung verschiedene Rückstellmomente eingestellt werden durch die das durch die Schleppreibung verursachte Reibmoment überwunden werden kann.
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Die Erfindung gibt daher ein Verfahren zum Einstellen eines Nockenwellenverstellers mit einem Rotor und einem Stator an. Dabei sind der Stator und der Rotor über ein Rückstellelement miteinander verbindbar. Das angegebene Verfahren umfasst den Schritt Einstellen einer Vorspannlänge des Rückstellelements in Abhängigkeit eines Reibmomentes zwischen einer den Nockenwellenversteller tragenden Nockenwelle und einem Zylinderkopf.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann die Entwicklungszeit für einen Motor reduziert werden, da das Rückstellelement eines Nockenwellenverstellers ohne größere Wartezeiten an die Anforderungen eines Verbrennungsmotors angepasst werden kann. Darüber hinaus lassen sich Kosten bei der Entwicklung einsparen, da Erprobungsteile mit unterschiedlichen Rückstellmomenten nicht mehr erforderlich sind.
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In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das angegebene Verfahren die Schritte Erfassen des Reibmomentes zwischen der Nockenwelle und dem Zylinderkopf und Einstellen der Vorspannlänge des Rückstellelements derart, dass die Rückstellkraft des Rückstellelements dem Reibmoment entgegenwirkt. Auf diese Weise kann das Rückstellelement die Schleppreibung überwinden und verhindern, dass das durch die Schleppreibung bewirkte Reibmoment die Nockenwelle abbremst und dass die Drehung des Rotors ungewollt in Richtung spät beschleunigt und in Richtung früh verzögert wird.
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In einer zusätzlichen Weiterbildung der Erfindung umfasst das angegebene Verfahren den Schritt Vorspannen des Rückstellelements zwischen dem Rotor und dem Stator mit einer vorbestimmen Kraft vor dem Erfassen des Reibmomentes zwischen der Nockenwelle und dem Zylinderkopf. Dieser Verfahrensschritt ist für bereits mit einem Rückstellelement vorgespannte Nockenwellenversteller besonders bevorzugt geeignet. Derartige Nockenwellenversteller lassen sich dann auch nach der Entwicklung des Motors nachjustieren. Wird beispielsweise während einer Inspektion des Motors festgestellt, dass das Ist-Verhalten des Motors von einem bekannten, einer Kennlinie entsprechenden Soll-Verhalten abweicht, so lässt sich durch ein nachträgliches Variieren der Vorspannlänge des Rückstellelementes das Ist-Verhalten des Motors auf das Soll-Verhalten zurückführen.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weisen der Rotor und/oder der Stator mehrere Verbindungspunkte zum Verbinden mit dem Rückstellelement auf. Dabei wird das Rückstellelement zum Vorspannen mit der vorbestimmten Kraft und zum Vorspannen mit der das Reibmoment reduzierenden Vorspannungskraft entsprechend an unterschiedlichen Verbindungspunkten am Rotor und/oder am Stator verbunden. Das heißt, dass das Rückstellelement voreingestellt beispielsweise an einen Motorenhersteller oder einen Endverbraucher ausgeliefert werden kann, der dann anhand verschiedener Verbindungspunkte am Rotor und/oder am Stator durch einfaches Versetzten von dungspunkte am Rotor und/oder am Stator durch einfaches Versetzten von Rückstellelementpunkten das Rückstellelement geeignet vorspannen und so das notwendige Rückstellmoment zur Kompensation der Schleppreibung einstellen kann. Auf diese Weise ist eine variable Spannvorrichtung für das Rückstellelement zwischen Stator und Rotor realisiert, wobei mit einem einzigen Rückstellelement durch einfaches Ummontieren des Nockenwellenverstellers verschiedene Rückstellmomente erzeugt werden können.
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Als Verbindungspunkte können dabei verschiedene vormontierte Elemente am Nockenwellenversteller, wie beispielsweise Befestigungsschrauben mit verwendet werden. Dies erlaubt es, eine innerhalb gewisser Grenzen vorhandene Anzahl an Rückstellmomenten zu erzeugen, ohne den Nockenwellenversteller dabei zu beschädigen oder umzubauen.
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Alternativ oder zusätzlich könnten die Verbindungspunkte auch nachgefertigt werden. So kann beispielsweise ein einfaches Gewinde für eine Schraube als Verbindungselement in den Stator und/oder in den Rotor eingearbeitet werden. Alternativ können als Verbindungselement Stifte, Ösen oder Haken angeschweißt, angenietet oder angeklebt werden. Durch das Nachfertigen der Verbindungspunkte lässt sich das Rückstellmoment mit hoher Genauigkeit über die Vorspannlänge des Rückstellelementes einstellen.
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In einer besonders bevorzugten Weiterbildung kann die Vorspannlänge derart gewählt sein, dass das Rückstellmoment des Rückstellelements das Reibmoment minimiert, so dass sich das Reibmoment und das Rückstellmoment gegenseitig aufheben.
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Die Erfindung gibt auch einen Nockenwellenversteller umfassend einen Stator, einen relativ zum Stator verdrehbaren Rotor an. Dabei sind wenigstens zwei Verbindungspunkte für ein den Rotor und den Stator verbindendes Rückstellelement am Rotor und wenigstens zwei Verbindungspunkte für das den Rotor und den Stator verbindende Rückstellelement am Stator angeordnet. Durch die Anordnung der Verbindungspunkte am Rotor und am Stator kann eine sehr feine Teilung der Vorspannlängen für das Rückstellelement erreicht werden, so dass sich das Rückstellmoment mit hoher Genauigkeit über die Vorspannlänge des Rückstellelementes einstellen lässt.
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In einer Weiterbildung der Erfindung sind die Verbindungspunkte am Rotor und/oder die Verbindungspunkte am Stator auf einem Kreis um eine Rotationsachse des Rotors und des Stators, insbesondere mit gleichen Abständen in Umfangsrichtung des Nockenwellenverstellers, angeordnet. Durch die Anordnung der Verbindungspunkte auf einem Kreis kann die Vorspannlänge eines Rückstellelementes zwischen Rotor und der Stator mit einer in Umfangsrichtung des Nockenwellenverstellers wirkenden Rückstellkraft erfindungsgemäß beeinflusst werden. Derartige in Umfangsrichtung wirkende Rückstellelemente sind zur Überwindung des Schleppmomentes besonders günstig, da das Schleppmoment entgegen der Umfangsrichtung wirkt.
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In einer alternativen oder zusätzlichen Weiterbildung der Erfindung ist die Zahl der Verbindungspunkte am Rotor von der Zahl der Verbindungspunkte am Stator verschieden. Dies ist besonders günstig, wenn die einzelnen Verbindungspunkte gleichbeabstandet auf Kreisen um den Rotor und den Stator angeordnet sind, da sich so Teilungen für die Vorspannlänge des Rückstellelementes erreichen lassen, die kleiner sind, als der kleinste Abstand zwischen zwei Verbindungspunkten auf dem Rotor- und/oder dem Stator-Kreis.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist ein Abstand zwischen den Verbindungspunkten am Rotor und/oder ein Abstand zwischen den Verbindungspunkten am Stator von einer Steifigkeit des Rückstellelements abhängig. Die Weiterbildung basiert auf der Idee, dass für ein gleiches Rückstellmoment ein weiches, eine niedrige Steifigkeit aufweisendes Rückstellelement mit einer größeren Vorspannlänge vorgespannt werden muss, als ein vergleichbares härteres Rückstellelement mit einer vergleichsweise hohen Steifigkeit. Besonders bevorzugt werden für ein einheitliches Rückstellmoment die Abstände zwischen den Verbindungspunkten daher umso weiter voneinander ausgebildet, umso geringer die Steifigkeit des Rückstellmoments ist.
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In einer anderen oder zusätzlichen Weiterbildung sind die Verbindungspunkte am Stator axial vom Stator hervorspringende Schrauben, in denen das Rückstellelement einhängbar ist. Die Schrauben können beispielsweise Befestigungsschrauben sein, die ohnehin auf dem Nockenwellenversteller vorhanden sind und die durch die Erfindung ohne technische Umstrukturierungsmaßnahmen mit genutzt werden können.
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In einer alternativen oder zusätzlichen Weiterbildung durchdringt der Rotor den Stator axial und weist einen axial vom Stator abragenden Zapfen auf. Dabei sind die Verbindungspunkte am Rotor sich in den Zapfen radial erstreckende Nuten, in denen das Rückstellelement einhängbar ist. Die Nuten können am Zapfen in jeder beliebigen Weise beispielsweise durch Fräßen, Sintern oder Stanzen eingeformt sein. Sie lassen sich besonders nah voneinander beabstanden, so dass die Teilungen für die Vorspannlänge des Rückstellelements weiter reduziert werden können.
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In einer besonders bevorzugten Ausführung ist das Rückstellelement über einen der Verbindungspunkte am Stator und einen der Verbindungspunkte am Rotor mit dem Stator und dem Rotor verbunden. Ferner ist das Rückstellelement eine Feder, insbesondere eine Spiralfeder. Wie bereits erwähnt, sind Spiralfedern besonders günstig, da ihre Rückstellkraft in Umfangsrichtung des Nockenwellenverstellers wirkt.
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In einer besonderen Ausführung des angegebenen Verfahrens ist der Nockenwellenversteller ein angegebener Nockenwellenversteller.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert, in denen:
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1 eine axiale Frontansicht eines angegebenen Nockenwellenverstellers mit einem eingehängten Rückstellelement mit einer ersten Vorspannlänge;
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2 eine axiale Frontansicht des angegebenen Nockenwellenverstellers mit dem eingehängten Rückstellelement mit einer zweiten Vorspannlänge; und
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3 eine axiale Frontansicht des angegebenen Nockenwellenverstellers mit dem eingehängten Rückstellelement mit einer dritten Vorspannlänge zeigen.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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Es wird Bezug auf die 1 bis 3 genommen, die eine axiale Frontansicht eines angegebenen Nockenwellenverstellers 2 mit einem eingehängten Rückstellelement mit verschiedenen Vorspannlängen zeigen. In den Fig. sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Der Nockenwellenversteller 2 weist einen Rotor 4 und einen Stator 6 auf.
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Der Rotor 4 durchdringt axial den Stator 6, so dass axial von vorn auf den Nockenwellenversteller 2 gesehen ein Zapfen 8 über den Stator 6 hervorspringt. In diesen Zapfen 8 sind Nuten 10 bis 16 eingeformt. Die Nuten 10 bis 16 werden nachstehend von einer 12-Uhr Position 18 auf den Nockenwellenversteller 2 aus betrachtet und im Uhrzeigersinn durchgezählt. Die 12-Uhr Position 18 liegt in die Zeichnungsebene hinein betrachtet auf einer radial von der Rotationsache 20 des Nockenwellenverstellers 2 aus gesehenen senkrecht nach oben abragenden Achse 22. Von dieser 12-Uhr Position 18 ausgehend ergeben sich im Uhrzeigersinn betrachtet die erste Nut 10, die zweite Nut 12, die dritte Nut 14 und die vierte Nut 16.
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Der Stator 6 ist aus einem nicht gezeigten Gehäuse und einem in der axialen Frontansicht der Fig. sichtbaren Deckel 24 aufgebaut. Umfänglich um den Stator 6 sind Zähne eines Zahnrades 26 ausgebildet, über das auf den Stator 6 die Antriebsenergie aus einer nicht gezeigten Kurbelwelle eines nicht gezeigten Verbrennungsmotors übertragen werden kann, um den Nockenwellenversteller 2 anzutreiben. Die Kurbelwelle dreht auf diese Weise den Stator 6 in eine Umfangsrichtung 27, die nachstehend mit „früh“ bezeichnet wird. Die der Umfangsrichtung „früh“ gegenüberliegende Richtung wird nachstehend mit „spät“ bezeichnet.
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Der Deckel 24 ist am Gehäuse mit fünf Befestigungsschrauben 28 bis 36 befestigt. Die fünf Befestigungsschrauben 28 bis 36 ragen dabei in nicht gezeigter Weise axial vom Deckel 24 aus der Bildebene hinaus betrachtet ab. Die erste Befestigungsschraube 28 liegt auf der 12-Uhr Position 18. Ausgehend davon werden die weiteren Befestigungsschrauben 30 bis 36 in Frührichtung 27 gezählt, so dass sich die zweite Befestigungsschraube 30, die dritte Befestigungsschraube 32, die vierte Befestigungsschraube 34 und die fünfte Befestigungsschraube 36 ergeben. Ferner ist an einer Umfangsposition am Deckel 24 eine Kerbe 38 ausgebildet, anhand derer die Orientierung der Einzelteile des Nockenwellenverstellers 2 während der Montage zueinander bestimmbar ist. Die Kerbe 38 kann beispielsweise während der Montage auch als Lageorientierung zum Einbau des Rückstellelements herangezogen werden.
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Das Rückstellelement ist in der vorliegenden Ausführung eine Spiralfeder 40. Die Spiralfeder 40 verbindet den Rotor 4 und den Stator 6 in Umfangsrichtung miteinander. Durch die Spiralfeder 40 werden der Rotor 4 und der Stator 6 in einer Ausgangslage gegeneinander vorgespannt. Diese Ausgangslage ist frei wählbar und kann beispielsweise eine Lage des Rotors 4 im Stator 6 sein, in der nicht gezeigte Flügel des Rotors an nicht gezeigten Kammertrennwänden des Stators 6 anliegen.
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Durch die Vorspannung der Spiralfeder 40 werden der Rotor 4 und der Stator 6 durch ein Rückstellmoment der Spiralfeder 40 umfänglich gegeneinander gedrückt. Dieses Zusammendrücken vermeidet, dass ein durch die Schleppreibung der Nockenwelle hervorgerufenes Reibmoment beim Abstellen des Verbrennungsmotors den Rotor 4 und den Stator 6 umfänglich auseinanderzieht und so die Basisposition „früh“ nicht erreicht wird. Ist das Rückstellmoment der Spiralfeder 40 jedoch zu groß, kann es sich im Betrieb negativ auf die relative Bewegung des Rotors 4 und des Stators 6 zueinander auswirken. Daher ist es wünschenswert, dass das Rückstellmoment der Spiralfeder 40 das Reibmoment der Nockenwelle gerade überwindet.
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Zum Vorspannen des Rotors 4 gegen den Stator 6 weist die Spiralfeder 40 ein erstes hakenförmiges Ende 42 und ein zweites hakenförmiges Ende 44 auf. Während das erste hakenförmige Ende 42 im Beispiel der 1 in den axial abragenden Bereich der zweiten Befestigungsschraube 30 am Stator eingehakt ist, ist das zweite hakenförmige Ende 44 in die vierte Nut 16 am Rotor eingehakt. Dabei ist ein Endbereich 46 der Spiralfeder 40 vor dem ersten hakenförmigen Ende 42 radial über den axial abragenden Bereich der dritten Befestigungsschraube 32 geführt.
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Die Spannlage der 1, in der die Spiralfeder 40 zwischen dem Rotor 4 und dem Stator 6 in der oben beschriebenen Ausgangslage verspannt ist, wird nachstehend als Grundspannlage bezeichnet. Die Spannlagen werden nachstehend durch einen Winkel 48 beschrieben, der angibt, um welchen Winkelwert die beiden Enden 42, 44 umfänglich um die Rotationsachse 20 zusammengezogen werden müssen, damit sie radial auf einer Linie liegen.
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In dem dargestellten Nockenwellenversteller 2 kann der Winkelwert für den Winkel 48 vereinfacht bestimmt werden, da die zweite Nut 12 und die dritte Befestigungsschraube 32 radial auf einer Linie liegen. Die Befestigungsschrauben 28 bis 36 sind umfänglich um die Rotationsachse 20 gleichverteilt und weisen somit untereinander einen Winkelabstand von 72° auf. Demgegenüber sind die einzelnen Nuten 10 bis 16 von der ersten Nut aus gesehen in Drehrichtung 27 des Rotors betrachtet voneinander um 82° beabstandet, so dass die vierte Nut 16 und die erste Nut 10 einen Winkelabstand von 114° aufweisen. Der Winkelabstand von 82° der Nuten 10 bis 16 ist für auf die Steifigkeit der Spiralfeder 40 abgestimmt. Je steifer die Feder ist, desto geringer sollte der Winkelabstand zwischen den Nuten 10 bis 16 gewählt werden, um ein entsprechend hohes Rückstellmoment zu erreichen. Entsprechend sollte der Winkelabstand zwischen den Nuten 10 bis 16 erhöht werden, je geringer die Steifigkeit der Spiralfeder 40 ist.
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Aufgrund der oben genannten Zahl an Nuten und Befestigungsschrauben liegt die zweite Befestigungsschraube 30 10° vor der ersten Nut 10, die erste Befestigungsschraube 28 20° vor der vierten Nut 16 und die dritte Befestigungsschraube 36 30° vor der dritten Nut 14. In der Grundspannlage beträgt der Winkel 48 damit 127°.
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Der Nockenwellenversteller 2 kann nun mit der in der Grundspannlage verspannten Spiralfeder 40 mit einem Verbrennungsmotor betrieben werden. Während des Betriebes zeigt sich anhand von Verstellergeschwindigkeitsmessungen, ob die Verstellperformance des Verbrennungsmotors optimal ist. Unter Umständen muss das Rückstellmoment der Spiralfeder 40 korrigiert werden.
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Dazu kann die Spiralfeder 40, wie in 2 gezeigt, mit ihrem ersten Ende 42 an der ersten Befestigungsschraube 28 und mit ihrem zweiten Ende 44 in der dritten Nut 14 eingehängt werden.
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In dieser Spannlage der Spiralfeder 40 ergibt sich für den Winkel 48 ein Wert von 117°. Das heißt, dass die Spiralfeder 40 gegenüber ihrer Grundspannlage um eine Differenz 50 von 10° geöffnet wird und damit den Rotor 4 und den Stator 6 entsprechend schwächer zusammendrückt.
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Mit dieser neuen Spannlage kann die Verstellperformance des Verbrennungsmotors erneut getestet werden. Unter Umständen kann die Spannlage der Spiralfeder 40, wie in den 3 gezeigt, weiter gelockert werden, wodurch die Rückstellkraft weiter reduziert wird.
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In 3 beträgt die Differenz 50 gegenüber der Grundspannlage der Spiralfeder 40 20°.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Nockenwellenversteller
- 4
- Rotor
- 6
- Stator
- 8
- Zapfen
- 10
- Nut
- 12
- Nut
- 14
- Nut
- 16
- Nut
- 18
- 12-Uhr Position
- 20
- Symmetrieachse
- 22
- Achse
- 24
- Deckel
- 26
- Zahnrad
- 27
- Richtung
- 28
- Schraube
- 30
- Schraube
- 32
- Schraube
- 34
- Schraube
- 36
- Schraube
- 38
- Kerbe
- 40
- Spiralfeder
- 42
- Ende
- 44
- Ende
- 46
- Endbereich
- 48
- Winkel
- 50
- Differenz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009002405 A1 [0002]
