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Die Erfindung betrifft eine Rotor-Stator-Einheit, ein Welle-in-Welle-System mit einer solchen Rotor-Stator-Einheit sowie ein Verfahren zur Montage einer Rotor-Stator-Einheit auf einer Welle, insbesondere einer Welle eines Welle-in-Welle-Systems. Die Erfindung ist besonders geeignet für Welle-in-Welle-Systeme in Nockenwellenantrieben.
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Aus
DE 10 2008 029 692 A1 ist eine verstellbare Nockenwelle mit einer als Flügelzellenversteller bezeichneten Rotor-Stator-Einheit bekannt. Der Rotor ist in einem Axialbereich der Nockenwelle koaxial zu dieser angeordnet und mittels einer Verschraubung axial verspannt, so dass der Rotor drehfest gegenüber der Nockenwelle festgelegt ist. Ferner ist eine Axialanschlagbuchse vorgesehen, die axialfest mit der Nockenwelle verbunden ist. Auf der Axialanschlagbuchse ist der Stator angeordnet. Die Verbindung zwischen Stator und Nockenwelle über eine separate Axialanschlagbuchse ist relativ aufwendig und daher kostentreibend.
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Aus
DE 10 2005 023 204 A1 ist eine Vorrichtung zur variablen Einstellung der Steuerzeiten von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine mit einer als Rotationskolbenversteller bezeichneten Rotor-Stator-Einheit bekannt. Im Zusammenhang mit dieser Vorrichtung wird nicht auf die Gestaltung des Stators und die Verbindung des Stators mit einer Welle Bezug genommen.
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Aus
WO 2011/042391 A1 ist ein Nockenwellenantrieb mit einem Welle-in-Welle-System oder einer Rotor-Stator-Einheit bekannt. Bei diesem Nockenwellenantrieb ist der Rotor drehfest mit einer Innenwelle verbunden. Der Stator ist mehrteilig ausgebildet und umfasst insbesondere einen als Deckelelement bezeichneten Statordeckel. Der Statordeckel ist mittels einer Pressverbindung drehfest mit einer als Hohlwelle ausgebildeten Außenwelle verbunden. Nachteilig an der Pressverbindung ist, dass sich das Deckelelement beim Aufpressen verformen kann und in diesem Fall die Gefahr besteht, dass die Funktionsfähigkeit des Rotors und insbesondere dessen Beweglichkeit innerhalb des Stators durch Verformung des Deckelelements beeinträchtigt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rotor-Stator-Einheit, ein Welle-in-Welle-System mit einer solchen Rotor-Stator-Einheit sowie ein Verfahren zur Montage einer Rotor-Stator-Einheit auf einem Welle-in-Welle-System zur Verfügung zu stellen, welches eine Pressverbindung zwischen dem Stator der Rotor-Stator-Einheit und einer Welle ermöglicht und die Gefahr einer Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit des Rotors durch die Pressverbindung verringert.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 7 bzw. 10.
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Eine erfindungsgemäße Rotor-Stator-Einheit umfasst ein Statorgehäuse sowie einen in dem Statorgehäuse aufgenommenen, drehbar gelagerten Rotor, wobei an dem Statorgehäuse eine zylindrische Pressfläche zur Herstellung einer drehfesten Pressverbindung zwischen Statorgehäuse und einer Welle ausgebildet ist, und wobei eine zu dem Rotor weisende Innenwand des Statorgehäuses, welche sich in radialer Richtung erstreckt und an die Pressfläche anschließt, mindestens einen Rücksprung aufweist. Unter einem Rücksprung im Sinne der Erfindung sind insbesondere ein Einstich in der Innenwand oder eine sonstige, sich verjüngende oder zumindest gegenüber dem Rotor zurückspringende Innenwand zu verstehen. Die Ausbildung eines Rücksprungs hat den Vorteil, dass Materialspannungen, die sich bei der Herstellung einer Pressverbindung zwischen dem Statorgehäuse und einer Welle ausbilden, nicht ungehindert von der Pressfläche nach außen in radialer Richtung ausbreiten, sondern durch den Rücksprung zumindest reduziert werden. Auf der sich von dem Rücksprung in radialer Richtung nach außen erstreckenden, dem Rotor zugewandten Innenwand des Statorgehäuses ist daher die Gefahr einer Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit des Rotors durch die Pressverbindung deutlich verringert. Dieser Bereich wird daher durch die Pressverbindung nicht oder nur unwesentlich beeinträchtigt und eignet sich insofern für die Lagerung des Rotors.
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In einer praktischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Rotor-Stator-Einheit ist das Statorgehäuse mehrteilig ausgebildet. In Betracht kommt insbesondere die Ausbildung eines einseitig offenen Grundgehäuses mit zylindrischer Innenkontur, das über einen seitlichen Gehäusedeckel verschlossen wird. In diesem Fall kann die Vormontage einer erfindungsgemäßen Rotor-Stator-Einheit auf einfache Art und Weise dadurch erfolgen, dass zunächst der Rotor seitlich in das einseitig offene Grundgehäuse eingesetzt und das Grundgehäuse anschließend durch eine Verbindung mit dem Gehäusedeckel verschlossen wird. Die Verbindung zwischen Grundgehäuse und Gehäusedeckel kann kraftschlüssig, stoffschlüssig oder formschlüssig erfolgen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Gehäusedeckel mit dem Grundgehäuse verschraubt. Die Pressfläche kann sowohl an dem Gehäusedeckel als auch an dem Grundgehäuse ausgebildet sein. Da der Gehäusedeckel in der Regel eine einfachere Geometrie aufweist und die Bearbeitung bzw. Nachbearbeitung eines Elements mit einfacher Geometrie kostengünstiger ist als die Bearbeitung eines Elements mit komplexer Geometrie, wird die Ausbildung der Pressfläche sowie die Ausbildung des mindestens einen Rücksprungs an dem Gehäusedeckel bevorzugt.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Rotor-Stator-Einheit besteht darin, dass das Statorgehäuse – bzw. bei mehrteiliger Ausbildung des Statorgehäuses ein Element des Statorgehäuses, welches die Pressfläche aufweist bzw. an die Pressfläche angrenzt – nach dem Herstellen der Pressverbindung nicht zusätzlich bearbeitet werden muss.
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Wie bereits erwähnt, kann der mindestens eine Rücksprung an dem Stator ein Einstich sein, beispielsweise ein kreisringförmiger Einstich mit im Radialschnitt halbkreisförmiger Kontur. Alternativ können auch mehrere Rücksprünge auf der Innenwand des Statorgehäuses über den Umfang verteilt angeordnet sein. Nur beispielsweise wird diesbezüglich auf die Möglichkeit der Anordnung von Vertiefungen mit halbkugelförmiger oder sonstiger Geometrie hingewiesen. Vorzugsweise sind die Rücksprünge dabei so angeordnet, dass die Summe der Winkelbereiche mit Vertiefungen größer als 180° ist. Bevorzugt ist die Summe der Winkelbereiche mindestens 270° groß und besonders bevorzugt 360°. Im letztgenannten Fall sind die Ausnehmungen so angeordnet, dass es keine Verbindung von der durch die Pressfläche und die Innenseite gebildeten kreisförmigen Kante zu der Verbindungskante zwischen der Innenseite und der Mantelfläche gibt, die nicht durch mindestens einen Rücksprung verläuft. In Verbindung mit der Figurenbeschreibung wird hierauf noch einmal im Detail Bezug genommen.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rotor-Stator-Einheit ist der Abstand b zwischen dem Statorgehäuse und dem Rotor in dem Bereich zwischen dem mindestens einen Rücksprung und der Pressfläche größer als in dem einem sich in radialer Richtung nach außen an den mindestens einen Rücksprung anschließenden Bereich. Dies kann insbesondere dadurch realisiert werden, dass an dem Rotor auf der zu dem mindestens einen Rücksprung des Statorgehäuses zugewandten Seite oder an dem Stator in dem Bereich zwischen dem mindestens einen Rücksprung und der Pressfläche eine Ausnehmung ausgebildet ist. Durch diese Gestaltung kann die Sicherheit einer erfindungsgemäßen Rotor-Stator-Einheit weiter erhöht werden. Denn durch die Wahl eines geeigneten Abstandes b kann sichergestellt werden, dass es auch bei einer etwaigen plastischen Verformung (beispielsweise im Falle einer Auswölbung) des Statorgehäuses während der Pressverbindung nicht zu einem ungewünschten, eine Drehbewegung des Rotors hemmenden Kontakt zwischen Statorgehäuse und Rotor kommt.
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In einer anderen praktischen Ausführungsform der Erfindung weist der Stator in dem Bereich zwischen dem mindestens einen Rücksprung und der Pressfläche eine Breite B1 auf, die größer ist als die Breite B2 im Bereich des Rücksprungs und/oder in dem sich radial nach außen an den Rücksprung anschließenden Bereich. Mit anderen Worten ausgedrückt, kann bei dieser Ausführungsform der Bereich der Pressfläche gegenüber dem übrigen Bereich verstärkt ausgebildet sein. Dies erhöht die Festigkeit der Pressverbindung und minimiert den benötigten Bauraum im übrigen Bereich. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Statorgehäuse in diesem Fall eine im Radialschnitt im Wesentlichen L-förmige oder T-förmige Grundform auf, wobei im Falle einer T-förmigen Grundform vorzugsweise der außenseitige lange Abschnitt des ”T” als Pressfläche ausgebildet ist.
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Die Erfindung betrifft auch ein Welle-in-Welle-System mit einer Innenwelle und einer koaxial zu der Innenwelle angeordneten, diese zumindest teilweise umschließenden Außenwelle sowie einer erfindungsgemäßen Rotor-Stator-Einheit, wobei die Pressfläche des Rotorgehäuses der Rotor-Stator-Einheit über eine Pressverbindung drehfest mit der Außenwelle verbunden ist. Die erfindungsgemäße Rotor-Stator-Einheit betrifft insofern auch eine Nockenwellenanordnung mit Innenwelle und Außenwelle. Die Erfindung wurde speziell für diesen Anwendungsfall konzipiert. Sie erhöht nicht nur wie vorstehend beschrieben die Sicherheit, sondern es werden darüber hinaus die Herstellungskosten reduziert, da aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung ein erleichtertes Montageverfahren angewendet werden kann. Auf dieses Verfahren wird nachfolgend noch Bezug genommen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Welle-in-Welle-System bzw. eine Nockenwellenanordnung mit einem Rotor, der über eine axial angeordnete Zentralschraube drehfest auf der Innenwelle angeordnet ist.
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Wenn an einem erfindungsgemäßen Welle-in-Welle-System an der Außenwelle ein radial hervorragender Anschlag zur axialen Ausrichtung des Stators gegenüber der Außenwelle ausgebildet oder angeordnet ist, wird die Montage weiter erleichtert und die Sicherheit weiter erhöht. Eine Fehlpositionierung des Stators relativ zur Welle, mit welcher eine Pressverbindung hergestellt werden soll, ist dann nahezu ausgeschlossen.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Montage einer Rotor-Stator-Einheit auf einem Welle-in-Welle-System, auf welches bereits verwiesen wurde, umfasst folgende Verfahrensschritte:
- a) Vormontage der Rotor-Stator-Einheit derart, dass der Rotor innerhalb des Statorgehäuses gelagert und drehbar angeordnet ist,
- b) Aufpressen mindestens eines Elements des Statorgehäuses auf die Außenwelle zur Herstellung einer drehfesten Pressverbindung zwischen Statorgehäuse und Außenwelle und
- c) Herstellen einer drehfesten Verbindung zwischen Rotor und Innenwelle.
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Schritt c) kann insbesondere durch Festziehen einer Zentralschraube in die Innenwelle derart erfolgen, dass der Rotor gegen die Innenwelle geklemmt und somit drehfest fixiert ist. Die Verfahrensschritte a) bis c) werden vorzugsweise in der oben beschriebenen Reihenfolge durchgeführt. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, eine vollständige Vormontage einer Rotor-Stator-Einheit zeitlich und örtlich flexibel durchzuführen. Die Endmontage beschränkt sich dann auf die Schritte b) und c). Dadurch kann der für die Endmontage erforderliche Zeitaufwand reduziert und die zeitliche und örtliche Flexibilität der Montage erhöht werden.
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Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 ein Welle-in-Welle-System mit einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rotor-Stator-Einheit in einer radialen Halbschnittdarstellung,
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2 die Innenfläche des Gehäusedeckels des Statorgehäuses der in 1 dargestellten Rotor-Stator-Einheit gemäß dem Pfeil II in 1 und
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3 die Innenfläche eines Gehäusedeckels eines Statorgehäuses einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rotor-Stator-Einheit.
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1 zeigt ein Welle-in-Welle-System 10 mit einer erfindungsgemäßen Rotor-Stator-Einheit 12. Die Rotor-Stator-Einheit 12 umfasst ein zweiteiliges Statorgehäuse 14, bestehend aus einem Grundgehäuse 16 und einem Gehäusedeckel 18, sowie einen nur schematisch dargestellten Rotor 20, der von dem Statorgehäuse 14 aufgenommen und drehbar in diesem gelagert ist. Die Führung des Rotors 20 erfolgt entlang der drei äußeren Seiten mit den in 1 gekennzeichneten Leckagespalten l1, l2 und l3.
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Wie in 1 zu erkennen ist, weist die zu dem Rotor 20 weisende Innenwand 22 des Statorgehäuses 14, welche in der gezeigten Ausführungsform die zum Rotor 20 weisende Seite des Gehäusedeckels 18 ist, einen Rücksprung 24 auf. Bei dem Rücksprung 24 handelt es sich in der gezeigten Ausführungsform um eine im Profil halbkreisförmige Vertiefung 26 (siehe 1). Wie in 2 zu erkennen ist, erstreckt sich die Vertiefung 26 über den gesamten Umfang der Innenwand 22 des Gehäusedeckels 18.
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Die Innenwand 22 des Gehäusedeckels 18 des Statorgehäuses 14 erstreckt sich in radialer Richtung nach innen bis zu einer sich in axialer Richtung erstreckenden, zylindrischen Pressfläche 28. Im Bereich der Pressfläche 28 weist der Gehäusedeckel 18 in der ersten Ausführungsform die Breite B1 auf. Im Bereich des Rücksprungs 24 und in dem sich in radialer Richtung nach außen anschließenden Bereich weist der Gehäusedeckel 18 die Breite B2 auf, wobei die Breite B1 erkennbar größer ist als die Breite B2.
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Wie in 1 ferner zu erkennen ist, weist der Rotor 20 auf der zu dem Rücksprung 24 weisenden Seite eine Ausnehmung 30 auf, die in einem Bereich oberhalb des Rücksprungs 24 beginnt und sich nach Erreichen ihrer maximalen axialen Ausdehnung in radialer Richtung nach innen über die verbleibende radiale Ausdehnung des Rotors 20 erstreckt. Die Ausnehmung 30 erstreckt sich darüber hinaus über den gesamten Umfang des Rotors 20. Dadurch ergibt sich zwischen dem Rotor 20 und dem Gehäusedeckel 18 der in 1 eingetragene Abstand b, welcher erkennbar größer ist als der sich in radialer Richtung nach außen anschließende Leckagespalt l3.
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Das in 1 dargestellte Welle-in-Welle-System 10 umfasst eine Innenwelle 32, eine koaxial zu der Innenwelle 32 angeordnete und die Innenwelle 32 teilweise umschließende Außenwelle 34.
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Die Rotor-Stator-Einheit 12 wird vorzugsweise zunächst vormontiert, indem der Rotor 20 (in 1 von der rechten Seite aus) in das Grundgehäuse 16 eingesetzt wird und anschließend der Gehäusedeckel 18 fest mit dem Grundgehäuse 16 verbunden wird. In der gezeigten Ausführungsform wird die Verbindung zwischen Gehäusedeckel 18 und Grundgehäuse 16 über mehrere, nicht dargestellte Schraubverbindungen hergestellt.
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Die vormontierte Rotor-Stator-Einheit 12 wird dann (in 1 von der linken Seite aus) auf einen an der Außenwelle 34 ausgebildeten Absatz 36 aufgepresst und dadurch drehfest mit der Außenwelle 34 verbunden. Anschließend wird eine Zentralschraube 38 axial in die Innenwelle 32 eingeschraubt, um den Rotor 20 gegen einen an der Innenwelle 32 ausgebildeten Absatz 40 zu klemmen und diesen somit drehfest mit der Innenwelle 32 zu verbinden. Wie in 1 ersichtlich ist, ist eine exakte Positionierung der Rotor-Stator-Einheit 12 auf der Außenwelle 34 erforderlich, damit eine. Relativbewegung des Rotors 20 gegenüber dem Statorgehäuse 14 nicht durch Kontakt zwischen Rotor 20 und Statorgehäuse 14 behindert wird.
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3 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Innenfläche eines Gehäusedeckels 18 eines Statorgehäuses 14 einer erfindungsgemäßen Rotor-Stator-Einheit 12. Für identische oder funktionsgleiche Elemente werden im Folgenden die gleichen Bezugszeichen verwendet. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich insbesondere dadurch, dass anstelle eines sich ringförmig über den gesamten Umfang erstreckenden Rücksprungs 24 (vgl. 2) eine Vielzahl von Rücksprüngen 24 in der Innenwand 22 ausgebildet sind (vgl. 3). In 3 sind exemplarisch je ein Winkelbereich α, in welchem sich ein Rücksprung 24 befindet, und ein Winkelbereich β, in welchem sich kein Rücksprung 24 befindet, eingetragen. Wenn diese Winkelbereiche α und β sich – wie in 3 dargestellt – über den gesamten Umfang abwechseln, weil die Rücksprünge 24 regelmäßig angeordnet sind, gleichmäßig über den Umfang verteilt sind und jeweils die gleiche Geometrie aufweisen, ist die Summe aller Winkelbereiche α, in welchen Rücksprünge 24 angeordnet sind, wesentlich größer als die Summe der Winkelbereiche β, in welchen keine Rücksprünge 24 angeordnet sind. In dem gezeigten Beispiel ergibt sich ein Verhältnis von ca. 320° (Summe aller Winkelbereiche α) zu 40° (Summe aller Winkelbereiche β).
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In weiteren, nicht dargestellten Ausführungsformen, existieren überhaupt keine Winkelbereiche β, d. h. es befindet sich in jedem beliebigen Winkelbereich auf einer zum Rotor 20 weisenden Innenwand 22 des Statorgehäuses 14 mindestens ein Rücksprung 24.
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Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Sie kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Welle-in-Welle-System
- 12
- Rotor-Stator-Einheit
- 14
- Statorgehäuse
- 16
- Grundgehäuse
- 18
- Gehäusedeckel
- 20
- Rotor
- 22
- Innenwand
- 24
- Rücksprung
- 26
- Vertiefung
- 28
- Pressfläche
- 30
- Ausnehmung
- 32
- Innenwelle
- 34
- Außenwelle
- 36
- Absatz (an der Außenwelle ausgebildet)
- 38
- Zentralschraube
- 40
- Absatz (an der Innenwelle ausgebildet)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008029692 A1 [0002]
- DE 102005023204 A1 [0003]
- WO 2011/042391 A1 [0004]
