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Die Erfindung betrifft einen Nockenwellenversteller mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 und einen Federdeckel mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Anspruchs 10.
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Ein gattungsgemäßer Nockenwellenversteller ist beispielsweise aus der
EP 1 979 582 B1 bekannt. Der Nockenwellenversteller weist in seinem Grundaufbau einen von einer Kurbelwelle antreibbaren Stator und einen drehfest mit der Nockenwelle verbundenen Rotor auf. Zwischen dem Stator und dem Rotor ist ein Ringraum vorgesehen, welcher durch drehfest mit dem Stator verbundene, radial nach innen ragende Vorsprünge in eine Mehrzahl von Arbeitskammern unterteilt ist, die jeweils durch einen radial von dem Rotor nach außen abragenden Flügel in zwei Druckräume unterteilt sind. Je nach Beaufschlagung der Druckkammern mit einem Druckmittel wird der Rotor gegenüber dem Stator und damit auch die Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle in Richtung „früh” oder „spät” verstellt. Der Druckaufbau des Druckmittels erfolgt ebenfalls über die Kurbelwelle, weshalb bei niedrigen Drehzahlen nur ein geringer Druck bereitgestellt werden kann. Zur Kompensation dieses Verhaltens wird beispielsweise in der
EP 1 979 582 B1 der Stator über eine Torsionsfeder mit dem Rotor verbunden, wodurch auch bei niedrigen Motordrehzahlen ein entsprechendes Moment zwischen dem Stator und dem Rotor wirkt. Die Torsionsfeder ist mit einem radial äußeren Ende an einem dem Stator zugeordneten Vorsprung und mit einem radial inneren Ende an einem dem Rotor zugeordneten Stift eingehängt. Die Spiralfeder ist durch einen in einen ringzylindrischen Fortsatz des Stators eingepressten Deckel nach außen gesichert. In axialer Richtung wird die Torsionsfeder von einer ersten Seite durch eine Auflagefläche des Stators gestützt, auf der zweiten Seite wird die Stützwirkung von einem Federdeckel übernommen, der drehfest mit dem Stator bzw. mit einem statorfesten Verriegelungsdeckel verbunden ist. In der Druckschrift
DE 10 2011 089 048 A1 ist der Federdeckel radial elastisch verjüngbar ausgeführt, so dass der Federdeckel über radiale Einbuchtungen mit den axial ausgerichteten Schraubenenden des Stators verspannt werden kann. Eine weitere Möglichkeit, die in
DE 10 2011 089 046 A1 beschrieben ist, ist das Verstanzen des Federdeckels mit axialen Bohrungen auf der Stirnseite des Stators. Ferner wird in
DE 10 2010 005 602 A1 vorgeschlagen, einen den Federdeckel aufnehmenden Verriegelungsdeckel, der die Druckkammern abdichtet, mit einem umlaufenden Bund zu versehen. An der Außenseite des Bundes des Federdeckels sind Nasen vorgesehen. Bei einem Einschieben des Bundes des Federdeckels in den Bund des Verriegelungsdeckels schnappen die Nasen des Federdeckels in die Taschen des Verriegelungsdeckels, und es entsteht eine formschlüssige Verbindung. Bei dieser Ausführungsform kommt es aufgrund der Relativbewegung zwischen dem drehfest mit dem Stator verbundenen Verriegelungsdeckel und dem Federdeckel zu einem Schlupf, was wiederum zu Verschleißerscheinungen an den in der formschlüssigen und/oder kraftschlüssigen Verbindung aufeinandertreffenden Kontaktflächen führt und folglich zu einem Bauteilversagen führen kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Nockenwellenversteller und Federdeckel bereitzustellen, bei dem die oben genannten Nachteile überwunden werden.
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Die Aufgabe wird durch einen Nockenwellenversteller und einen Federdeckel mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bis 10 gelöst. Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind den Figuren und der zugehörigen Beschreibung zu entnehmen.
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Gemäß den Grundgedanken der Erfindung wird zur Lösung der Aufgabe vorgeschlagen, dass zumindest eine Kontaktfläche zwischen der statorfesten Mantelfläche und dem Bund des Federdeckels reibungswerterhöhend ausgebildet ist. Durch die Erhöhung des Reibwertes zwischen einem statorfesten Mantel, der durch den Stator selbst oder durch einen Verriegelungsdeckel gebildet werden kann, wird der Schlupf des Federdeckels gegenüber dem Stator verringert. Folglich wird der Verschleiß, der durch die Relativbewegung zwischen den Nasen des Federdeckels und dem statorfesten Verriegelungsdeckel entsteht, minimiert. Es wird hierzu insbesondere angestrebt, den Reibwert in Umfangsrichtung zu erhöhen. Dies kann vorzugsweise durch eine Veränderung der Oberflächenstruktur geschehen, z. B. in Form von Rillen. Ein alternativer Lösungsvorschlag sieht vor, den Reibwert durch eine Beschichtung der Oberfläche, z. B. mit einem Lack, zu erhöhen.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass eine reibungswerterhöhende Kontaktfläche an der Außenseite des Bundes des Federdeckels ausgebildet ist. Die Erhöhung des Reibwertes ist besonders an der Außenfläche des Federdeckels sinnvoll, da diese Fläche den größtmöglichen Abstand zur Drehachse des Nockenwellenverstellers aufweist und damit die durch ein Drehmoment tangential zur Kontaktfläche aufgebrachte Kraft ein Minimum erreicht. Alternativ kann die reibungswerterhöhende Fläche auch an der Innenseite eines statorfesten Mantels, der den Bund des Federdeckels umgibt, ausgebildet sein. Aus fertigungstechnischer Sicht ist jedoch die Außenfläche des Bundes des Federdeckels aus Gründen der einfacheren Zugänglichkeit zu bevorzugen.
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Ferner ist es besonders vorteilhaft, die reibungswerterhöhende Kontaktfläche an mindestens einer Außenfläche der Nasen des Federdeckels auszubilden. Die Nasen bilden zusammen mit den Taschen des statorfesten Verriegelungsdeckels eine formschlüssige Verbindung, wobei die Nase im montierten Zustand eine Normalkraft auf die Kontaktfläche der Tasche ausübt. Es ist vorteilhaft, diesen Abschnitt für die Erhöhung des Reibwertes zu nutzen, da die wirkende Normalkraft den Effekt eines erhöhten Verdrehmomentes noch verstärkt.
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Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die radial außen liegende Kontaktfläche des Bundes des Federdeckels Rillen aufweist, die in axialer Richtung verlaufen. Aus dem Stand der Technik bereits bekannte Lösungen zur Verbindung des Federdeckels mit dem statorfesten Verriegelungsdeckel mit einer Schnappverbindung sichern den Federdeckel vorrangig in axialer Richtung. Im Betrieb des Nockenwellenverstellers wirkt über die Torsionsfeder, die sich am Federdeckel abstützt, ein Moment auf den Federdeckel, das sich auf die Verbindung zum Verriegelungsdeckel überträgt. Eine Reibkrafterhöhung durch Rillen, die in axialer Richtung verlaufen und damit die Reibkraft in Umfangsrichtung erhöhen, ist damit besonders zweckmäßig. Bei der Ausführung der Rillen ist sowohl ein paralleler Verlauf der Rillen als auch ein Kreuzmuster denkbar. Die Herstellung einer Rillenform ist aus fertigungstechnischer Sicht mit geringem Aufwand und damit kostengünstig durchführbar.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Rillen an der dem Stator zugewandten Kante des Federdeckels beginnen und sich in axialer Richtung zumindest über die Länge erstrecken, die im montierten Zustand von einer statorfesten Mantelfläche bedeckt ist. Zur Erzielung der Wirkung eines erhöhten Verdrehmomentes ist nur die Fläche des Federdeckels relevant, die von der Innenseite des statorfesten Mantels umgeben wird. Durch die Begrenzung der reibungswerterhöhenden Maßnahmen auf diese Teilflächen können die Durchlaufzeit und die Fertigungskosten reduziert werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die Rillen eine Tiefe von 8 bis 12 μm auf. Diese Tiefe hat sich als besonders zweckmäßig erwiesen, da hierzu keine die Materialeigenschaft verändernden Materialumformungen notwendig sind und dennoch der gewünschte Effekt einer Reibwerterhöhung erzielt wird. Zusätzlich wird durch die geringe Tiefe eine einfache und schnelle Fertigung gewährleistet, womit auch die Fertigung im Rahmen einer Großserie ermöglicht wird.
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Ferner verlaufen die Rillen bevorzugt in einem Abstand von 150 μm zueinander. Dieser Abstand bietet einen idealen Kompromiss zwischen Reibwerterhöhung und Fertigungsaufwand.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Rillen an ihrem Rand Aufwürfe aufweisen und die Aufwürfe im Bezug zu der Außenfläche des Bundes des Federdeckels eine Höhe von 6 bis 9 μm aufweisen. Der Vorteil eines Aufwurfs am Rand der Rillen liegt in einer zusätzlichen Erhöhung des Reibwertes, wodurch die Anzahl der Rillen bei einem gleichbleibenden Verdrehmoment reduziert werden kann. Je nach Fertigungsverfahren können die Aufwürfe in einem Arbeitsschritt zusammen mit dem Einbringen der Rillen gefertigt werden. Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass das für die Ausbildung der Rillen abgetragene Material für die Autwürte verwendet werden kann und damit eine Höhe des Aufwurfs von ca. 6 bis 9 μm erreicht wird. Ein weiterer Vorteil ist daher die schnelle und kostengünstige Fertigung.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, dass die Erhöhung des Reibwertes durch eine laserstrukturierte Oberfläche erzielt wird. Insbesondere an der Stelle der Nasen des Federdeckels ist das Aufbringen einer reibungswerterhöhenden Struktur durch Umformung problematisch, da die Gefahr besteht, dass durch diesen Vorgang die Form der Nasen negativ beeinflusst wird. Dies kann zur Folge haben, dass durch die ursprünglich exakt aufeinander abgestimmte Passform der Formschlusselemente keine formschlüssige Verbindung mehr zwischen Federdeckel und statorfestem Mantel möglich ist. Durch Aufbringen der reibungswerterhöhenden Struktur mit einem Laser müssen keine Kräfte auf den zu strukturierenden Bereich aufgebracht werden, die zu einer Verformung der Nasengeometrie führen könnten. Die durch den Laser entstehende Hitze hinterlässt nur eine sehr kleine Wärmeeinflusszone an der strukturierten Oberfläche von maximal 7 μm. Ein weiterer Vorteil einer Laserstruktur ergibt sich aus der schnellen und einfachen Fertigung, die eine kostengünstige Herstellung erlaubt. Zusätzlich wirkt es sich vorteilhaft aus, dass die bereits beschriebenen Aufwürfe am Rand der Rillen in einem Fertigungsschritt hergestellt werden können, indem das Material aus den Rillen beim Aufschmelzen der Oberfläche zu Aufwürfen verdrängt wird. Die Oberflächenbearbeitung erfolgt demnach ohne einen Materialabtrag. Durch die vorgeschlagene Oberflächenbearbeitung kann eine Oberfläche mit einer vorgegebenen Rauheit mit sehr geringen Kosten hergestellt werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:
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1: einen Verriegelungsdeckel;
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2: einen Federdeckel;
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3: einen Ausschnitt einer reibungswerterhöhenden Kontaktfläche an der Außenseite eines Bundes eines Federdeckels; und
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4: eine Schnittdarstellung einer Rille mit Aufwürfen.
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Aus
DE 10 2010 005 602 A1 ist ein Federelement bekannt, das in seinem Aufbau dem vorliegenden Federdeckel entspricht, so dass diese Druckschrift bezüglich des Federelements zu der Offenbarung dieser Anmeldung hinzuzuziehen ist.
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Ein erfindungsgemäßer Nockenwellenversteller besteht aus einem drehfest mit einer Nockenwelle verbundenen Stator, der radial nach innen ragende Statorstege aufweist. Ein drehfest mit einer Kurbelwelle verbundener Rotor mit mehreren von einem radial inneren Ring nach außen vorstehenden Flügeln unterteilt durch den Stator gebildete Arbeitskammern in Druckkammern, die über Druckmittelleitungen mit Druckmittel beaufschlagt werden können und somit der Relativwinkel zwischen dem Stator und dem Rotor gesteuert werden kann. Ein Nockenwellenversteller gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist eine zwischen dem Stator und dem Rotor wirkende Torsionsfeder mit spiralförmigen Windungen auf, die mit einem radial innen liegenden ersten Federende gegenüber dem Rotor und mit einem radial äußeren Federende gegenüber dem Stator verbunden ist. Da der Druckaufbau des Druckmittels über die Kurbelwelle erfolgt, kann bei niedrigen Drehzahlen nur ein geringer Druck bereitgestellt werden. Durch die zwischen dem Stator und dem Rotor wirkende Torsionsfeder wird ein Moment aufgebracht, das dazu dient, dieses Verhalten zu kompensieren.
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1 zeigt einen gattungsgemäßen Verriegelungsdeckel 1, der statorfest mit dem Stator des Nockenwellenverstellers verbunden ist. Er dichtet mit einer vom Betrachter abgewandten, senkrecht zu einer Drehachse 6 des Nockenwellenverstellers stehenden Fläche des Verriegelungsdeckels 1 die mit Druckmittel gefüllten Druckkammern ab und stützt mit der gegenüberliegenden Seite die spiralförmige Torsionsfeder in axialer Richtung ab. Das radial äußere Ende der Torsionsfeder ist in dieser Ausführungsform an einem nicht gezeigten Haltelement an einer Grundfläche 14 des Verriegelungsdeckels 1 befestigt.
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Ein in 2 gezeigter Federdeckel 2 wird mit einem Bund 12 in einen Mantel 15 des Verriegelungsdeckels 1 eingeschoben. Der Federdeckel 2 stützt die vorgespannte Torsionsfeder ebenfalls über eine Grundfläche 13 des Federdeckels 2 ab, so dass die Torsionsfeder auch während des Betriebs zuverlässig in ihrer Position gehalten wird.
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Die Verbindung des Federdeckels 2 mit dem Verriegelungsdeckel 1 wird über eine formschlüssige Verbindung zwischen einer Nase 5 des Federdeckels 2 und einer Tasche 4 an einer inneren Mantelfläche 3 des Verriegelungsdeckels 1 realisiert; es entsteht somit eine Schnappverbindung. Alternativ oder ergänzend können auch Nasen des Verriegelungsdeckels 1 mit Taschen des Federdeckels 2 eine formschlüssige Verbindung bilden. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass der Verriegelungsdeckel 1 nicht zwingend erforderlich ist. Alternativ kann auch eine direkte Verbindung zwischen dem Federdeckel 2 und dem Stator realisiert werden. Bei dieser Ausführungsform ist am Stator ein sich axial erstreckender Bund vorzusehen, der mit dem Bund 12 des Federdeckels 2 verbunden werden kann.
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Der erfindungsgemäße Federdeckel 2 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine reibungswerterhöhende Kontaktfläche 11 auf, die sich auf den Bereich der radial außen liegenden Oberfläche der Nasen 5 des Federdeckels 2 und die umliegende Oberfläche beschränkt.
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3 zeigt einen Ausschnitt der Außenseite 7 des Bundes 12 des Federdeckels 2. Es ist eine vergrößerte Darstellung der Nase 5 an einer Außenseite 7 des Bundes 12 des Federdeckels 2 zu erkennen. Die Nase 5 wird durch eine rechteckige Teilfläche der Außenfläche 7 des Bundes 12 gebildet, die nach radial außen vorsteht und in dieselbe Richtung vorgespannt ist. Die reibungswerterhöhende Kontaktfläche 11 wird in Form von Rillen 9, die in die Außenseite 7 des Bundes 12 eingebracht sind, realisiert. Die Rillen 9 erstrecken sich in axialer Richtung und verlaufen somit orthogonal zu der Umfangsrichtung und damit auch orthogonal zu der von der Torsionsfeder zwischen dem Verriegelungsdeckel 1 und dem Federdeckel 2 wirkenden Umfangskraft. Die Ausrichtung der Rillen 9 in axialer Richtung ermöglicht eine größtmögliche Reibungswerterhöhung. Alternativ sind aber auch sich kreuzende Rillen als Muster vorstellbar. Weiterhin könnten parallele Rillen eingebracht werden, die nicht in axialer Richtung verlaufen.
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Der Abstand der Rillen zueinander beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 150 μm. Die durch die Rillen 9 reibungswerterhöhende Kontaktfläche 11 wird an einer ersten Seite durch eine Kante 8 des Bundes 12 des Federdeckels 2 begrenzt. An den übrigen drei Flächen ragt die reibungswerterhöhende Kontaktfläche 11 über die Oberfläche der Nase 5 hinaus. An der Kante 8 der dem Bunde 12 gegenüberliegenden Seite erstrecken sich die Rillen 9 in axialer Richtung nur so weit, dass sie noch von einer inneren Mantelfläche 3 des Verriegelungsdeckels 1 umgeben werden.
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Um ein größtmögliches Widerstandsmoment beim Verdrehen des Federdeckels 2 gegenüber dem Verriegelungsdeckel 1 durch die reibungswerterhöhende Kontaktfläche 11 zu erzielen, sind die Rillen 9 insbesondere an der radial außen liegenden Fläche der Nasen 5 vorzusehen. Durch die Klemmwirkung der Nasen 5 auf die innere Mantelfläche 3 des Verriegelungsdeckels 1 wirkt auf die beiden Kontaktflächen eine erhöhte Normalkraft, wodurch das Widerstandsmoment beim Verdrehen des Verriegelungsdeckels 1 gegenüber dem Federdeckel 2 erhöht wird. Die auf der Außenseite der Nasen 5 aufgebrachten Rillen 9 weisen in diesem Ausführungsbeispiel die identische Ausrichtung auf wie die neben den Nasen 5 eingebrachten Rillen 9. Dies ermöglicht es, die jeweiligen Rillen 9 bei der Fertigung, z. B. mit einem Laser, in einer linearen Bewegung einzubringen.
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In 4 ist eine vergrößerte Schnittdarstellung einer Rille 9 in radialer Richtung dargestellt. Die Tiefe a der Rillen 9 im Bezug zu der Außenseite des Bundes 7 betragt in diesem Ausführungsbeispiel 8 bis 12 μm. Die Rillen 9 weisen dabei eine grabenförmige Form auf. Alternativ sind aber auch Rillen mit einer rechteckigen oder V-förmigen Schnittfläche denkbar. Am Rand der Rillen 9 befinden sich Aufwürfe 10, die im Bezug zur Außenseite 7 des Bundes 12 eine Höhe b von 6 bis 9 μm aufweisen. Die Aufwürfe 10 erstrecken sich über die gesamte Länge der Rillen 9. Durch die Aufwürfe 10 wird im Vergleich zu den Rillen 9, die direkt in die Außenseite des Bundes 7 übergehen, eine weitere Reibungswerterhöhung erzielt. Dies wird insbesondere durch die Spitzen der Aufwürfe 10 erreicht, die sich im montierten Zustand mit der Struktur der inneren Mantelfläche 3 des Verriegelungsdeckels 1 verzahnen.
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Um eine reibungswerterhöhende Wirkung zu erzielen, müssen die Rillen 9 und Aufwürfe 10 nicht zwingend für das bloße Auge sichtbar sein; es genügen Strukturen im Mikrometerbereich, um eine ausreichende Erhöhung des Widerstandmomentes beim Verdrehen des Verriegelungsdeckels 1 gegenüber dem Federdeckel 2 zu erzielen. In diesem Ausführungsbeispiel wird daher eine laserstrukturierte Oberfläche vorgeschlagen. Mit einem abtragenden Laser können die linear verlaufenden Rillen innerhalb kurzer Zeit eingebracht werden und in einem Arbeitsschritt das überschüssige Material, das beim Einbringen der Rille 9 entsteht, für die Aufwürfe 10 genutzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verriegelungsdeckel
- 2
- Federdeckel
- 3
- innere Mantelfläche
- 4
- Tasche
- 5
- Nase
- 6
- Drehachse
- 7
- Außenseite
- 8
- Kante
- 9
- Rille
- 10
- Aufwurf
- 11
- reibungswerterhöhende Kontaktfläche
- 12
- Bund
- 13
- Grundfläche (Federdeckel)
- 14
- Grundfläche (Verriegelungsdeckel)
- 15
- Mantel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1979582 B1 [0002, 0002]
- DE 102011089048 A1 [0002]
- DE 102011089046 A1 [0002]
- DE 102010005602 A1 [0002, 0019]
