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Die Erfindung betrifft einen Nockenwellenversteller.
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In Verbrennungsmotoren werden zur Betätigung von Brennraumventilen Nockenwellen eingesetzt. Nockenwellen sind im Verbrennungsmotor derart angebracht, dass auf ihnen angebrachte Nocken an Nockenfolgern, beispielsweise Tassenstößeln, Schlepphebeln oder Schwinghebel, anliegen. Wird eine Nockenwelle in Drehung versetzt, so wälzen die Nocken auf den Nockenfolgern ab, die wiederum die Brennraumventile betätigen. Die Lage und die Form der Nocken legen folglich die Öffnungsdauer sowie die Öffnungsamplitude der Gaswechselventile fest. Gleichzeitig werden durch die Nocken der Nockenwelle auch die Öffnungs- und Schließzeitpunkte der Brennraumventile im Verhältnis zu der Stellung bzw. Phasenrelation einer Kurbelwelle und den zugehörigen Zylindern festgelegt. Diese Öffnungs- und Schließzeitpunkte werden auch als Steuerzeiten bezeichnet.
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Nockenwellenversteller werden in Verbrennungsmotoren zur Variation dieser Steuerzeiten der Brennraumventile eingesetzt, um die Phasenrelation zwischen der Kurbelwelle und einer Nockenwelle in einem definierten Winkelbereich, zwischen einer maximalen Früh- und einer maximalen Spätposition, variabel gestalten zu können. Die Anpassung und Regelung der Steuerzeiten an die aktuelle Last und Drehzahl des Verbrennungsmotors kann den spezifischen Kraftstoffverbrauch und die Abgasemissionen senken. Zu diesem Zweck sind Nockenwellenversteller in einen Antriebsstrang integriert, über welche ein Drehmoment von der Kurbelwelle auf die Nockenwelle übertragen wird. Dieser Antriebsstrang kann beispielsweise als Riemen-, Ketten- oder Zahnradtrieb ausgebildet sein.
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Der Nockenwellenversteller wird über der inneren Nockenwelle eingesetzt, um den Rotor axial an einer inneren Nockenwelle zu befestigen. Es ist sicherzustellen, dass Rotor und Nockenwelle gemeinsam drehen.
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Eine verbreitete Bauart ist der Flügelzellenversteller. Flügelzellenversteller weisen einen Stator, einen Rotor und ein Antriebsrad auf. Der Rotor ist meist mit der Nockenwelle drehfest verbunden. Der Stator und das Antriebsrad werden ebenfalls untereinander verbunden, wobei sich der Rotor koaxial zum Stator und innerhalb des Stators befindet. Rotor und Stator prägen Ölkammern aus, welche durch Öldruck beaufschlagbar sind und eine Relativbewegung zwischen Stator und Rotor ermöglichen. Weiterhin weisen die Flügelzellenversteller diverse Abdichtdeckel auf. Der Verbund von Stator, Antriebsrad und Abdichtdeckel wird über mehrere Schraubverbindungen ausgebildet. Ein derartiger Flügelzellenversteller ist beispielsweise aus der
EP 2 469 048 A2 bekannt.
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Der Nockenwellenversteller wird in typischen Ausführungen mittels einer zentralen Schraube an der inneren Nockenwelle befestigt, wobei der Rotor des Nockenwellenverstellers gegen das Nockenwellenende verspannt wird, wodurch zwischen Rotor und Nockenwelle eine reibschlüssige Verbindung hergestellt wird, so dass Rotor und Nockenwelle drehfest miteinander verbunden sind. Die Nockenwelle wird durch die zentrale Schraube gegen eine Fläche des Rotors gedrückt, welche umfänglich um die Öffnung bzw. Bohrung für die zentrale Schraube liegt und die Reibfläche zur Übertragung der Momente bildet.
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Die Anbindung des Nockenwellenverstellers an die Nockenwelle stellt eine stark belastete Verbindung dar, welche für eine sichere und ausreichende Momentenübertragung und eine genaue Einstellbarkeit der Steuerzeiten entscheidend ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Nockenwellenversteller anzugeben, welcher eine einfache, sichere und kostengünstige Anbindung an eine Nockenwelle ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Es wird ein Nockenwellenversteller für einen Verbrennungsmotor vorgeschlagen, wobei der Nockenwellenversteller einen Rotor und einen Stator aufweist, welche gegeneinander verstellbar sind. Der Rotor weist eine zentrale Öffnung für eine Zentralschraube sowie eine ringförmige Kontaktfläche auf. Die ringförmige Kontaktfläche ist für eine reibschlüssige Verbindung zu einer Fläche auf einer Stirnseite einer Nockenwelle vorgesehen. Die Kontaktfläche des Rotors weist einen inneren Durchmesser auf, der größer ist als der Durchmesser der zentralen Öffnung.
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Durch den größeren inneren Durchmesser der Kontaktfläche, beginnt die Kontaktfläche nicht bereits am Rand der zentralen Öffnung, sondern weist hierzu einen Abstand auf. In vorteilhaften Ausführungsformen weist die Kontaktfläche des Rotors einen inneren Durchmesser auf, der mindestens 2 mm größer ist als der Durchmesser der zentralen Öffnung. Bei entsprechend unverändertem äußerem Durchmesser wird die Kontaktfläche, welche für einen Reibkontakt mit einer Nockenwelle zur Verfügung steht, kleiner, was in einem höheren Anpressdruck bei gleicher Andruckkraft resultiert. Der höhere Anpressdruck kann insbesondere bei reibungserhöhenden Oberflächenbehandlungen die maximal übertragbaren Reibmomente steigern, da es zu lokalen Oberflächenverformungen kommen kann, welche sich zusätzlich stark reibungserhöhend auswirken.
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Weiterhin bewirkt die Vergrößerung des inneren Durchmessers der Kontaktfläche, dass der wirksame, mittlere Reibradius des Reibkontakts zu der Nockenwelle vergrößert wird, was sich ebenfalls positiv auf die übertragbaren Momente auswirkt.
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Zudem kann eine entsprechende reibungserhöhende Oberflächenbehandlung durch die verkleinerte Kontaktfläche günstiger und beispielsweise bei einer Oberflächenstrukturierung mit einem Laserstrahl auch in kürzerer Taktzeit erfolgen, wodurch die Kosten bzw. die Produktionszeiten für einen entsprechenden Nockenwellenversteller reduziert werden können.
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Ein entsprechend vergrößerter innerer Durchmesser der Kontaktfläche ermöglicht weiterhin eine genauere Auslegung der übertragbaren Momente, da fertigungsbedingte Schwankungen der Oberfläche auf der Stirnseite der Nockenwelle und auf der Kontaktfläche nur noch eine geringere Veränderung des wirksamen, mittleren Reibradius zur Folge haben können.
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Vorzugsweise weist der Rotor zwischen dem inneren Durchmesser der ringförmigen Kontaktfläche und dem Durchmesser der zentralen Öffnung einen ringförmigen Absatz auf. Der ringförmige Absatz kann in einfacher Weise durch Drehen eingebracht oder bereits bei einer urformenden Herstellung, wie z.B. Gießen, berücksichtigt werden.
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In vorteilhaften Ausführungsformen ist der Absatz zu der ringförmigen Kontaktfläche mindestens 0,1 mm tief. Durch einen entsprechenden Absatz wird sichergestellt, dass ein Reibkontakt im Bereich des Absatzes auch Verformungen des umgebenden Rotormaterials und gegebenenfalls auch der Nockenwelle durch Verspann- und/oder Betriebskräfte verhindert wird.
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Vorzugsweise ist der Absatz zu der ringförmigen Kontaktfläche 0,35 mm tief. Ein entsprechend tiefer Absatz eignet sich gut, um einen Reibkontakt zwischen dem Rotor und der Nockenwelle sicher auch unter widrigen Bedingungen zu verhindern und gleichzeitig in einfacher Weise in einem Arbeitsschritt herstellbar zu sein.
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In vorteilhaften Ausführungsformen weist die Kontaktfläche des Rotors einen äußeren Durchmesser auf, der mindestens so groß ist, wie der Durchmesser der Fläche auf der Stirnseite der Nockenwelle.
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Die Kontaktfläche weist somit den größtmöglichen Außendurchmesser für einen Reibkontakt mit der Nockenwelle auf. Vorzugsweise wird die Nockenwelle radial nach außen durch den Rotor umschlossen und dementsprechend axial geführt. Es sind jedoch auch andere Ausführungsformen möglich, in denen der äußere Durchmesser der Kontaktfläche beispielsweise durch eine umlaufende Nut begrenzt wird.
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In bevorzugten Ausführungsformen weist die Kontaktfläche eine reibungserhöhende Oberflächenbehandlung auf. Eine reibungserhöhende Oberflächenbehandlung ermöglicht gegenüber der ursprünglichen Oberfläche eine Reibpaarung, hier insbesondere mit der Nockenwelle, welche einen erhöhten Reibungskoeffizienten aufweist. Der höhere Reibungskoeffizient ermöglicht größere, übertragbare Momente bzw. ermöglicht es, die gleichen übertragbaren Momente bereits mit einer entsprechend kleineren Andruckkraft zu erreichen.
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Vorteilhafterweise weist die Kontaktfläche eine reibungserhöhende Beschichtung auf. Die reibungserhöhende Beschichtung ermöglicht eine deutliche Verbesserung der Anbindung von Nockenwellenversteller oder Nockenwelle mittels reibungserhöhten Reibkontakts. Eine derartige Beschichtung kann beispielsweise eine Hartpartikelbeschichtung sein, wobei die entsprechende Oberfläche mit Partikeln, welche eine höhere Härte als der beschichtete Grundwerkstoff aufweisen, beschichtet oder belegt wird.
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Vorzugsweise weist die Kontaktfläche eine reibungserhöhende Oberflächenstrukturierung auf. Eine entsprechende Oberflächenstrukturierung kann beispielsweise mittels eines Laserstrahls erzeugt werden und ermöglicht bei einem entsprechenden Anpressdruck gegen die Nockenwelle, dass sich die Oberflächenstrukturierung in die Oberfläche der Nockenwelle eingraben kann und ein deutlich höherer Reibkoeffizient erreicht werden kann.
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In vorteilhaften Ausführungsformen ist der innere Durchmesser der Kontaktfläche 27 mm groß.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt. Es zeigt:
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1 einen Rotor eines Nockenwellenverstellers; und
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2 eine Schnittdarstellung einer Anbindung eines Nockenwellenverstellers an eine Nockenwelle.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Rotors 2 eines Nockenwellenverstellers 1, welcher vier Flügel 3 aufweist. Daneben umfasst der Rotor 2 verschiedene Ölkanäle 4, welche entsprechende Ölkammern zwischen Rotor 2 und Stator, nicht dargestellt, mit Öldruck beaufschlagen können.
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In 2 ist eine Schnittdarstellung eines an einer Nockenwelle 7 montierten Nockenwellenverstellers 1 schematisch dargestellt. Der Rotor 2 weist eine zentrale Öffnung 8 mit einem Durchmesser 13 auf, durch welche eine Zentralschraube 10 gesteckt werden kann. Die Zentralschraube 10 verläuft durch die zentrale Öffnung 8 des Rotors 2 und ist in diesem vorteilhaften Ausführungsbeispiel in ein Innengewinde der Nockenwelle 7 eingeschraubt. In möglichen Ausführungsbeispielen kann die Zentralschraube 10 auch ein Zentralventil beinhalten, welches die Befüllung und Entleerung einzelner Ölkammern über Anschlüsse in der zentralen Öffnung 8 und über die Ölkanäle 4 steuert. Weiterhin weist die Zentralschraube 10 einen Schraubenkopf auf, welcher bei einem Festdrehen der Zentralschraube 10 in die Nockenwelle 7 einen Klemmverband zwischen dem Schraubenkopf, dem Rotor 2 und gegebenenfalls auch weiterer Elemente bildet. Durch die Zentralschraube 10 werden die entsprechenden Andruckkräfte zwischen der Nockenwelle 7 und dem Rotor 2 aufgebracht. Der Rotor 2 weist eine ringförmige Kontaktfläche 5 auf, welche einen Reibkontakt zu einer Nockenwelle 7 herstellt. Am inneren Durchmesser 11 weist die Kontaktfläche 5 einen Absatz 9 auf, welcher in einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel 0,35 mm tief ist. Der äußere Durchmesser 12 der Kontaktfläche 5 ist in diesem Ausführungsbeispiel geringfügig größer als der Durchmesser der Nockenwelle 7 in diesem Bereich. Dementsprechend steht die Kontaktfläche 5 des Rotors 2 nahezu vollständig für einen Reibkontakt mit einer Stirnseite 6 der Nockenwelle 7 zur Verfügung.
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In diesem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist der innere Durchmesser 11 der Kontaktfläche 5 gleich 27 mm, wohingegen der Durchmesser 13 der zentralen Öffnung 8 ca. 24 mm beträgt. Der Absatz 9 führt dazu, dass die mögliche Reibfläche des Rotors 2 um den entsprechenden Betrag des Bereichs zwischen dem Durchmesser 13 der zentralen Öffnung 8 und dem inneren Durchmesser 11 der Kontaktfläche 5 verkleinert ist, was zu einer Erhöhung des Anpressdrucks auf die Reibfläche führt. Der erhöhte Anpressdruck verbessert insbesondere die Wirkung von reibungserhöhenden Maßnahmen, wie einer Laserstrukturierung der Kontaktfläche 5. Die Laserstruktur kann sich durch einen höheren Fugendruck besser in die Gegenkontur, die Nockenwelle, eingraben, ohne den Rotor selbst zu überlasten. Weiterhin wird die ringförmige Reibfläche im Mittel weiter radial nach außen verlagert, wodurch ein größerer wirksamer, mittlerer Reibradius erreicht wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Nockenwellenversteller
- 2
- Rotor
- 3
- Flügel
- 4
- Ölkanal
- 5
- Kontaktfläche
- 6
- Stirnseite
- 7
- Nockenwelle
- 8
- zentrale Öffnung
- 9
- Absatz
- 10
- Zentralschraube
- 11
- innerer Durchmesser
- 12
- äußerer Durchmesser
- 13
- Durchmesser der zentralen Öffnung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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