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Die vorliegende Erfindung betrifft eine verstellbare Nockenwelle mit einer Innenwelle und einer koaxial dazu angeordneten Außenwelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die Anbindung eines einfach wirkenden Phasenstellers zur Verstellung einer Innenwelle gegen eine Außenwelle an einer Cam-in-Cam-Nockenwelle erfolgt in der Regel durch einen fest auf die Außenwelle gefügten Stator und einen mit der Innenwelle verschraubten und damit fest verbundenen Rotor. Der Stator wird über ein Ketten-/Zahn-/Riemenrad von der Kurbelwelle angetrieben, sodass der Kraftfluss auf die Außenwelle erfolgt. Die Innenwelle kann dabei "kraftfrei" (nicht gegen das Antriebsmoment) verstellt werden. Die Toleranzen zwischen Rotor und Stator sind recht eng gewählt, damit die innere Leckage bei hydraulisch bestätigten Phasensteller und damit auch ein Wirkungsgradverlust minimiert werden können. Bei einem einfachen Phasensteller an einer konventionellen Nockenwelle schwimmt ein Teil des Phasenstellers, das heißt der Stator gegen den Rotor, wodurch immer ein Toleranzausgleich für Fehler bei der Montage oder Fertigung gegeben ist. Insbesondere ist es nicht möglich, dass der Rotor sich gegen den Stator verstemmt.
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Bei verstellbaren Nockenwellen wird der Stator des Phasenstellers üblicherweise auf die Außenwelle aufgeschrumpft/aufgeklebt/aufgeschweißt/aufgeschraubt, wogegen der Rotor des Phasenstellers gegen die endseitig axiale Planfläche der Innenwelle geschraubt wird. Da bei der Fertigung und der Montage der Innenwelle (z.B. Verstiftung, Toleranzketten) Ungenauigkeiten auftreten können, kann es bei so einer starren Montage des Rotors an der Innenwelle dazu kommen, dass der Rotor gegen den Stator verkippt eingebaut wird und es so zu einem Kontakt bis hin zu einem kompletten Verklemmen kommen kann. In diesem Fall kann die Innenwelle nicht mehr gegen die Außenwelle verdreht werden.
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Um hier einen Ausgleich schaffen zu können, bieten sich Ausgleichselemente an, die eine zumindest gewisse Fehlstellung ausgleichen können.
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Aus der
DE 10 2012 105 284 A1 ist eine gattungsgemäße Nockenwelle bekannt, mit einem Phasensteller zur Verstellung der inneren Nockenwelle und/oder der äußeren Nockenwelle sowie mit einem zwischen der inneren Nockenwelle und der äußeren Nockenwelle einerseits und dem Nockenversteller andererseits angeordneten Ausgleichselement. Dieses Ausgleichselement besitzt eine scheibenartige Form, um die Nockenwelle baulich und/oder funktional zu verbessern. Die Drehmomentübertragung erfolgt jedoch rein reibschlüssig.
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Aus der
DE 10 2008 033 230 B4 ist ein doppelter Phasensteller in Schichtaufbau zur Steuerung einer Doppelnockenwelle bekannt, mit einem ersten rotorartigen Abtriebskörper und einem zweiten rotorartigen Abtriebskörper, die mit ihren Drehflügelkörperteilen parallel zueinander angeordnet sind. Dabei ist jeder Abtriebskörper zur seitlich aus dem Phasenstellerzentrum herausführenden Aufnahme wenigstens einer Nockenwelle der Doppelnockenwelle bestimmt. Zur Ausrichtung wenigstens eines Abtriebskörpers zur Doppelnockenwelle ist darüber hinaus ein Ausgleichselement vorgesehen, das ein wenigstens einen Freiheitsgrad schaffendes Bewegungsglied ist und eine Auslenkung des umschließenden Abtriebskörpers gegenüber der Doppelnockenwelle zulässt.
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Aus der
DE 20 2008 018 146 U1 ist eine Einrichtung zur Nockenwellenverstellung bekannt, die einen Phasensteller umfasst, der mindestens ein Antriebsrad, einen Rotor, einen Stator mit einem Statorgehäuse und eine Nockenwelle mit Nocken aufweist, sowie eine Ölzuführung zum Phasensteller. Der Phasensteller ist mit einem Rotor, dessen Innendurchmesser kleiner als ein nockenumschließender Kreis ist, form- und/oder kraftschlüssig auf einem Ende einer Nockenwelle gehalten, wobei die Nockenwelle zur Aufnahme eines Ausnehmungen zur Ölzufuhr aufweisenden Verbindungselements eine hohle Ausbildung aufweist, derart, dass das Verbindungselement in der hohlen Ausbildung der Nockenwelle formund/oder kraftschlüssig gehalten ist. Entweder das Verbindungselement oder der Rotor weisen mindestens einen Mitnehmer zur formschlüssigen Verbindung des Rotors mit der Nockenwelle und des Verbindungselements auf, wobei dieser Mitnehmer durch mindestens eine Ausnehmung in einem hohlem Ende der Nockenwelle durchragend geführt ist. Hierdurch soll eine kompakte Einrichtung zur Nockenwellenverstellung geschaffen werden.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine verstellbare Nockenwelle der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere einen verbesserten Toleranzausgleich bei der Anbindung eines Rotors an die Innenwelle ermöglicht.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Rotor und eine Innenwelle einer verstellbaren Nockenwelle drehfest, jedoch axial zumindest geringfügig beweglich miteinander zu koppeln und dadurch mögliche Fertigungstoleranzen ausgleichen zu können und insbesondere ein Klemmen des Rotors im Gehäuse eines Phasenstellers zu vermeiden. Im Gehäuse des Phasenstellers müssen die Toleranzen sehr eng gewählt werden, um Leckageverluste durch große Spalte zu vermeiden. Wäre der Rotor gänzlich starr mit der Innenwelle verbunden, würde jede Lage-/Winkelabweichung den Rotor axial verschieben bzw. kippen und damit ein Anliegen bzw. ein Schleifen oder Klemmen desselben im/am Gehäuse des Phasenstellers bewirken. Die Erfindung macht sich dabei den Umstand zunutze, dass durch die zumindest geringfügige axiale Beweglichkeit des Rotors relativ zur Innenwelle die Gefahr eines derartigen Verkippens bzw. Schleifens oder Klemmens vermieden werden kann. Hierzu ist zwischen dem Rotor und der Innenwelle erfindungsgemäß ein Kupplungselement vorgesehen, welches einerseits formschlüssig, drehfest und axial beweglich mit der Innenwelle und andererseits drehfest und axial unbeweglich mit dem Rotor verbunden ist. Das Kupplungselement ermöglicht dabei das zumindest geringfügige axiale Spiel zwischen dem Rotor und der Innenwelle, welches ein Anliegen bzw. Schleifen des Rotors im Gehäuse des Phasenstellers verhindert. Die Drehmomentübertragung kann über die formschlüssige Verbindung zwischen dem Kupplungselement und der Innenwelle und in gleicher oder anderer Weise auch zwischen dem Kupplungselement und dem Rotor erreicht werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weisen das Kupplungselement eine Außenverzahnung und die Innenwelle eine komplementär dazu ausgebildete Innenverzahnung auf, so dass diese zwar axial beweglich aber drehfest ineinander geschoben werden können. Zusätzlich oder alternativ können das Kupplungselement auch eine Außenverzahnung und der Rotor eine komplementär dazu ausgebildete Innenverzahnung aufweisen, wodurch ebenfalls eine drehfeste Verbindung zwischen diesen gewährleistet ist. Um die axiale Unbeweglichkeit zwischen dem Kupplungselement und dem Rotor zu erreichen, kann beispielsweise der Rotor mit dem Kupplungselement verstiftet oder über eine Zentralschraube verschraubt werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung sind/ist die Außenverzahnung und/oder die Innenverzahnung ballig ausgebildet. Durch die ballige Ausbildung der Außenverzahnung und/oder der Innenverzahnung sind auch zumindest geringfügige Winkelabweichungen zwischen dem Kupplungselement einerseits und der Innenwelle andererseits möglich, ohne dass dies zu einem Verklemmen des Rotors im Gehäuse des Phasenstellers führen würde. In gleicher Weise könnte selbstverständlich auch der Rotor eine ballige Innenverzahnung bzw. das Kupplungselement eine zugehörige ballige Außenverzahnung aufweisen, wodurch der Rotor ein zumindest geringfügiges Winkelspiel relativ zum Kupplungselement besitzt.
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Zweckmäßig ist im Bereich der Außenverzahnung ein Pin und im Bereich der Innenverzahnung eine zugehörige Ausnehmung vorgesehen. Durch einen derartigen Pin, welcher bei montierter Nockenwelle in die Ausnehmung der Innenverzahnung eingreift, ist es möglich, das Kupplungselement relativ zur Innenwelle bzw. den Rotor relativ zum Kupplungselement auszurichten und in dieser ausgerichteten Stellung zu montieren. Durch eine derartige Pin-Ausnehmung-Verbindung ist zudem lediglich eine einzige Montageposition möglich, wodurch sich der Zusammenbau vereinfacht.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Lösung weisen das Kupplungselement und die Innenwelle miteinander fluchtende Durchgangsöffnungen auf, die von einem Stift durchdrungen sind, wobei die Durchgangsöffnung des Kupplungselements einen größeren Durchmesser aufweist oder als Langloch ausgebildet ist, um die axiale Beweglichkeit zu ermöglichen. Die Drehmomentübertragung wird auch in diesem Fall über die Formschlussverbindung zwischen der Innenwelle und dem Kupplungselement bewirkt, wogegen die axiale Fixierung bzw. die axiale Beweglichkeit über den die Innenwelle und das Kupplungselement durchdringenden Stift gewährleistet ist. Durch die Tatsache, dass die Durchgangsöffnung des Kupplungselements einen größeren Durchmesser aufweist als die Durchgangsöffnung in der Innenwelle oder aber als Langloch ausgebildet ist, ist eine axiale relative Bewegung zwischen dem Kupplungselement und der Innenwelle mögliche, wodurch der gewünschte Toleranzausgleich möglich ist.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann dabei der Stift gleichfalls mit einem Nocken verbunden sein, so dass dieser neben der Begrenzung der axialen Beweglichkeit zugleich auch noch eine Drehbewegung der Innenwelle relativ zur Außenwelle auf einen Drehfest mit der Innenwelle und drehbar auf der Außenwelle gelagerten Nocken überträgt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung sind der Rotor und das Kupplungselement über eine Zentralschraube miteinander verschraubt, oder alternativ weist das Kupplungselement ein Außengewinde auf, welches den Rotor durchgreift und auf welchem eine Mutter zur Fixierung des Rotors aufdrehbar ist. Die Drehmomentübertragung zwischen dem Kupplungselement und dem Rotor kann hierbei entweder über die Verspannung durch Zentralschraube bzw. durch die Mutter erfolgen oder aber über eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Kupplungselement und dem Rotor, beispielsweise über eine Außenverzahnung und eine zugehörige Innenverzahnung.
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All den zuvor genannten Ausführungsformen mit Kupplungselement ist dabei gemein, dass zwischen der Innenwelle und dem Kupplungselement eine formschlüssige drehfeste aber axial bewegliche Verbindung vorliegt, wogegen zwischen dem Rotor und dem Kupplungselement sowohl eine drehfeste als auch eine axial unbewegliche Verbindung besteht. Hierdurch können insbesondere Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden und damit ein langandauernder verschleißarmer Betrieb gewährleistet werden.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine erfindungsgemäße verstellbare Nockenwelle in einer ersten Ausführungsform und einer Explosionsdarstellung,
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2 eine Schnittdarstellung durch die gemäß der 1 dargestellte Nockenwelle im Bereich eines Kupplungselements,
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3 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Nockenwelle in einer Explosionsdarstellung mit Langloch im Kupplungselement,
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4 unterschiedliche Schnittdarstellungen durch die gemäß der 3 gezeigte Nockenwelle,
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5 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Nockenwelle mit einem in der Innenwelle angeordneten Kupplungselement und einem Montageflansch,
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6 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Nockenwelle mit einem Zweiflach am Kupplungselement und der Innenwelle als formschlüssige Verbindung,
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7 eine erfindungsgemäße Nockenwelle mit einer polygonalen Innenverzahnung an der Innenwelle und einer zugehörigen polygonalen Außenverzahnung am Kupplungselement in einer Explosionsdarstellung,
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8 eine Darstellung der gemäß der 7 dargestellten Nockenwelle in montiertem Zustand,
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9–11 weitere unterschiedliche Ausführungsformen der Nockenwelle mit individuellem Kupplungselement,
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12 eine Schnittdarstellung durch eine Nockenwelle mit einer als Vollwelle ausgebildeten Innenwelle,
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13–14 weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Nockenwelle. Entsprechend den Figuren weist eine erfindungsgemäße verstellbare Nockenwelle 1 eine Innenwelle 2 sowie eine koaxial dazu angeordnete Außenwelle 3 auf. Ebenso vorgesehen ist ein Phasensteller 4, dessen Stator 5 mit der Außenwelle 3 und dessen Rotor 6 mit der Innenwelle 2 verbunden ist. Der Phasensteller 4 bzw. dessen Stator 5 ist dabei lediglich in der 5 dargestellt. Erfindungsgemäß ist nun zwischen dem Rotor 6 und der Innenwelle 2 ein Kupplungselement 7 vorgesehen, welches formschlüssig und drehfest aber axial beweglich mit der Innenwelle 2 und drehfest und axial unbeweglich mit dem Rotor 6 verbunden ist.
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Betrachtet man dabei beispielsweise die 1, so kann man anhand dieser erkennen, dass das Kupplungselement 7 eine Außenverzahnung 8 und die Innenwelle 2 eine komplementär dazu ausgebildete Innenverzahnung 9 aufweisen, welche die formschlüssige Verbindung der beiden Bauteile 7, 2 miteinander bewirken. Die dargestellte Außenverzahnung 8 bzw. Innenverzahnung 9 kann beispielsweise durch Ziehen, Umformen oder spanende Bearbeitung hergestellt werden. Sie kann darüber hinaus als Mehrkant ausgebildet sein, so dass prinzipiell unterschiedlichste Ausführungsformen unter dem Begriff Außenverzahnung 8 und Innenverzahnung 9 subsummiert werden. Betrachtet man die Außenverzahnung 8 und die zugehörige Innenverzahnung 9, so ist erkennbar, dass das Kupplungselement 7 axial in die Innenwelle 2 einschiebbar ist. Das Kupplungselement 7 und die Innenwelle 2 weisen dabei in montiertem Zustand miteinander fluchtende Durchgangsöffnungen 11, 12 auf, die von einem Stift 10 durchdrungen sind, wobei die Durchgangsöffnung 11 im Kupplungselement 7 einen größeren Durchmesser aufweist, um die axiale Beweglichkeit des Kupplungselement 7 relativ zur Innenwelle 2 zu gewährleisten. Alternativ hierzu ist es auch denkbar, dass die Durchgangsöffnung 11 am Kupplungselement 7 und/oder die Durchgangsöffnung 12 der Innenwelle 2 als Langloch ausgebildet ist, während der Stift 10 als komplementär dazu ausgebildetere Zweiflach 16 ausgebildet ist (vgl. 3). Die axial unbewegliche und drehfeste Verbindung zwischen dem Rotor 6 und dem Kupplungselement 7 wird bei der Nockenwelle 1 gemäß den 1 bis 4 über eine Zentralschraube 13 bewirkt, welche den Rotor 6 durchgreift und in das Kupplungselement 7 eingeschraubt ist. Hierzu ist im Kupplungselement 7 selbstverständlich entsprechendes Innengewinde vorgesehen, in welches die Zentralschraube 13 einschraubbar ist. Bei der gemäß der 3 dargestellten Nockenwelle ist durch die langlochartige Durchgangsöffnung 11 und 12 und den dazu komplementär ausgebildeten Stift 10 zweifach eine formschlüssige Verbindung gewährleistet, welche die spielfreie Drehmomentübertragung ermöglicht.
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Betrachtet man die Nockenwelle 1 gemäß der 5, so kann man erkennen, dass an dieser an der Außenwelle 3 ein Montageflansch 14 fest angeordnet ist, der mit dem Stator 5 des Phasenstellers 4 verschraubbar ist. Eine Befestigung des Rotors 6 mit dem Kupplungselement 7 erfolgt wiederum über eine Zentralschraube 13. Im Unterschied zu den 1 bis 4, ist der Stift 10 gleichfalls mit einem Nocken 15 verbunden, so dass dieser in diesem Fall zwei Funktionen gleichzeitig erfüllt. In gleicher Weise ist dies auch bei der Nockenwelle 1 gemäß der 6 der Fall. Sowohl bei der Nockenwelle 1 gemäß der 6 als auch bei der Nockenwelle 1 gemäß der 5 weist die Innenwelle 2 im Bereich des Stiftes 10 einen Zweiflach 16 auf, welcher beispielsweise mittels einer Prägung hergestellt werde kann. Einen komplementär dazu ausgebildeten Zweiflach 16 weist in dieser Ausführungsform auch das Kupplungselement 7 auf, wodurch es formschlüssig in den Zweiflach 16 der innenwelle 2 eingeschoben werden kann.
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Bei der gemäß den 7 und 8 dargestellten Nockenwellen 1 ist die Außenverzahnung 8 am Kupplungselement 7 in der Art einer Polygonalverzahnung ausgebildet, ebenso wie die Innenverzahnung 9 an der Innenwelle 2. Die axiale Beweglichkeit wird wiederum über einen Stift 10 gewährleistet, der vorzugsweise passgenau in die Durchgangsöffnung 12 an der Innenwelle 2 eingreift, jedoch mit Spiel in der Durchgangsöffnung 11 des Kupplungselements 7 gelagert ist. Die spielfreie Drehmomentübertragung wird hierbei nicht vom Stift 10 sondern von der Polygonalverzahnung bewirkt.
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Betrachtet man Nockenwelle 1 gemäß der 9, so kann man anhand dieser erkennen, dass am Kupplungselement 7 wiederum eine Außenverzahnung 8 und in der Innenwelle 2 eine komplementär dazu ausgebildete Innenverzahnung 9 vorgesehen sind. Die Fixierung des Rotors 6 am Kupplungselement 7 erfolgt über die Zentralschraube 13. In ähnlicher Weise ist auch die Nockenwelle 1 gemäß der 10 aufgebaut, wobei hier in der Innenwelle 2 noch ein Adapterelement 17 angeordnet ist, welches über einen nicht gezeigten Stift drehfest und axial unbeweglich mit der Innenwelle 2 verbunden ist und andererseits über eine Außenverzahnung 8 formschlüssig in das Kupplungselement 7 eingreift. Im Kupplungselement 7 liegt in diesem Fall ebenfalls eine komplementär zur Außenverzahnung 8 ausgebildete Innenverzahnung 9 vor. Das Kupplungselement 7 und das Adapterelement 17 werden dabei wiederum über einen Stift 10 miteinander verstiftet, wobei dieser in einem Langloch 18 im Kupplungselement 7 beweglich ist, wodurch das Kupplungselement 7 relativ zum Adapterelement 17 axial beweglich ist und damit auch eine axiale Relativbewegung zur Innenwelle 2 aufweist.
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Dem gegenüber ist die Innenwelle 2 gemäß den 11 und 12 als Vollwelle ausgebildet und weist an einem hinsichtlich seines Querschnitts reduzierten Fortsatzes eine Außenverzahnung 8 auf, die mit der im Kupplungselement 7 angeordneten komplementären Innenverzahnung 9 formschlüssig zusammenwirkt. Am Kupplungselement 7 ist darüber hinaus ein Gewindefortsatz 19 angeordnet, der in vollständig montiertem Zustand den Rotor 6 durchgreift und auf welchem eine Mutter 20 zur Fixierung des Rotors 6 aufdrehbar ist.
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Gemäß der 13 weist die Innenwelle 2 eine stirnseitig offene Ausnehmung 21 auf, in welche das Kupplungselement 7 mit einem Zweiflach 16' formschlüssig aber axial beweglich eingreift. Der Rotor 6 wird wiederum über die Zentralschraube 13 mit dem Kupplungselement 7 verschraubt. Zur Fixierung des Kupplungselements 7 an der Innenwelle 2 kann rein theoretisch ebenfalls ein Stift vorgesehen sein, der über entsprechende Langlöcher eine zumindest geringfügige axiale Beweglichkeit des Kupplungselements 7 relativ zur Innenwelle 2 ermöglicht.
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Betrachtet man die Nockenwelle 1 gemäß der 14, so weist deren Kupplungselement 7 eine Außenverzahnung 8 auf, die mit einer komplementären Innenverzahnung 9 am Rotor 6 und an der Innenwelle 2 zusammenwirkt. Zur axialen Fixierung des Rotors 6 am Kupplungselement 7 und an der Innenwelle 2 ist dabei die Zentralschraube 13 vorgesehen, die sowohl den Rotor 6 als auch das hülsenartig ausgebildete Kupplungselement 7 durchdringt und in einem entsprechenden Innengewinde in der Innenwelle 2 eingeschraubt ist.
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Sämtlichen Ausführungsformen ist dabei selbstverständlich gemein, dass die Außenverzahnung 8 und/oder die Innenverzahnung 9 zumindest leicht ballig ausgebildet sein können, wodurch auch Winkelabweichungen zwischen dem Kupplungselement 7 und dem Rotor 6 bzw. zwischen dem Kupplungselement 7 und der Innenwelle 2 zumindest geringfügig kompensierbar sind. Dies ist in der 1 durch eine unterbrochen gezeichnete Linie schematisch dargestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012105284 A1 [0005]
- DE 102008033230 B4 [0006]
- DE 202008018146 U1 [0007]
