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Die Erfindung betrifft einen Nockenwellenversteller mit einem von einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine angetriebenen Stator, einem drehfest mit einer Nockenwelle der Brennkraftmaschine verbindbaren Rotor mit mehreren von einer Rotornabe radial nach außen abstehenden Flügeln, wobei zwischen dem Stator und dem Rotor angeordnete Arbeitskammern durch die Flügel in Druckräume unterteilt sind, und wobei der Stator und der Rotor als Sinterbauteile hergestellt sind.
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Nockenwellenversteller werden in modernen Brennkraftmaschinen zur Optimierung der Verbrauchs- und Leistungswerte eingesetzt und dienen dazu, die Öffnungs- und Schließzeitpunkte der Gaswechselventile zu verändern, um die Phasenrelation zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle in einem definierten Winkelbereich, zwischen einer maximalen Früh- und einer maximalen Spätposition, variabel gestalten zu können. Zu diesem Zweck ist der Nockenwellenversteller in einen Antriebsstrang integriert, über welchen Drehmomente von der Kurbelwelle auf die Nockenwelle übertragen werden. Der Nockenwellenversteller besitzt dazu einen von der Kurbelwelle angetriebenen Stator und einen drehfest mit der Nockenwelle verbundenen Rotor. Zwischen dem Rotor und dem Stator sind mit einem Druckmittel beaufschlagbare Arbeitskammern vorgesehen, welche durch dem Rotor zugeordnete Flügel in gegeneinander wirkende Druckräume unterteilt sind. Während des Betriebes der Brennkraftmaschine sind beide Druckräume permanent mit Druckmittel gefüllt, so dass der Rotor und der Stator relativ steif miteinander verbunden sind. Die Steuerzeiten der Gaswechselventile werden dadurch verändert, dass der Druck in einem der Druckräume erhöht wird, während der Druck in dem jeweils anderen Druckraum gesenkt wird. Das Druckmittel muss dazu dem einen Druckraum zugeführt und aus dem anderen Druckraum zu einem Tank hin abgeführt werden, wodurch sich die Winkellage zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle verändert.
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Gemäß dem Stand der Technik werden insbesondere die Bauteile Rotor und Stator des Nockenwellenverstellers aus Stahl- oder Aluminium-Legierungen im Sinterverfahren hergestellt. Um eine einwandfreie Funktion des Nockenwellenverstellers zu gewährleisten, folgt dabei auf die Prozessschritte Pressen, Grünbearbeitung und Sintern eine relativ aufwendige und aus verschiedenen Verfahren bestehende Endbearbeitung (Kalibrieren, Schleifen, Feindrehen, etc.), um die in axial gegenüberliegenden Flächen erforderliche Parallelität sicherzustellen. Diese Endbearbeitungsprozesse sind kostenintensiv und bergen Qualitätsrisiken, die durch zwischenliegende Handlingsschritte noch verschärft werden.
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Die
DE 10 2013 015 677 A1 bietet als Lösung für die genannten Nachteile ein Verfahren sowie einen Teilesatz mit zwei Sinterfügeteilen sowie einem Radialverformungselement an. Diese vorgeschlagene, mehrteilige Ausgestaltung des Stators bzw. des Rotors wird aufgrund der Bauteilanzahl sowie des aufwendigen Fügeverfahrens als nachteilig angesehen.
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Aus der
DE 10 2013 107 431 A1 ist ein Nockenwellenversteller bekannt, welcher auf axial ausgebildeten Stirnflächen des Rotors Verdrängungsausnehmungen aufweist, in welche Material während eines verformenden Nachbearbeitverfahrens der Stirnflächen fließen kann. Die Verdrängungsausnehmungen sind dreidimensional facettenförmig ausgebildet und weisen jeweils eine Bodenfläche sowie im Wesentlichen trapezförmige Seitenflächen auf, so dass jeweils eine umlaufende Stegstruktur die Verdrängungsausnehmungen umgibt. Die Stegstrukturen bilden dabei eine Kalibrierstruktur.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Nockenwellenversteller bereitzustellen, bei welchem die für die Funktion des Nockenwellenverstellers erforderliche Präzision bei deutlich reduziertem Endbearbeitungsaufwand bei gleichzeitiger kostengünstiger Herstellung erzielt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass auf axial ausgebildeten Stirnflächen des Stators und/oder des Rotors Verdrängungsausnehmungen vorgesehen sind, in welche Material während eines verformenden Nachbearbeitungsverfahrens der Stirnflächen fließen kann. Mit anderen Worten werden beim Pressen der Rohlinge definierte Vertiefungen in Form von Ausnehmungen bzw. Rillen eingebracht, welche den für die nach dem Sintern erforderliche Nachbearbeitung durch die Deformation notwendigen Verdrängungsraum bereitstellt, ohne die so bearbeiteten Stirnflächen in ihrer Tragfähigkeit derart zu beeinträchtigen, dass die ertragbaren Flächenpressungen im Betrieb überschritten werden. Die Verdrängungsausnehmungen sind dreidimensional facettenförmig ausgebildet und weisen jeweils eine Bodenfläche sowie im Wesentlichen trapezförmige Seitenflächen auf, so dass jeweils eine umlaufende Stegstruktur die Verdrängungsausnehmungen umgibt. Dabei bilden die Stegstrukturen eine Kalibrierstruktur.
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Um den elastischen Anteil möglichst gering zu halten, ist der Neigungswinkel der trapezförmigen Seitenflächen an den Flächenanteil der Kalibrierstruktur angepasst vorgesehen. Grundsätzlich hat sich herausgestellt, dass hierzu bei kleiner werdendem Anteil an zurückstehender Fläche (Verdrängungsausnehmungen) die Übergänge zwischen erhabenen und vertieften Bereichen steiler verlaufen müssen und umgekehrt.
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Die Stirnflächen sind vorzugsweise mittels Höhenkalibrieren nachbearbeitbar. Die Höhe des jeweiligen Bauteils sowie die Parallelität von zwei gegenüberliegenden Flächen können auf diese Weise durch eine gewollte plastische Deformation des Sintermaterials in einfacher und kostengünstiger Weise mittels eines Formwerkzeuges hergestellt werden.
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Indem die Verdrängungsausnehmungen auf den axialen Stirnflächen im Wesentlichen gleichmäßig verteilt vorgesehen sind, ist es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung möglich, eine Beeinträchtigung der Tragfähigkeit der Stirnflächen zu vermeiden, so das eine bestimmte Flächenpressung im Betrieb des Nockenwellenverstärkers nicht überschritten wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Verdrängungsausnehmungen derart auf den Stirnflächen angeordnet, dass wenigstens ein Teil der Stegstrukturen eine durchgehende Struktur bildet, welche die Stirnflächen umlaufend begrenzt. Diese umlaufende Struktur dichtet beim Anliegen der jeweiligen Stirnfläche an einer entsprechenden Fläche des Nockenwellenverstellers, so dass die Leckage deutlich reduziert werden kann.
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Vorzugsweise weist die Kalibrierstruktur einen an die Größe der Sinterbauteile angepassten Flächenanteil auf. Der Flächenanteil ist demnach abhängig von der Größe des Stators bzw. des Rotors. Generell bildet die Kalibrierstruktur bei kleineren Bauteilen einen größeren Flächenanteil als bei größeren Bauteilen. Auch bei kleineren Bauteilen kann hierdurch die Leckage vorteilhaft reduziert und gleichzeitig der notwendige Verdrängungsraum bereitgestellt werden. Zudem kann eine weitergehende Deformation und damit eine ungewollten Höhenreduzierung der Bauteile im Betrieb vermieden werden.
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Die Flächenverhältnisse zwischen den Verdrängungsausnehmungen und der Kalibrierstruktur trägt entscheidend für den erreichten Verformungsgrad und damit die Präzision hinsichtlich der Erzielung eines bestimmten Höhenmaßes bei. Da beim Höhenkalibrieren die gegenüberliegenden Flächen mit Presskraft und Gegenhaltekraft beaufschlagt werden, ergibt sich neben der gewollten plastischen Deformation auch ein erheblicher Anteil an elastischer Verformung, der zu einer Rückfederung der verformten Materialanteile bei Entlastung des Bauteils führt. Dieser elastische Anteil muss gering gehalten werde, da er als schwer kontrollierbare Einflussgröße beim späteren Verspannen der Komponente im Nockenwellenversteller gilt und sich dort negativ auswirken kann. Da sich jedoch bei derartigen Fertigungsverfahren der elastische Verformungsanteil beim Kalibrieren nicht gänzlich vermeiden lässt, wird dieser zudem durch eine geeignete Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Oberflächenstruktur auf ein niedriges und beherrschbares Niveau gebracht, was beispielsweise durch eine gezielte Formgebung der Übergänge (Flanken, Radien, etc.) erfolgt.
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Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus den weiteren Patentansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervor.
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Es zeigen:
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1 einen Stator und einen Rotor eines bekannten Nockenwellenverstellers in perspektivischer Darstellung,
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2 einen Rotor eines erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers in perspektivischer Darstellung,
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3 einen Flügel des Rotors gemäß 2 teilweise geschnitten und in perspektivischer Darstellung,
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4 eine Draufsicht des Flügels gemäß 3,
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5 einen Stator eines erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers in perspektivischer Darstellung,
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6 eine vergrößerte Teilansicht des Stators gemäß 5 und
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7 einen Stator eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers in perspektivischer Darstellung.
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1 zeigt einen bekannten Nockenwellenversteller 1, mit dem während des Betriebes eines Verbrennungsmotors die Winkellage zwischen Kurbel- und Nockenwelle verändert wird. Durch Verdrehen der nicht dargestellten Nockenwelle werden die Öffnungs- und Schliesszeitpunkte der Gaswechselventile so verschoben, dass der Verbrennungsmotor bei der jeweiligen Drehzahl seine optimale Leistung bringt. Der Schwenkmotorversteller 1 ermöglicht dabei eine stufenlose Verstellung der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle.
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Der Nockenwellenversteller 1 weist einen zylindrischen Stator 2 auf, der drehfest mit einem Zahnrad 3 verbunden ist. Im Ausführungsbeispiel ist das Zahnrad 3 ein Kettenrad, über das eine nicht näher dargestellte Kette geführt ist. Das Zahnrad 3 kann aber auch ein Zahnriemenrad sein, über das ein Antriebsriemen als Antriebselement geführt ist. Über dieses Antriebselement und das Zahnrad 3 ist der Stator 2 mit der Kurbelwelle in bekannter Weise antriebsverbunden.
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Der Stator 2 und das Zahnrad 3 sind in diesem Ausführungsbeispiel einstückig miteinander ausgebildet. Schrauben verspannen einen nicht gezeigten Statordeckel gegen die Einheit aus Stator 2 und Zahnrad 3. Sind in einer alternativen Ausgestaltungsform Stator 2 und Zahnrad 3 separate Teile, so ist der Stator 2 mittels Schrauben zwischen dem Zahnrad 3 und einem Statordeckel verspannt.
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Der Stator 2 ist mit radial nach innen ragenden Stegen 5 versehen. Umfangsmäßig zwischen diesen Stegen 5 sind Flügel 6 eines Rotors 4 angeordnet. Der Rotor 4 weist eine Rotornabe 7 auf, die drehfest mit der Nockenwelle verbunden ist. Dazu ist die Rotornabe 7 auf ein Nockenwellenende geschrumpft bzw. gepresst. Um die Winkellage zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle zu verändern, wird der Rotor 4 relativ zum Stator 2 gegen die Kraft einer Spiralfeder gedreht. Hierzu wird je nach gewünschter Drehrichtung das Hydraulikfluid in den der einen Drehrichtung zugeordneten Druckkammern 8 unter Druck gesetzt, während die der anderen Drehrichtung zugeordneten Druckkammern 9 zum Tank hin entlastet werden. Diese der anderen Drehrichtung zugeordneten Druckkammern 9 sind in der Zeichnung im Minimalzustand dargestellt.
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Damit bei ausgeschaltetem Verbrennungsmotor – d. h. bei unbelastetem Nockenwellenversteller 1 – der Rotor 4 die für den Motorstart nötige frühe Auslassnockenwellenstellung einnimmt, wird der Rotor 4 durch die Spiralfeder in eine Ausgangslage gedreht. In dieser Ausgangslage ist der Rotor 4 gegenüber dem Stator 2 mittels einer Verriegelung 10 gegen ein Verschwenken festgesetzt. Diese ist in einem der Flügel 6 untergebracht. Dabei wird bei Druckabfall in den Druckkammern 8, 9 werden ein nicht näher dargestellter Verriegelungsbolzen durch die Federkraft einer nicht näher dargestellten Schraubendruckfeder in eine Verriegelungsstellung bewegt, in der dieser in eine Verriegelungsöffnung des nicht gezeigten Statordeckels eingreift. Beim Motorstart wird der Verrieglungsbolzen durch das Hydraulikfluid gegen die Federkraft belastet und zurückgeschoben, so dass der Rotor 4 vom Statordeckel entriegelt wird und der Nockenwellenversteller 1 in seine Regelstellung gelangen kann.
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Die Druckkammern 8, 9 können über Querbohrungen 11, 12 mit Hydraulikfluid versorgt werden bzw. kann das Hydraulikfluid aus diesen abgelassen werden. Dazu ist beispielsweise innerhalb des Nockenwellenendes ein Hydraulikventil koaxial ausgerichtet angeordnet, welches zumindest einen Hydraulikkolben aufweist.
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Der Stator 2 sowie ein Rotor 4 des Nockenwellenverstellers 1 bestehen in der Regel aus Stahl- oder Aluminium-Legierungen und werden im Sinterverfahren hergestellt. Um eine einwandfreie Funktion des Nockenwellenverstellers 1 zu gewährleisten, folgt dabei auf die Prozessschritte Pressen, Grünbearbeitung und Sintern eine relativ aufwendige und aus verschiedenen Verfahren bestehende Endbearbeitung (Kalibrieren, Schleifen, Feindrehen, etc.), um die in axial gegenüberliegenden Flächen erforderliche Parallelität sicherzustellen. Diese Endbearbeitungsprozesse sind kostenintensiv und bergen Qualitätsrisiken, welche durch zwischenliegende Handlingsschritte noch verschärft werden.
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Um einen Nockenwellenversteller 1 bereitzustellen, bei dem die für die Funktion erforderliche Präzision der Sinterbauteile bei deutlich reduziertem Endbearbeitungsaufwand bei gleichzeitiger kostengünstiger Herstellung erzielt werden kann, weist der erfindungsgemäße Nockenwellenversteller 1 auf axial ausgebildeten Stirnflächen des Stators 2 und/oder des Rotors 4 Verdrängungsausnehmungen 14 auf.
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2 zeigt einen Rotor 4 eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers 1. Stirnflächen 13, 15, welche nach Zusammenbau des Nockenwellenverstellers 1 an einer Innenfläche des Stators 2 anliegt, weisen Verdrängungsausnehmungen 14 auf, in welche das Material des Rotors 4 während eines verformenden Nachbearbeitungsverfahrens der Stirnflächen 13, 15 fließen kann. Diese Nachbearbeitung erfolgt vorteilhafterweise mittels Höhenkalibrieren, bei welchem die Höhe des jeweiligen Bauteils sowie die Parallelität von zwei gegenüberliegenden Flächen durch eine gewollte plastische Deformation des Sintermaterials in einfacher und kostengünstiger Weise mittels eines Formwerkzeuges hergestellt werden können.
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Beim Pressen der Rohlinge (Grünlinge) werden also definierte Vertiefungen in Form von Ausnehmungen bzw. Rillen eingebracht, welche den für die nach dem Sintern erforderliche Nachbearbeitung durch die Deformation notwendigen Verdrängungsraum bereitstellt, ohne die so bearbeiteten Stirnflächen 13, 15 in ihrer Tragfähigkeit derart zu beeinträchtigen, dass die ertragbaren Flächenpressungen im Betrieb überschritten werden.
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Indem die Verdrängungsausnehmungen 14 auf den axialen Stirnflächen 13, 15 im Wesentlichen gleichmäßig verteilt vorgesehen sind, ist es möglich, eine Beeinträchtigung der Tragfähigkeit der Stirnflächen 13, 15 zu vermeiden, so das eine bestimmte Flächenpressung im Betrieb des Nockenwellenverstärkers 1 nicht überschritten wird.
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Wie insbesondere aus 3 und 4 ersichtlich ist, welche vergrößerte Teilansichten eines der Flügel 6 zeigen, sind die Verdrängungsausnehmungen 14 dreidimensional facettenförmig ausgebildet und weisen jeweils eine Bodenfläche 16 sowie im Wesentlichen trapezförmige Seitenflächen 17 auf, so dass jeweils eine umlaufende Stegstruktur 18 die Verdrängungsausnehmungen 14 umgibt. Dabei gehen benachbarte Verdrängungsausnehmungen 14 in dieselbe Stegstruktur 18 über. Die Stegstrukturen 18 weisen im Wesentlichen über die Stirnflächen 13, 15 verteilt die gleiche Breite auf. Die Gesamtheit der Stegstrukturen 18 bildet eine Kalibrierstruktur, die einen an die Größe des Bauteils angepassten Flächenanteil aufweist. Hierdurch kann eine weitergehende Deformation und damit eine ungewollten Höhenreduzierung der Bauteile im Betrieb vermieden werden. Dabei ist der Flächenanteil derart festgelegt, dass der notwendige Verdrängungsraum zu Verfügung steht und gleichzeitig eine gewünschte Abdichtung sichergestellt werden kann.
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Die Flächenverhältnisse zwischen den Verdrängungsausnehmungen und der Kalibrierstruktur trägt entscheidend für den erreichten Verformungsgrad und damit die Präzision hinsichtlich der Erzielung eines bestimmten Höhenmaßes bei. Da beim Höhenkalibrieren die gegenüberliegenden Flächen mit Presskraft und Gegenhaltekraft beaufschlagt werden, ergibt sich neben der gewollten plastischen Deformation auch ein erheblicher Anteil an elastischer Verformung, der zu einer Rückfederung der verformten Materialanteile bei Entlastung des Bauteils führt. Dieser elastische Anteil muss gering gehalten werde, da er als schwer kontrollierbare Einflussgröße beim späteren Verspannen der Komponente im Nockenwellenversteller 1 gilt und sich dort negativ auswirken kann. Da sich jedoch bei derartigen Fertigungsverfahren der elastische Verformungsanteil beim Kalibrieren nicht gänzlich vermeiden lässt, wird dieser zudem durch eine geeignete Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Oberflächenstruktur auf ein niedriges und beherrschbares Niveau gebracht. Dies wird durch die oben beschriebene Formgebung der Verdrängungsausnehmungen 14 mit den Seitenflächen 17 als Übergang zu den Stegstrukturen 18 erreicht. Eine weitere Formgebung kann durch Radien etc. erfolgen.
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Um den elastischen Anteil möglichst gering zu halten, wird zudem der Neigungswinkel der trapezförmigen Seitenflächen 17 an den Flächenanteil der Stegstrukturen 18 angepasst. Grundsätzlich hat sich herausgestellt, dass hierzu bei kleiner werdendem Anteil an zurückstehender Fläche (Verdrängungsausnehmungen 14) die Übergänge zwischen erhabenen und vertieften Bereichen steiler verlaufen müssen und umgekehrt.
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Weiter ist insbesondere aus 2 ersichtlich, dass die Verdrängungsausnehmungen 14 sowie die Stegstrukturen 18 auf den Stirnflächen 13, 15 derart angeordnet sind, dass ein Teil der Stegstrukturen 18 eine durchgehende Struktur bildet, welche die Stirnflächen 13, 15 umlaufend begrenzt. Diese umlaufende Struktur ermöglicht beim Anliegen der jeweiligen Stirnfläche 13, 15 an Innenflächen des Stators 2 eine sichere Abdichtung der Stirnflächen 13, 15, so dass die Leckage deutlich reduziert werden kann. Dieser Teil der Stegstrukturen 18 kann zur Verbesserung der Abdichtung breiter als die inneren Stegstrukturen 18 ausgeführt sein.
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5 und 6 zeigen einen Stator 2 des ersten Ausführungsbeispiels, welcher gemäß 1 mit einem Zahnrad 3 einteilig ausgebildet ist. Wie bereits zum Rotor 4 beschrieben, weist auch der Stator 2 an seinen Stirnflächen 19, 20 die bereits beschriebenen Verdrängungsausnehmungen 14 auf. Es wird auf die oben bestehende Beschreibung hierzu verwiesen.
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7 zeigt einen Stator 2 eines weiteren Ausführungsbeispiels, an welchen ein Zahnriemenrad oder eine Riemenscheibe drehfest befestigbar ist.
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Die beschriebene Kalibrierstruktur mit den Verdrängungsausnehmungen 14 kann erfindungsgemäß am Rotor 4 oder am Stator 2 bzw. an beiden Bauteilen vorgesehen werden, findet jedoch insbesondere ihre vorteilhafte Anwendung an den Stirnflächen 19, 20 des Stators 2. Hier ist bei der Auslegung der Kalibrierstruktur zu berücksichtigen, dass im zusammengebauten Zustand wie auch unter allen Betriebsbedingungen die ertragbaren Flächenpressungen nicht überschritten werden dürfen, um die axial einwirkenden Verspannkräfte sicher und dauerhaft ohne Setzen des Klemmverbandes aufnehmen zu können. Die Betriebszustände umfassen hierbei insbesondere hohe Temperaturen, bei denen sich die Kriechstandsfestigkeit der Werkstoffe nachteilig ändert wie auch axial und insbesondere radial einwirkende mechanische Kräfte, die zusätzliche axial wirkende Kraft-Komponenten auf die erfindungsgemäß strukturierte Fläche bringen können.
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Ebenso ist es für die spätere Funktion der erfindungsgemäß hergestellten Bauteile 2, 4 des Nockenwellenverstellers 1 von großer Bedeutung, dass die in axial gegenüberliegenden Flächen engste Toleranzen hinsichtlich Parallelität aufweisen. Umso bedeutender ist es, bei der Auslegung der erfindungsgemäßen Kalibrierstruktur auf beiden Stirnflächen 13, 15 bzw. 19, 20 exakt zu ermitteln, welche Deformationsanteile plastischer bzw. elastischer Natur zu erwarten sind und dabei auch die Krafteinwirkung sowie die Prozesseinflüsse beim Kalibrieren mit in Betracht zu ziehen.
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Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Kalibrierstruktur ergeben sich in der Hinsicht, als die höhenkalibrierten Stirnflächen 13, 15 bzw. 19, 20 mit einer bestimmten globalen Topologie ausgestattet werden können, die z. B. der Verformung eines Rotors 4 bei der Verspannung auf das Nockenwellenende entgegenkommt und dadurch zu einer weiteren Funktionsverbesserung bei gleichzeitig reduzierten Herstellkosten beitragen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Nockenwellenversteller
- 2
- Stator
- 3
- Zahnrad
- 4
- Rotor
- 5
- Steg
- 6
- Flügel
- 7
- Rotornabe
- 8
- Druckkammer
- 9
- Druckkammer
- 10
- Verriegelung
- 11
- Querbohrung
- 12
- Querbohrung
- 13
- Stirnfläche
- 14
- Verdrängungsausnehmung
- 15
- Stirnfläche
- 16
- Bodenfläche
- 17
- Seitenfläche
- 18
- Stegstruktur
- 19
- Stirnfläche
- 20
- Stirnfläche
