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Die Erfindung betrifft einen Aktor für eine Nockenwellenverstellvorrichtung einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Ein solcher Aktor für eine Nockenwellenverstellvorrichtung einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, ist beispielsweise bereits der
DE 10 2013 001 487 A1 als bekannt zu entnehmen. Die Nockenwellenverstellvorrichtung dient der Ventilhubumschaltung und wird auch als Camtronic bezeichnet. Hierzu umfasst die Nockenwellenverstellvorrichtung wenigstens ein Nockenelement, welches entlang einer Verschieberichtung verschiebbar ist. Üblicherweise ist das Nockenelement auf einer Welle, insbesondere einer Nockenwelle, angeordnet und von der Welle antreibbar, sodass beispielsweise das Nockenelement zumindest vorübergehend mit der Welle mitdrehbar ist. Dabei fällt üblicherweise die Verschieberichtung mit der axialen Richtung der Welle zusammen, sodass das Nockenelement üblicherweise in axialer Richtung relativ zur Welle verschiebbar ist. Mittels des Nockenelements ist wenigstens ein Gaswechselventil der beispielsweise als Hubkolbenmaschine ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine betätigbar, das heißt beispielsweise aus einer Schließstellung in eine Offenstellung bewegbar.
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Um die Verschiebung des Nockenelements entlang der Verschieberichtung zu bewirken, umfasst der Aktor wenigstens ein Eingriffselement, welches beispielsweise als Stift beziehungsweise Pin ausgebildet ist. Das Eingriffselement ist zwischen wenigstens einer Ausgangsstellung und wenigstens einer Eingriffsstellung relativ zu dem Nockenelement, insbesondere translatorisch, bewegbar. In der Eingriffsstellung greift zumindest ein Teilbereich des Eingriffelements in eine Verschiebekulisse zum Bewirken der Verschiebung des Nockenelements ein, wobei üblicherweise die Verschiebekulisse an dem Nockenelement vorgesehen ist beziehungsweise das Nockenelement die Verschiebekulisse aufweist. In der Ausgangsstellung ist der Teilbereich beispielsweise außerhalb der Verschiebekulisse angeordnet, sodass das Eingriffselement beispielsweise in der Ausgangsstellung nicht in die Verschiebekulisse eingreift.
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Ferner offenbart die
DE 20 2012 104 122 U1 eine elektromagnetische Stellvorrichtung mit einem endseitig einen Eingriffsbereich ausbildenden und durch Kraft einer stationär vorgesehenen Spuleneinrichtung bewegbaren langgestreckten Stellelement als Anker, das abschnittsweise und axial entlang einer Erstreckungsrichtung des Stellelements magnetisierte Permanentmagnetmittel aufweist, die zum Zusammenwirken mit einem stationären Kernbereich ausgebildet sind. Dabei ist es vorgesehen, dass das Stellelement zwei Abschnitte aufweist, von denen ein erster, den Permanentmagnetmitteln zugeordneter Abschnitt hinsichtlich der magnetischen Leitfähigkeit so eingerichtet ist, dass kein magnetisches Neben- und/oder Kurzschließen der Permanentmagnetmittel erfolgt, und ein zweiter, dem Eingriffsbereich zugeordneter Abschnitt eine hohe Verschleißfestigkeit aufweist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Aktor der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass eine hohe Robustheit des Aktors realisiert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch einen Aktor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um einen Aktor der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass eine besonders hohe Robustheit des Aktors, insbesondere des Eingriffelements realisiert werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Eingriffelement zumindest in dem dem Eingriff zugeordneten Teilbereich aus einem martensitisch härtbaren, hochlegierten Stahl, insbesondere einem Warmarbeitsstahl gebildet ist.
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Der Erfindung liegt dabei insbesondere die folgende Erkenntnis zugrunde: Zum Verschieben des Nockenelements entlang der Verschieberichtung wird das Eingriffselement aus der Ausgangsstellung in die Eingriffsstellung bewegt, sodass dann zumindest der Teilbereich des Eingriffelements in die beispielsweise zumindest im Wesentlichen S-förmige Verschiebekulisse eingreift. Da das Nockenelement beispielsweise auf einer Welle angeordnet und zumindest vorübergehend mit der Welle mitdrehbar ist, werden das Eingriffelement und somit dessen Verschiebekulisse zumindest vorübergehend relativ zu dem Eingriffselement, insbesondere während dieses in die Verschiebekulisse eingreift, gedreht, sodass der Aktor, insbesondere das Eingriffelement, gegenüber dem Nockenelement beziehungsweise der Verschiebekulisse des Nockenelements stillsteht. Der Aktor ist somit ein im Vergleich zum Nockenelement und somit zur Verschiebekulisse des Nockenelements stehender Aktor, wobei zumindest der Teilbereich in der Eingriffsstellung mechanisch in die Verschiebekulisse am sich relativ zum Eingriffelement drehenden Nockenelement, welches beispielsweise ein Nockenstück ist, eingreift. Da sich das Nockenelement und somit die Verschiebekulisse relativ zum Eingriffelement drehen, wird das beispielsweise als Schiebestück ausgebildete Nockenelement dadurch zwangsgeführt, dass sich die Verschiebekulisse, insbesondere wenigstens eine die Verschiebekulisse zumindest teilweise begrenzende Wandung des Nockenelements, am stehenden Eingriffelement, insbesondere parallel zur Verschieberichtung, abstützt. Dadurch wird das Nockenelement, insbesondere relativ zur Welle, in die Verschieberichtung verschoben. Das Verschieben wird somit dadurch bewirkt, dass die Verschiebekulisse beziehungsweise das Nockenelement relativ zum Eingriffselement gedreht wird, während das Eingriffselement in die Verschiebekulisse eingreift. Mittels der Verschiebekulisse und des Eingriffselement wird die Drehbewegung des Nockenelements in die Verschiebung dieses entlang der Verschieberichtung umgewandelt. Aufgrund der Kräfteverhältnisse steht das beispielsweise zylindrische Eingriffselement unter Einwirkung einer Schaltkraft in einer momentanen Winkelposition drehfest.
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Am Eingriffselement entsteht aufgrund der großen Relativgeschwindigkeit verbunden mit den hohen Kraftimpulsen eine starke kurzzeitige und lokale Erhitzung der Kontaktzone durch Reibarbeit. Dabei setzt am Eingriffselement üblicherweise ein Verschleißprozess ein, der Merkmale von Gleitverschleiß, adhäsivem Verschleiß, Verformung sowie Oberflächenermüdung aufweisen kann und letztendlich zum Materialabtrag führt. Durch den impulsartigen Kontakt zum beispielsweise als Schiebestück ausgebildeten Nockenelement können am Eingriffselement auch Neuhärtezonen entstehen, da beispielsweise zunächst örtlich hohe Temperaturen und dann eine Selbstabschreckung auftritt. Diese aufgehärteten, eventuell bereits unrund abgetragenen Oberflächenpartien des Eingriffselements liegen wiederum an der als Kulissenlaufbahn ausgebildeten Verschiebekulisse des als Schiebestück ausgebildeten Nockenelements wie ein Werkzeug an, sodass sich der Verschleiß an beiden Tribopartnern gegenseitig aufschaukeln und zum vorzeitigen Ausfall der Nockenwellenverstellvorrichtung führen kann.
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Diese Probleme und Nachteile können nur mittels des erfindungsgemäßen Aktors vermieden werden, da das Eingriffselement vollständig oder zumindest in dem Teilbereich, der infolge der Bewegung des Eingriffselements aus der Ausgangsstellung in die Eingriffsstellung in Eingriff mit der als Verstellkulisse wirkenden Verschiebekulisse kommt, aus einem martensitisch härtbaren, hochlegierten Stahl, insbesondere einem Warmarbeitsstahl, wobei ein solcher Warmarbeitsstahl üblicherweise für Warmumformwerkzeuge von Stählen eingesetzt wird.
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Es wurde gefunden, dass das Eingriffselement zumindest in dem Teilbereich aus einem gehärteten beziehungsweise martensitischen Stahl gebildet sein kann. Derartige gehärtete beziehungsweise martensitische Stähle weisen eine gute Verschleißbeständigkeit im kalten Zustand bis maximal circa 250 Grad Celsius auf. Allerdings wird die Eingriffsstelle am Eingriffselement aufgrund der bei der Verstellung wirkenden Reibkraft und der fehlenden Abwälzbewegung während der wesentlichen Krafteinwirkung erheblich erwärmt. Dabei steigt die lokale Oberflächentemperatur unter der Verschleißbeanspruchung auf Werte an, die weit oberhalb der Umwandlungstemperatur von Martensit und Austenit von Stählen (circa 723 Grad Celsius) liegen können, zum Beispiel zwischen 800 Grad Celsius und 1000 Grad Celsius. Hierdurch wird in Oberflächen des Eingriffsbereiches des Eingriffselements das Härtegefüge mit seinen Eigenschaften signifikant verändert, indem sich in der erhitzten Oberflächenzone unter der Beanspruchung harter Martensit in weichen Austenit umwandelt. In der Folge wird ein Teil der erweichten dünnen Oberflächenzone abgetragen, und am Ende der Reibkrafteinwirkung erfolgt eine Neuhärtung des unrund gewordenen Bereichs über Selbstabschreckung ähnlich einer Laserhärtung – mit einem Einfrieren der mitunter kantigen Oberfläche des Eingriffselements.
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Ein derartiger unrund gewordener, zunächst harter Eingriffsbereich kann bei nachfolgenden Eingriffen ähnlich einer Feile die Verschiebekulisse aufrauen und verschleißend abtragen. Die ursprünglich eingebrachte Härte des Eingriffselements ist daher bei der eigentlichen Verstellung des Nockenelements und somit einer Nockenwelle unwirksam.
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Eine weitere Möglichkeit zur Vermeidung eines übermäßigen Verschleißabtrags am Eingriffselement ist beispielsweise eine spezielle Oberflächenbehandlung oder Oberflächenbeschichtung. Hierzu zählt beispielsweise eine Nitrierung der Oberfläche. Verwendung finden als Grundmaterial bislang Nitrierstähle oder Einsatzstähle. Diese Grundmaterialien können bevorzugt entweder in zuvor vergütetem oder aber in einsatzgehärtetem Zustand verwendet werden.
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Die thermische Beständigkeit der dünnen Schicht aus Eisennitrid ist wesentlich höher als die einer nur gehärteten Randschicht. Weiterhin bewirken die durch den eindiffundierten Stickstoff gebildeten Ausscheidungen in der Diffusionszone eines Stahles eine höhere Umwandlungsträgheit. Bei Anwendung der Nitrierung an einem ursprünglich gehärteten Eingriffselement aus einem Nitrier- oder einem Vergütungsstahl wird die Härtezone allerdings durch die thermische Einwirkung des Nitrierprozesses angelassen, wobei die Härte in Tiefen außerhalb der Diffusionszone auf das Niveau eines vergüteten Stahls reduziert wird.
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Ein derartig behandeltes Eingriffselement zeigt zwar in der beanspruchten Eingriffszone am Eingriffselement einen vergleichsweise höheren Widerstand gegen Gleitverschleiß als ein ausschließlich gehärtetes Eingriffselement. Der Vorteil dieser beschichteten Systeme ist aber nicht allein in der höheren Schichthärte, sondern auch in der Reibungsreduzierung in der Tribokontaktzone und dadurch in der Verringerung der örtlichen Kontakttemperaturen zu sehen.
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Die Nitrierung (Beschichtung) von gehärteten oder vergüteten Einsatz- oder Vergütungsstählen weist aber einen entscheidenden Nachteil auf. Die thermische Beanspruchung des Grundmaterials während des Nitrierprozesses führt zu einer Reduzierung der Bauteilfestigkeit. So kann unter Einwirkung einer größeren Verstellkraft verbunden mit einer hohen hertz'schen Pressung eine Deformation in tiefen, unter der Oberfläche gelegenen Zonen auftreten und dadurch Verschleiß hervorrufen. Da die Verbindungsschichtdicke aus Eisennitrid mit wenigen Mikrometern nur vergleichsweise dünn ist, kann diese in der Folge leicht abgetragen werden, was den Widerstand gegenüber weiterem Verschleiß erheblich reduziert und zu einem vorzeitigen Ausfall der Nockenverstellvorrichtung führen kann.
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Auch diese Nachteile und Probleme können mittels des erfindungsgemäßen Aktors vermieden werden, da zumindest der Teilbereich des Eingriffselements aus einem martensitisch härtbaren, hochlegierten Stahl, insbesondere einem Warmarbeitsstahl gebildet ist. Beispielsweise handelt es sich bei dem Warmarbeitsstahl um X45MoCrV5-3-1. Diese Art von Stählen weist im gehärteten Zustand eine sehr hohe Warmfestigkeit sowie einen hohen Warmverschleißwiderstand bei sehr guter thermischer Beständigkeit auf. Diese Eigenschaften, die für die Warmumformung zum Beispiel in Schmiedegesenken wichtig sind, können ebenso beim Eingriffselement vorteilhaft genutzt werden, das im Eingriff mit der als Verstellkulisse fungierenden Verschiebekulisse im Kontaktbereich am Rand einer hohen kurzzeitigen Erwärmung bei gleichzeitig hoher Verschleißbeanspruchung ausgesetzt ist. Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn der Warmarbeitsstahl die folgende Zusammensetzung beziehungsweise die folgenden Legierungselemente aufweist:
- – 0,15 Gewichtsprozent (Gew.-%) bis 0,7 Gew.-% Kohlenstoff;
- – 1,8 Gew.-% bis 11,0 Gew.-% Chrom;
- – 0,4 Gew.-% bis 6,0 Gew.-% Molybdän;
- – 0,15 Gew.-% bis 2,5 Gew.-% Vanadium; und
- – 0,1 Gew.-% bis 1,5 Gew.-% Silizium.
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Ferner hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn das Eingriffselement zumindest in dem Teilbereich gehärtet und angelassen ist. Dabei weist das Eingriffselement zumindest in dem Teilbereich nach dem Härten und Anlassen beispielsweise eine Randhärte in einem Bereich von einschließlich 53 HRC bis einschließlich 63 HRC (Härte nach Rockwell) auf.
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Die Wahl eines Warmarbeitsstahls ist vorteilhaft, da dieser unempfindlich gegen den thermischen Eintrag während des Nitrierprozesses ist und seine zuvor dargestellte Härte zumindest beibehält. Bestimmte Warmarbeitsstähle, zum Beispiel der mit der genannten chemischen Zusammensetzung, besitzen zudem die Eigenschaft, bei einer Anlasstemperatur von circa 450 Grad Celsius bis 600 Grad Celsius, vorzugsweise 500 Grad Celsius bis 550 Grad Celsius (also in dem Temperaturbereich, in dem beispielsweise auch der Nitrierprozess stattfindet), Ausscheidungen zu bilden, die zu einer Sekundärhärte beitragen, die die üblicherweise beim Anlassen in diesem Temperaturbereich eintretende Reduzierung der Bauteilhärte aufhebt. Hierdurch ist ein Grundgefüge mit guter Härte und zugleich ausreichender Zähigkeit gegen Sprödbruch einstellbar.
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Durch die genannte Eigenschaft der Ausbildung einer Sekundärhärte lässt sich besonders vorteilhaft eine nachträgliche Oberflächenbehandlung und/oder Oberflächenbeschichtung beispielsweise zur Aufbringung einer verschleißfesten Randschicht kombinieren. Diese kann vorzugsweise in dem vorstehend genannten Temperaturbereich durchgeführt werden. Beispielhaft sei hier das Nitrieren genannt, insbesondere das Plasmanitrieren. Dies führt zu einer dünnen Randschicht aus Eisennitriden verbunden mit einer darunter liegenden, sehr gut tragenden harten Zone des Grundwerkstoffs, der die Verbindungsschicht optimal auch bei hoher Flächenpressung stützt. Somit ist es vorzugsweise vorgesehen, dass das Eingriffselement zumindest in dem Teilbereich bzw. Abschnittsweise nitriert, plasmanitriert oder nitrocaburiert ist. Dabei kann das Eingriffselement zumindest in einem Teilbereich vor einer thermochemischen Randschichtbehandlung durch Nitrieren, Plasmanitrieren oder Nitrocarburieren feingedreht oder geschliffen werden.
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Weiterhin kann vorteilhaft eine harte, verschleißfeste Randschicht durch Nitrocarburieren aufgebracht werden, die eine noch höhere Verschleißfestigkeit als eine Nitrierschicht aufweist. Dabei ist es somit vorzugsweise vorgesehen, dass das Eingriffselement zumindest in einem Teilbereich eine durch Nitrocarburieren aufgebrachte Randschicht aufweist. Ferner ist es denkbar das Eingriffselement zumindest abschnittsweise mit einem Verschleiß hemmenden Hartstoff zu beschichten. Dabei kann es sich um eine PVD-Beschichtung mit Chromnitrid, Chromcarbonitrid, Titannitrid, Titancarbonitrid, Wolframcarbid-Kohlenstoff oder Diamantartigen Kohlenstoff (DLC) handeln. Alternativ kann es sich bei dem Verschleiß hemmenden Hartstoff um eine plasmaunterstützte CVD-Beschichtung mit Titancarbid, Titannitrid, Titancarbonitrid oder eine Titan-Bor-Verbindung handeln.
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Weiterhin vorteilhaft ist die Ausführung eines derartigen Eingriffselements mit einer Oberfläche, die für einen minimalen Reibwert vor einem Beschichten feingedreht, geschliffen oder noch besser poliert ist. Dies reduziert die unter Reibung auftretende Erwärmung und steigert die Beanspruchbarkeit der Oberfläche des Eingriffselements. Mit anderen Worten ist es vorzugsweise vorgesehen, dass zumindest der Teilbereich, insbesondere dessen Oberfläche, feingedreht, geschliffen oder poliert ist.
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Das beschriebene Eingriffselement ist besonders vorteilhaft verwendbar für den zuvor beschriebenen Aktor beziehungsweise die Nockenverstellvorrichtung, da hier eine zumindest kurzzeitige hohe Oberflächenbeanspruchung an dem in Eingriff mit der als Hubkurve fungierenden Verschiebekulisse stehenden Eingriffselement auftritt. Besonders vorteilhaft ist der Einsatz eines derartigen Eingriffselements, wenn zwischen dem in Eingriff stehenden Eingriffselement und der Verschiebekulisse eine zugleich zumindest kurzzeitig hohe Relativgeschwindigkeit auftritt. Beide Voraussetzungen treten insbesondere dann auf, wenn eine derartige Verstelleinrichtung bei erhöhter Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine betätigt wird. Dies ist bereits ab einer Kurbelwellendrehzahl von circa 3000 Umdrehungen pro Minute der Fall.
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Mit anderen Worten ist es möglich, das zuvor beschriebene Eingriffselement für jedwede Verstelleinrichtung zu verwenden, bei welcher das Eingriffselement in zumindest vorübergehendem Eingriff mit einer Ausnehmung, insbesondere mit einer Kulisse, bewegt wird und dabei beispielsweise zumindest vorübergehend in Berührung mit einer die Ausnehmung zumindest teilweise begrenzenden Wandung kommt, da beispielsweise die Wandung und somit die Ausnehmung relativ zu dem Eingriffselement bewegt, insbesondere gedreht, werden.
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Das Eingriffselement ist beispielsweise verwendbar für jedwede Verstelleinrichtung beziehungsweise Verstellvorrichtung, wobei die zuvor genannte Nockenwellenverstellvorrichtung eine solche Versteileinrichtung ist. Weiterhin ist ein derartiges Eingriffselement vorteilhaft, wenn mit der Verstelleinrichtung über der vorhergesehenen Lebensdauer der Verbrennungskraftmaschine eine besonders große Anzahl von Verstellungen, zum Beispiel oberhalb von einer Million, vorgenommen werden soll. Ebenso vorteilhaft wirkt sich die Ausführung eines derartigen Eingriffselements aus, wenn die Verstelleinrichtung für das Downsizing in einem kleineren Bauraum mit kleineren Querschnitten des Eingriffselements ausgeführt werden soll. Hierbei entstehen durch kleinere Querschnitte und Durchmesser wesentlich höhere Flächenpressungen zwischen Eingriffselement und Verschiebekulisse beziehungsweise Verstellkulisse. Weiterhin weist ein derartiges Eingriffselement aufgrund der Materialeigenschaften des beschriebenen Warmarbeitsstahls eine erhöhte Dauerfestigkeit auf, die eine höhere spezifische Biegebeanspruchung als bei den bisher verwendeten Stählen zulässt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine schematische Seitenansicht einer als Nockenwellenverstellvorrichtung ausgebildeten Verstelleinrichtung einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit einem Aktor, welcher ein zwischen wenigstens einer Ausgangsstellung und wenigstens einer Eingriffsstellung verstellbares Eingriffselement umfasst, wobei zumindest ein Teilbereich des Eingriffselements aus einem martensitisch härtbaren, hochlegierten Stahl, insbesondere einem Warmarbeitsstahl gebildet ist;
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2 eine schematische und teilweise geschnittene Seitenansicht des Aktors; und
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3 eine schematische Schnittansicht des Eingriffselements.
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In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Nockenwellenverstellvorrichtung, welche eine Verstelleinrichtung beziehungsweise eine Verstellvorrichtung ist. Die Nockenwellenverstellvorrichtung ist Bestandteil einer beispielsweise als Hubkolbenmaschine ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine, welche auch als Motor oder Verbrennungsmotor bezeichnet wird. Die Verbrennungskraftmaschine wiederum ist Bestandteil eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, welches beispielsweise als Kraftwagen ausgebildet und mittels der Verbrennungskraftmaschine antreibbar ist. Dabei weist die Verbrennungskraftmaschine wenigstens einen als Zylinder ausgebildeten Brennraum auf, welchem wenigstens ein Gaswechselventil zugeordnet ist. Das Gaswechselventil ist zwischen einer Schließstellung und wenigstens zwei Offenstellungen bewegbar. Zum Bewegen des Gaswechselventils aus der Schließstellung in eine erste der Offenstellungen, wird ein erster Hub des Gaswechselventils bewirkt. Zum Bewirken des Gaswechselventils aus der Schließstellung in die zweite Offenstellung wird ein gegenüber dem ersten Hub größerer, zweiter Hub des Gaswechselventils bewirkt. Unter dem jeweiligen Hub ist eine translatorische Bewegung des Gaswechselventils aus der Schließstellung in die jeweilige Offenstellung zu verstehen.
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Zum Bewirken der unterschiedlichen Hübe des Gaswechselventils umfasst die Nockenwellenverstellvorrichtung 10 ein Nockenelement 11 und eine Welle, welche als Nockenwelle 30 bezeichnet wird. Die Verbrennungskraftmaschine umfasst beispielsweise eine als Kurbelwelle ausgebildete Abtriebswelle, wobei die Nockenwelle 30 von der Abtriebswelle antreibbar ist. Die Nockenwelle 30 ist somit um eine Drehachse drehbar.
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Das Nockenelement 11 ist auf der Nockenwelle 30 angeordnet und von der Nockenwelle 30 um die Drehachse antreibbar, sodass das Nockenelement 11 zumindest vorübergehend mit der Nockenwelle 30 mitdrehbar ist. Das Nockenelement 11 ist jedoch als Schiebestück ausgebildet, welches auch als Verschiebestück bezeichnet wird. Dabei ist das Nockenelement 11 entlang einer Verschieberichtung relativ zur Nockenwelle 30 verschiebbar, wobei diese Verschieberichtung in 1 durch einen Doppelpfeil 15 veranschaulicht ist. Dabei ist aus 1 erkennbar, dass die Verschieberichtung mit der axialen Richtung der Nockenwelle 30 zusammenfällt, sodass das als Verschiebestück ausgebildete Nockenelement 11 in axialer Richtung der Nockenwelle 30 relativ zu dieser verschiebbar ist. Dabei ist das Nockenelement 11 zumindest zwischen einer ersten Betätigungsstellung und einer zweiten Betätigungsstellung entlang der Verschieberichtung relativ zur Nockenwelle 30 verschiebbar.
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Das Nockenelement 11 weist dabei eine erste Nockenbahn 26 zum Bewirken des ersten Hubs und eine zweite Nockenbahn 27 zum Bewirken des gegenüber dem ersten Hub größeren, zweiten Hubs auf. Die Nockenbahnen 26 und 27 sind entlang der Verschieberichtung und somit in axialer Richtung der Nockenwelle 30 nebeneinander angeordnet und werden genutzt, um das Gaswechselventil aus der Schließstellung in die jeweilige Offenstellung zu bewegen. Befindet sich das Nockenelement 11 in der ersten Betätigungsstellung, und wird das Nockenelement 11 mittels der Nockenwelle 30, insbesondere relativ zu dem Gaswechselventil, gedreht, so kommt die erste Nockenbahn 26 in zumindest vorübergehendes und zumindest mittelbares Zusammenwirken mit dem Gaswechselventil, sodass mittels der ersten Nockenbahn 26 der erste Hub des Gaswechselventils bewirkt wird. Befindet sich das Nockenelement 11 beispielsweise in der zweiten Betätigungsstellung, und wird das Nockenelement 11 über die Nockenwelle 30 gedreht, so kommt die zweite Nockenbahn 27 in zumindest mittelbares und zumindest vorübergehendes Zusammenwirken mit dem Gaswechselventil, sodass dann der gegenüber dem ersten Hub größere, zweite Hub des Gaswechselventils bewirkt wird.
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Um das Nockenelement 11 zwischen den Betätigungsstellungen zu verschieben, weist das Nockenelement 11 eine Verschiebekulisse 12 auf, welche auch als Kulissenbahn oder Kulisse bezeichnet wird. Bezogen auf die in 1 gezeigte Seitenansicht ist die Verschiebekulisse 12 zumindest im Wesentlichen S-förmig ausgebildet. Somit kann die Verschiebekulisse 12 genutzt werden, um die Verschiebung des Nockenelements 11 entlang der Verschieberichtung relativ zur Nockenwelle 30 zu bewirken. Das Nockenelement 11 weist wenigstens zwei in Verschieberichtung und, somit in axialer Richtung der Nockenwelle 30 einander gegenüberliegende Wandungen 28 und 29 auf, durch welche die Verschiebekulisse 12 jeweils teilweise und insbesondere entlang der Verschieberichtung begrenzt ist.
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Ferner umfasst die Nockenwellenverstellvorrichtung 10 einen Aktor 25, mittels welchem, insbesondere in Zusammenwirken mit der Verschiebekulisse 12, die Verschiebung des Nockenelements 11 bewirkbar ist. Der Aktor 25 wird auch als Stellglied bezeichnet und umfasst ein Aktorgehäuse 13 und ein Eingriffselement 14, welches relativ zu dem Aktorgehäuse 13, insbesondere translatorisch, bewegbar ist. Der Aktor 25 umfasst beispielsweise einen in 1 nicht erkennbaren Antrieb, welcher beispielsweise elektrisch betreibbar ist und somit beispielsweise als Elektromotor oder Elektromagnet ausgebildet ist. Mittels des Antriebs ist das Eingriffselement 14 bewegbar. Insbesondere ist das Eingriffselement 14 zwischen wenigstens einer in 1 gezeigten Ausgangsstellung und wenigstens einer Eingriffsstellung relativ zu dem Nockenelement 11 bewegbar. Dabei ist das Eingriffselement 14 relativ zu dem Nockenelement 11 translatorisch bewegbar. Vorliegend ist das Eingriffselement 14 entlang einer Bewegungsrichtung bewegbar, welche schräg oder vorwiegend senkrecht zur Verschieberichtung verläuft.
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In Zusammenschau mit 2 ist erkennbar, dass das Eingriffselement 14 zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend, in dem Aktorgehäuse 13 aufgenommen und dabei relativ zu dem Aktorgehäuse 13 verschiebbar ist. Insbesondere ist das Eingriffselement 14 verschiebbar in beziehungsweise an dem Aktorgehäuse 13 gelagert. Vorliegend ist das Eingriffselement 14 als Stift ausgebildet, welcher auch als Pin bezeichnet wird. Dabei weist das Eingriffselement 14 eine Längserstreckungsrichtung auf, wobei die zuvor genannte Bewegungsrichtung mit der Längserstreckungsrichtung zusammenfällt. Infolge der Ausgestaltung als Stift oder Pin ist das Eingriffselement 14 außenumfangsseitig zumindest im Wesentlichen zylindrisch, das heißt in Form eines geraden Kreiszylinders ausgebildet. Es ist auch denkbar, dass das Eingriffselement 14 auch eine vom geraden Kreiszylinder abweichende Form aufweist. Beispielsweise kann das Eingriffselement 14 außenumfangsseitig eine ovale Form aufweisen. Des Weiteren muss das Eingriffselement 14 außenumfangsseitig nicht über seine gesamte Länge eine gleichbleibende Form aufweisen.
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In Zusammenschau mit 3 ist erkennbar, dass in der Eingriffsstellung zumindest ein Teilbereich 20 des Eingriffselements 14 in die Verschiebekulisse 12 eingreift, um dadurch die Verschiebung des Nockenelements 11 zu bewirken. In der Ausgangsstellung ist der Teilbereich 20 außerhalb der Verschiebekulisse 12 angeordnet, wobei das Eingriffselement 14 in der Ausgangsstellung nicht in die Verschiebekulisse 12 eingreift. Dadurch unterbleibt in der Ausgangsstellung ein durch das Eingriffselement 14 bewirktes Verschieben des Nockenelements 11.
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Das Eingriffselement 14 weist auf einander abgewandten Seiten angeordnete Berührflächen 23 und 24 auf, welche in der Eingriffsstellung in Stützanlage beziehungsweise in Kontakt mit den jeweiligen Wandungen 28, 29 kommen können. Durch diesen Kontakt zwischen der Berührfläche 23 und der Wandung 28 beziehungsweise zwischen der Berührfläche 24 und der Wandung 29 kann das Nockenelement 11 aus der ersten Betätigungsstellung in die zweite Betätigungsstellung beziehungsweise aus der zweiten Betätigungsstellung in die erste Betätigungsstellung relativ zur Nockenwelle 30 axial verschoben werden. Zum Verringern eine Reibung zwischen den Berührflächen 23 und 24 und den jeweiligen Wandungen 28 und 29 kann das Eingriffselement 14 zumindest an den Berührflächen 23 und 24 poliert sein.
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Aus 2 ist erkennbar, dass der Aktor 25 eine Führung 16 aufweist, mittels welcher das Eingriffselement 14 bei dessen translatorischer Bewegung zwischen der Ausgangsstellung und der Eingriffsstellung geführt wird. Dabei ist die Führung 16 durch ein Führungselement 19 des Aktors 25 gebildet. Das Führungselement 19 ist beispielsweise an oder innerhalb des Aktorgehäuses 13 angeordnet. Innerhalb der Führung 16 des Führungselements 19 wird das Eingriffselement 14 in seiner Achsrichtung beziehungsweise Bewegungsrichtung verschiebbar geführt.
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Um nun eine besonders hohe Robustheit des Eingriffselements 14 und somit des Aktors 25 und der Nockenwellenverstellvorrichtung 10 insgesamt zu realisieren, ist das Eingriffselement 14 zumindest in dem Teilbereich 20 aus einem martensitisch härtbaren, hochlegierten Stahl, insbesondere einem Warmarbeitsstahl gebildet.
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Aus 3 ist erkennbar, dass das Eingriffselement 14 in dem in den Fig. veranschaulichten Ausführungsbeispiel aus zwei voneinander unterschiedlichen Werkstoffen gebildet ist. Dabei umfasst das Eingriffselement 14 ein Eingriffselementoberteil 31 und ein beispielsweise mit dem Eingriffselementoberteil 31 verbundenes Eingriffselementunterteil 32, durch welches der Teilbereich 20 gebildet ist. Das Eingriffselementoberteil 31 ist beispielsweise aus einem ersten der Werkstoffe gebildet, wobei das Eingriffselementunterteil 32 und somit der Teilbereich 20 aus dem zweiten Werkstoff gebildet sind. Dabei ist der zweite Werkstoff als der zuvor genannte martensitisch härtbare, hochlegierte Stahl, insbesondere der Warmarbeitsstahl ausgebildet, sodass das Eingriffselementunterteil 32 und somit der Teilbereich 20 aus dem martensitisch härtbare, hochlegierte Stahl, insbesondere dem Warmarbeitsstahl gebildet sind. Das Eingriffselement 14 ist beispielsweise aus Gründen der Aktorfunktion aus dem Eingriffselementoberteil 31 und dem Eingriffselementunterteil 32 gebildet, wobei das Eingriffselementoberteil 31 vorzugsweise aus einem nicht-magnetischen Material hergestellt sein kann. Mit anderen Worten ist der erste Werkstoff beispielsweise ein nicht-magnetischer Werkstoff. Der zweite Werkstoff ist jedoch ein besonders verschleißfester Werkstoff, der für den eigentlichen Eingriff in die Verschiebekulisse 12 zur Verstellung des Nockenelements 11 vorgesehen ist. Da mittels der Nockenwellenverstellvorrichtung 10 die unterschiedlichen Hübe des Gaswechselventils bewirkbar sind, dient die Nockenwellenverstelleinrichtung 10 der Hubumschaltung, sodass ein besonders effizienter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisierbar ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013001487 A1 [0002]
- DE 202012104122 U1 [0004]
