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Die Erfindung betrifft eine Verstelleinrichtung einer Brennkraftmaschine mit einer Abtriebswelle und mit einem elektrischen Versteller, der einen Elektromotor und ein Getriebe aufweist, über die die Drehwinkellage der Abtriebswelle relativ zur Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verstellbar ist, wobei ein Schraubenverband bzw. eine Verschraubung mit einer kraftschlüssigen, zwei Kontaktflächen einschließenden Stirnpressverbindung zwischen zwei Bauteilen der Verstelleinrichtung vorgesehen ist.
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Aufgrund steigender Wechselmomente ist eine Anpassung einer Schnittstelle innerhalb einer elektrischen Nockenwellenverstelleinrichtung, insbesondere zwischen dem Nockenwellenversteller und der Nockenwelle, erforderlich. Das Wechselmoment wird dabei über eine reibschlüssige, insbesondere als eine Verschraubung ausgeführte Stirnpressverbindung übertragen. Die Kraftübertragung bzw. Drehmomentübertragung von reibschlüssigen Verbindungen ist im Wesentlichen abhängig von der Flächenpressung und der Reibung zwischen den einzelnen zusammengefügten Bauteilen. Insbesondere bei schwankenden bzw. wechselnden Belastungen bieten derartige Reibschlussverbindungen vielfach keine vollständige Spielfreiheit bzw. Drehfestigkeit. Für den Nockenwellenantrieb einer Brennkraftmaschine sind jedoch selbst geringfügige Relativbewegungen zwischen dem Antriebsrad und der Nockenwelle nicht tolerierbar, da diese zu einer Verstellung der Ventilsteuerzeiten führen und sich folglich ein Schaden der Brennkraftmaschine einstellen kann. Aus diesem Grund ist es bekannt, für derartige Verschraubungen bzw. Stirnpressverbindungen reibungserhöhende Maßnahmen vorzusehen.
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Die
DE 103 25 910 A1 bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung, mit dem bzw. mit der die Oberflächen von Anlageflächen zweier reibschlüssig miteinander verbundener Bauteile mittels eines Lasers strukturiert sind. Hierbei werden bestimmte Strukturen, beispielsweise in Form von linienartigen Vertiefungen, in die Anlageflächen der zwei kraftschlüssig miteinander verbundenen Bauteile eingebracht. Aus der
DE 10 2005 062 522 A1 ist ein weiteres Verfahren bekannt, um die Drehmomentübertragung einer kraftschlüssigen Verbindung zwischen den Stirnflächen zweier Maschinebauteile zur steigern. Dazu werden wird mittels einer Laserstrahlbehandlung Vertiefungen in die Stirnflächen der zusammengefügten Bauteile eingebracht.
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Die
DE 10 2009 010 371 A1 offenbart eine Dichtungsfunktion zwischen einem pulvermetallurgischen, vorzugsweise aus Sintereisen oder Sinterstahl hergestellten Maschinenbauteil, und einem Dichtungselement. Zur Verbesserung der Dichtfunktion ist eine für das Dichtungselement bestimmte Anlagefläche des Maschinenbauteils nachverdichtet. Dadurch ergibt sich eine geringere mittlere Porosität und folglich höhere Materialdichte des pulvermetallurgischen Materials im Bereich der für das Dichtungselement bestimmten Anlagefläche.
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Für eine Verstelleinrichtung, die das Kompressionsverhältnis der Brennkraftmaschine ändert, sind keine reibungserhöhenden Maßnahmen bekannt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Problemstellung zugrunde, für eine als Stirnpressverbindung ausgeführte Verschraubung einer Nockenwellenverstelleinrichtung ein erhöhtes Reibmoment durch einfach umsetzbare Mittel zu realisieren.
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Diese Aufgabe wird durch eine Verstelleinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass in eine zunächst hartverfestigte bzw. verdichtete oder gehärtete Kontaktfläche der Stirnpressverbindung eine Schichtstruktur einzubringen. Nach der Behandlung der Kontaktfläche ergibt sich eine strukturierte, aufgeraute Oberfläche, die Erhebungen aufweist, die sich im Einbauzustand der Verstelleinrichtung an einer zugehörigen weiteren unbehandelten Kontaktfläche der Stirnpressverbindung kraft- und formschlüssig abstützen. Diese behandelte Kontaktfläche steht mit einer weiteren unbehandelten Kontaktfläche der Stirnpressverbindung in Wirkverbindung.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine Verbindung zwischen zwei Bauteilen zur Übertragung der Drehmomente oder Querkräfte, insbesondere zwischen Bauteilen einer Verstelleinrichtung, zu verbessern. Zur Erreichung eines hohen Reibwertes bzw. einer maximalen Reibung wird eine Kontaktfläche der Stirnpressverbindung mit der Härte, Dichte bzw. Grundfestigkeit strukturiert oder bearbeitet, die einer weiteren Kontaktfläche mit reduzierter Härte gegenübersteht. Durch einen größtmöglichen Härteunterschied stellt sich im Einbauzustand der Stirnpressverbindung ein gewünschter maximaler Verzahnungseffekt zwischen den abgestützten Kontaktflächen ein. Diese erfindungsgemäße Maßnahme schafft eine drehfeste und schlupffreie Verbindung, bei der sich vorteilhaft die Reibung zwischen den zwei gegeneinander abgestützten Kontaktflächen der Stirnpressverbindung erhöht. Das damit verbundene gesteigerte Reibmoment bewirkt vorteilhaft eine erhöhte Kraftübertragung bzw. ein vergrößertes übertragbares Drehmoment.
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Die zur Erreichung eines maximalen Reibungseffektes vorgesehene Behandlung der Kontaktfläche zur Erzielung einer Verdichtung bzw. Härtung sowie die anschließende Schichtstrukturierung kann vorteilhaft mit geringem Aufwand durch eine einfache Bearbeitung und/oder Behandlung kostengünstig in kurzer Zeit erfolgen. Vorteilhaft nimmt die verbesserte kraft- und/oder reibschlüssige erfindungsgemäße Stirnpressverbindung weiterhin keinen nachteiligen Einfluss auf die Montage bzw. die Demontage der über die Stirnpressverbindung verbundenen Bauteile.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, die reibungserhöhenden Maßnahmen an der dem Abtriebsrad des Getriebes zugeordneten Kontaktfläche vorzusehen, die im Einbauzustand mit der Wellenkontaktfläche der zu verstellenden Welle zusammenwirkt. Die Kontaktfläche des aus einem Sinterwerkstoff hergestellten Bauteils, des Ab- oder Antriebsrads des Getriebes, des Rotors oder Stators, wird dazu zunächst zur Erzielung einer optimalen Maßgenauigkeit mittels eines Kalibriervorgangs hartverfestigt oder verdichtet, bevor die Kontaktfläche eine Schichtstruktur erhält. Bei einem Sinterteil ist die Kernhärte grundsätzlich geringer als die Oberflächenhärte, da die Oberschicht mehr verschlossene Sinterporen als der Kernbereich aufweist. Sinter-Formteile können durch eine auch als Nachpressen zu bezeichnende Kalibrierung kaltverfestigt werden, um die Qualität der Oberfläche, die Maßgenauigkeit zu verbessern. Durch die Kalibrierung der Kontaktfläche des Abtriebsrads kann deren Dichte und Festigkeit gegenüber dem weicheren Sinterkern entscheidend erhöht werden.
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Zur Schaffung einer aufgerauten, strukturierten und Aufwürfe einschließenden Kontaktfläche sieht das erfindungsgemäße Konzept die Anwendung eines Lasers vor. Eine derartig strukturierte, insbesondere V-förmige Aufwürfe bzw. Aufrauhungen einschließende Kontaktfläche, verbessert entscheidend das übertragbare Drehmoment der Stirnpressverbindung. Die wie Widerhaken wirkenden Aufwürfe verkrallen sich oder graben sich in dem Material der gegenüberliegenden weicheren Kontaktfläche der Stirnpressverbindung ein. Dieser Verzahnungseffekt verbessert sich mit zunehmendem Härteunterschied der zusammenwirkenden Kontaktflächen. Mit dem Laser kann beispielsweise die Kontaktfläche mit einer Struktur versehen werden, die eine aus einzelnen Laserpunkten bestehende Spur in unterschiedlichen geometrischen Formen umfasst. Weiterhin bietet es sich an, eine Porenverteilung aus einer regelmäßigen und/oder unregelmäßigen Anordnung von gleichförmigen Aufwürfen, Aufrauhungen bzw. Vertiefungen und/oder Erhebungen zu schaffen. Durch die erfindungsgemäß mittels Laser aufgeraute Kontaktfläche ist der Aufwand für den Aufrauprozess und damit die Taktzeit deutlich reduzierbar, wodurch die Montage der Verstelleinrichtung gestrafft bzw. beschleunigt werden kann. Alternativ zu einer Laseranwendung bietet es sich an, die Aufrauhung oder die Oberflächenstrukturierung einer Kontaktfläche durch eine Elektronenstrahlbehandlung vorzunehmen.
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Zur Schaffung einer gehärteten Kontaktfläche kann alternativ ein Induktivhärten, Laserhärten oder ein Kugelstrahlen eingesetzt werden. Mit steigender Tiefe nimmt der Grad des Porenverschließens innerhalb des Sinter-Rotors ab. An der Oberfläche sind die Sinterporen jedoch weitestgehend verschlossen, wodurch sich ein fester Untergrund für die Strukturierung einstellt, so dass ein von der Struktur der Kontaktfläche aufgenommenes Reibmoment über die Basis, den festen Untergrund, zum zugehörigen Bauteil, dem Rotor übertragen wird.
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Alternativ zu einer behandelten Kontaktfläche des Abtriebsrads, als Maßnahme, um ein erhöhtes Reibungsmoment zu generieren, ist gemäß der Erfindung vorgesehen, die Kontaktfläche der zu verstellenden Welle gezielt zu bearbeiten oder zu behandeln zur Erzielung einer gewünschten oder erforderlichen Härte und Gestaltung einer Schichtstruktur. Über die partiell, bevorzugt jedoch ganzflächig aufgeraute, insbesondere Aufwürfe einschließende Kontaktfläche der insbesondere aus Stahl hergestellten Wellen, stellt sich bei der kraftschlüssigen Anlage an der zugehörigen Rotor-Kontaktfläche ebenfalls ein gewollter Verzahnungseffekt ein. Dieser Effekt wird durch die in der harten Stahlkontaktfläche der Welle eingebrachte Schichtstruktur verbessert, die sich optimal in die Sinterkontaktfläche eingräbt, was sich positiv auf das übertragbare Drehmoment auswirkt.
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Erfindungsgemäß ausgeführte Kontaktflächen können außerdem in weiteren, als Verschraubung ausgebildeten Stirnpressverbindungen der Verstelleinrichtung vorgesehen werden. Dies kann beispielsweise an der Kontaktfläche eines Deckelelementes des Verstellers der Fall sein, das mit einer nicht behandelten Kontaktfläche geringerer Oberflächenhärte des Stators bzw. eines beispielsweise ein Kettenrad oder eine Außenverzahnung einschließenden Bauteils zusammenwirkt.
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Gemäß einer bevorzugten Auslegung ist vorgesehen, dass die erfindungsgemäß behandelte Kontaktfläche der Stirnpressverbindung eine Härte nach Brinell ≥ 80 HB und die Schichtstruktur hervortretende V-förmige Aufwürfe eine Rautiefe von ≥ 5 µm bis ≤ 500 µm aufweist.
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Um das zu übertragende Antriebsmoment zu erhöhen und andererseits eine Schraubenvorspannkraft der Stirnpressverbindung zu reduzieren, kann gemäß der Erfindung zur Erreichung eines Härteunterschieds der zusammenwirkenden Kontaktflächen der Stirnpressverbindung die Härte einer Kontaktfläche mittels einer Wärmebehandlung, insbesondere durch ein Anlassen oder Glühen, gezielt beeinflusst, insbesondere reduziert werden. Weiterhin bietet es sich an, durch eine geeignete Werkstoff- bzw. Materialauswahl oder Werkstoffkombination der Kontaktpartner der Stirnpressverbindung das Reibmoment der Stirnpressverbindung zu beeinflussen. Eine ergänzende oder alternative Maßnahme sieht vor, die gewünschte Oberflächen- oder Schichtkontur der Kontaktfläche durch Sandstrahlen und/oder durch Beschichten herzustellen oder zu verbessern, um eine Verzahnung der Schichtstruktur der ersten Kontaktfläche mit der weiteren Kontaktfläche der Stirnpressverbindung zu optimieren.
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Für den als Sinterbauteil ausgeführten Rotor des Verstellers ist vorteilhaft Sinterstahl oder Sinteraluminium vorgesehen. Eine aus diesem Material hergestellte, zunächst verdichtete oder hartverfestigte und anschließend mit einer Schichtstruktur versehene Rotor-Kontaktfläche kann vorteilhaft mit einer unbehandelten Wellen-Kontaktfläche aus Stahl kombiniert werden. Als Werkstoff eignet sich beispielsweise dazu Sint-D10; Sint-D11; Sint-C10 oder Sint-C11.
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Ein Verfahren zur Herstellung einer Kontaktfläche in einer Stirnpressverbindung zwischen zwei Bauteilen der Verstelleinrichtung einer Brennkraftmaschine ist nachfolgend beschrieben. Die Stirnpressverbindung umfasst zwei kraftschlüssig gegeneinander abgestützte Kontaktflächen unterschiedlicher Härte. Die Verstelleinrichtung schließt eine zu verstellende Welle sowie einen Versteller ein. Die Stirnpressverbindung schließt zwei kraftschlüssig gegeneinander abgestützte Kontaktflächen ein, wobei zur Schaffung einer hartverfestigten und/oder gehärteten Schichtstruktur der Kontaktfläche folgende Verfahrensschritte vorgesehen sind. Zunächst wird die Urform des die Kontaktfläche bildenden Bauteils hergestellt, wozu sich insbesondere ein Umformprozess wie Sintern, Schmieden, Prägen, Ziehen eignet. Anschließend erfolgt ein Umformen des Bauteils durch ein Hämmern, Strahlen oder Prägen. Danach wird die Kontaktfläche mittels eines Kalibriervorgangs hartverfestigt bzw. verdichtet. Alternativ dazu kann die Kontaktfläche durch ein Überpressen mittels Präge- bzw. Kaltpressung oder Kugelstrahlen verdichtet werden. Abschließend wird die Kontaktfläche mit einer Schichtstruktur versehen, die mittels eines Lasers oder eines Elektronenstrahls auf der gehärteten Kontaktfläche hergestellt wird.
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Die zu verstellenden Welle kann als eine Einlass- oder eine Auslassnockenwelle ausgebildet sein. Die Verstelleinrichtung ist vorzugsweise als eine elektrisch angetriebene Verstelleinrichtung mit einem Elektromotor und einem Wellgetriebe versehen. Das Wellgetriebe weist ein Antriebsrad, ein Abtriebsrad und eine Verstellwelle auf.
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Die zu verstellende Welle kann als eine das Verdichtungsverhältnis einer Brennkraftmaschine ändernde Welle ausgebildet sein. Dazu ist sie beispielsweise als Exzenterwelle über einen Elektromotor verstellbar.
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Die Laserstruktur kann auf einem Flansch ausgebildet sein, der mit der Brennkraftmaschine verbunden wird. Sie kann sowohl aktorseitig als auch an der Brennkraftmaschine angeordnet sein. In ihrer Gestaltung sind Kreise, Punkte, Striche oder andere Muster denkbar. Dabei können die strukturierten Flächen die gesamte in Kontakt stehende Fläche bilden. Alternativ sind nur einzelne Segmente wie Kreisringe oder Winkelsegmente mit der Strukturierung versehen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand mehrerer Zeichnungen näher erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt. Dazu zeigen:
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1: einen Ausschnitt einer Nockenwellenverstelleinrichtung, die eine Lage von einer erfindungsgemäßen Stirnpressverbindung verdeutlicht;
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2a: eine Verstelleinrichtung zur Verstellung der variablen Kompression im Querschnitt;
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2b: die Verstelleinrichtung nach 2a im Längsschnitt;
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3: in einer vergrößerten Darstellung einen Ausschnitt mit einem Aufwurf einer Schichtstruktur von einer erfindungsgemäß gestalteten Kontaktfläche;
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4: die Schichtstruktur gemäß 3 im Einbauzustand; und
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5: im Querschnitt eine V-förmige Schicht- oder Laserstruktur in einer vergrößerten Darstellung.
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Die 1 zeigt eine Verstelleinrichtung 1 mit einer Nockenwelle 2 sowie einem Nockenwellenversteller 3. Der Nockenwellenversteller 3 umfasst einen von einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine über einen bevorzugt als Kettentrieb ausgelegten Zugmitteltrieb (nicht gezeigt) antreibbaren Stator 4, der dazu eine Außenverzahnung 5 einschließt. In dem Stator 4 ist ein begrenzt drehbarer Rotor 6 integriert, der durch eine Verschraubung 7 drehfest an der Nockenwelle 2 fixiert ist. Der Stator 4 weist weiterhin ein ringförmiges Außenteil 8 auf, von dem ausgehend mehrere Trennelemente 9 radial nach innen gerichtet sind, von denen in 1 nur eines gezeigt ist. Die Trennelemente 9 werden axial von Schrauben einer Verschraubung 10 durchdrungen, die zur Befestigung eines Deckelelementes 11 sowie eines gegenseitigen Stirndeckels 12 vorgesehen sind, die gemeinsam mit dem Außenteil 8 einen Innenraum verschließen.
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Zwischen dem Rotor 6 und dem Stator 4 kann eine Relativbewegung erfolgen. Die Verschraubung 7 zwischen dem Rotor 6 und der Nockenwelle 2 bildet eine als Stirnpressverbindung 13 ausgeführte Verschraubung, bei der eine stirnseitige Kontaktfläche 14 der Nockenwelle 2 kraftschlüssig an einer weiteren Kontaktfläche 15 des Rotors 6 abgestützt ist. Als Maßnahme zur Erzielung einer optimierten reibschlüssigen Stirnpressverbindung 13 ist die Kontaktfläche 14 oder 15 gezielt gehärtet und mit einer Schichtstruktur, einer gezielt aufgerauten, Aufwürfe 20 bildenden Oberfläche versehen, die im Einbauzustand mit einer gezielt weicheren Kontaktfläche 15 oder 14 zusammenwirkt. Details dieser Stirnpressverbindung 13 zeigen die 2 bis 4. Die zur Befestigung des Deckelelementes 11 und des Stirndeckels 12 mit dem Stator 4 vorgesehene Verschraubung 10 bildet eine weitere Stirnpressverbindung 16. Dabei ist die Kontaktfläche 18 des Stirndeckels 12 kraftschlüssig an der Kontaktfläche 17 von dem Außenteil 8 des Stators 4 abgestützt. Vergleichbar mit der zuvor beschriebenen Stirnpressverbindung 13 ist ebenfalls eine der Kontaktflächen 17 oder 18 gehärtet und aufgeraut und an einer gezielt weich ausgeführten zugehörigen Kontaktfläche 14 oder 15 abgestützt.
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Die 2b zeigt eine die Kompression einer Brennkraftmaschine ändernde Verstelleinheit 1 für eine Exzenterwelle. Die Verstelleinheit 1 weist ein Hohlrad 21 auf, das als Teil eines Dreiwellengetriebes in Form eines Wellgetriebe ausgebildet ist. Der nicht dargestellte Elektromotor steht über den Innenring 22, das Wälzlager mit den Kugeln 23, den Außenring 24 und den Verzahnungstopf 25 in Wirkverbindung. Abtriebsseitig erfolgt die Anbindung über eine Anlaufscheibe 26. 2a verdeutlicht die Lage und Größe der aufgerauten, gehärteten Kontaktfläche 15, die gemeinsam mit der Kontaktfläche 14 der nicht weiter dargestellten Exzenterwelle die Stirnpressverbindung 13 bildet. Die Kontaktfläche 15 ist als Schichtkontur ausgeführt, deren Porenverteilung über die gesamte Fläche verteilte Erhebungen aufweist, die insbesondere in Form von V-förmigen, in 3 gezeigten Aufwürfen 20 gestaltet sind. Im Einbauzustand der Stirnpressverbindung 13 verrasten die Aufwürfe 20 kraft- und/oder formschlüssig an der weichen, eine Gegenfläche bildenden Kontaktfläche 14. Bedingt durch den Härteunterschied können sich die Erhebungen bildenden Aufwürfe 20 der gehärteten Kontaktfläche 15 in der weichen Kontaktfläche 14 verkrallen oder eingraben, wodurch sich das übertragbare Drehmoment der Stirnpressverbindung 13 vergrößert.
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In den 3 und 4 ist in einem vergrößerten Maßstab ein Ausschnitt der Stirnpressverbindung 13 in einem Vormontagezustand gezeigt. Die 3 verdeutlicht die Form und Lage von dem Aufwurf 20 der Schichtkontur der Kontaktfläche 15 des Rotors 6. In 4 sind die Kontaktflächen 14 und 15 durch Aufbringen einer in Pfeilrichtung wirkenden Presskraft flächig kraftschlüssig aneinander abgestützt. Dabei stellt sich ein Umformen von dem Aufwurf 20 der Schichtkontur ein, verbunden mit einer formschlüssigen Verzahnung zwischen den Kontaktflächen 14 und 15.
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Die 5 zeigt in einer vergrößerten Darstellung einen Ausschnitt des V-förmigen Aufwurfs 20 im Querschnitt, der mit einer Höhe h aus der verdichteten Kontaktfläche 15 des Rotors 6 hervortritt. Eine Wandstärke t des Aufwurfs 20 nimmt dabei von dem Rotor 6 ausgehend bis zu freien gerundeten Ende kontinuierlich zu.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verstelleinrichtung
- 2
- Abtriebswelle
- 3
- Versteller
- 4
- Stator
- 5
- Außenverzahnung
- 6
- Rotor
- 7
- Verschraubung
- 8
- Außenteil
- 9
- Trennelement
- 10
- Verschraubung
- 11
- Deckelelement
- 12
- Stirndeckel
- 13
- Stirnpressverbindung
- 14
- Kontaktfläche
- 15
- Kontaktfläche
- 16
- Stirnpressverbindung
- 17
- Kontaktfläche
- 18
- Kontaktfläche
- 19
- Käfig
- 20
- Aufwurf
- 21
- Hohlrad
- 22
- Innenring
- 23
- Kugel
- 24
- Außenring
- 25
- Verzahnungstopf
- 26
- Anlaufscheibe
- h
- Höhe des Aufwurfs
- t
- Wandstärke des Aufwurfs
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10325910 A1 [0003]
- DE 102005062522 A1 [0003]
- DE 102009010371 A1 [0004]
