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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Stators für einen Nockenwellenversteller, wobei der Stator mit einem ringförmigen Grundkörper mit einer Stirnverzahnung und mit von einer radial inneren Mantelfläche des Grundkörpers radial nach innen vorragenden, voneinander im Umfangsrichtung des Grundkörpers beabstandeten Stegen hergestellt wird, umfassend die Schritte Bereitstellen einer Form zur einteiligen Ausbildung des Grundkörpers mit der Stirnverzahnung und den radial nach innen vorragenden Stegen, Einfüllen eines metallischen Pulvers in die Form, Pressen des Pulvers zu einem Grünling und Sintern des Grünlings zu einem Statorrohling.
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Weiter betrifft die Erfindung einen Stator für einen Nockenwellenversteller umfassend einen ringförmigen Grundkörper, der auf seinem Außenumfang eine Stirnverzahnung und auf einer inneren Mantelfläche mehrere, radial nach innen vorragende und zueinander beabstandete Stege aufweist.
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Nockenwellenversteller dienen bekanntlich der Anpassung der Ventilöffnungszeiten, um damit eine höhere Effizienz eines Verbrennungsmotors zu erreichen. Sie sind in verschiedensten Ausführungen aus dem Stand der Technik bekannt. Ein gattungsgemäßer hydraulischer Nockenwellenversteller umfasst einen Stator, in dem ein Rotor angeordnet ist. Der Rotor ist drehfest mit der Nockenwelle verbunden, Der Stator, der mit der Kurbelwelle verbunden ist, weist radial nach innen vorragende Stege auf, die Anschlagflächen für die Flügel des Rotors bilden. Somit kann der Rotor nur in einem vordefinierten Winkelbereich relativ zum Stator verdreht werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung eines Stators für einen Nockenwellenversteller zu vereinfachen bzw. einen nach dem Verfahren hergestellten Stator für einen Nockenwellenversteller anzugeben.
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Die Aufgabe der Erfindung wird mit dem eingangs genannten Verfahren dadurch gelöst, dass die Stirnverzahnung, die radial nach innen weisende Mantelfläche des Grundkörpers, die zwischen den Stegen ausgebildet ist, sowie an die Mantelfläche angrenzende Seitenflächen der Stege ohne vorherige mechanische Bearbeitung in mehreren Schritten auf das gewünschte Endmaß verdichtet werden.
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Weiter wird die Aufgabe der Erfindung mit dem eingangs genannten Stator gelöst, bei dem die Stirnverzahnung, die radial nach innen weisende Mantelfläche des Grundkörpers, die zwischen den Stegen ausgebildet ist, sowie an die Mantelfläche angrenzende Seitenflächen der Stege als mechanische Bearbeitung ausschließlich eine Verdichtung aufweisen, wobei von einer Oberfläche in Richtung auf eine Kernschicht ein Dichtegradient ausgebildet ist.
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Es werden also die Außenverzahnung, die radial nach innen weisende Mantelfläche des Grundkörpers, die zwischen den Stegen ausgebildet ist, sowie die an die Mantelfläche angrenzende Seitenflächen der Stege des Stators bereits beim Pressen und Sintern des Pulvers in near net-shape bzw. net-shape Qualität hergestellt. Damit ist zur Verbesserung der Bauteilfestigkeit nur mehr eine an das Sintern anschließende Oberflächenverdichtung erforderlich. Durch die Vermeidung der mechanischen Bearbeitung der genannten Oberflächen des Stators – mit Ausnahme der Oberflächenverdichtung – kann dieser einfacher hergestellt werden, wobei durch die Vermeidung einer spanenden mechanischen Bearbeitung nicht nur der Stator an sich einfacher hergestellt werden kann, sondern kann damit auch die Dichtheit des hydraulischen Nockenwellenverstellers verbessert bzw. diese einfacher erreicht werden. Durch das Verfahren kann auch eine Gefährdung des Eintrags von Spänen in das Fluidsystem des Nockenwellenverstellers vermieden werden. Durch die mehrstufige Verdichtung der Oberflächen wird erreicht, dass ein Dichtegradient in Richtung auf die Kernschicht des Stators ausgebildet wird, der einen abrupten Übergang von der verdichteten in die nichtverdichtete Zone aufweist. Damit kann das Eigenschaftsprofil des Stators besser an die Erfordernisse im Nockenwellenversteller angepasst werden. Die schrittweise Verdichtung hat darüber hinaus einen Vorteil, wenn an diese eine Oberflächenhärtung anschließt. Es kann damit die Tiefe der Härtung besser eingestellt werden, sodass also die Kernschicht ungehärtet verbleiben kann und damit eine entsprechende Zähigkeit aufweist, die sich positiv auf das Bruchverhalten des Stators auswirkt.
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Nach einer Ausführungsvariante des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die radial nach innen weisende Mantelfläche des Grundkörpers, und die Seitenflächen der Stege in einem einzigen Arbeitsschritt verdichtet werden. Es wird damit eine entsprechende Reduzierung der Bearbeitungszeit des Stators erreicht, wodurch dessen Herstellkosten verringert werden können.
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Es ist weiter möglich, dass die Außenverzahnung, die radial nach innen weisende Mantelfläche des Grundkörpers, und die Seitenflächen der Stege gleichzeitig verdichtet werden, wodurch die soeben genannten Effekte weiter verbessert werden können.
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Nach einer anderen Ausführungsvariante des Verfahrens bzw. des Stators kann vorgesehen werden, dass zwischen den Stegen und der Stirnverzahnung eine Nabe ausgebildet wird, auf der ein zweites Stirnzahnrad angeordnet wird bzw. ist, wobei eine Stirnverzahnung des zweiten Stirnzahnrads mit gleicher Geometrie hinsichtlich des Querschnittes der Zähne in axialer Richtung, der Teilung und des Moduls hergestellt wird bzw. ausgebildet ist. Es kann damit zugleich mit der Sinterbauteils die Ausbildung des Stators als sogenanntes Split-Gear berücksichtigt werden, sodass die Außenverzahnung des Stators spielfrei in die Verzahnung eines weiteren Zahnrads, dass mit dem Stator in kämmender Verbindung steht, eingreifen kann. Durch die Spielfreistellung können Stöße auf die Zähne der Außenverzahnung des Stators vermieden werden. Dies wiederum wirkt sich positiv auf die Dauerbelastbarkeit der Zähne der Außenverzahnung des Stators aus, die im einfachsten Fall ja „nur” eine Oberflächenverdichtung zur Verbesserung der Bauteilfestigkeit aufweisen.
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Andererseits ist es aber auch möglich, dass die Stirnverzahnung des Stators und die Stege des Stators vor oder nach der Verdichtung bis zur einer Tiefe von maximal 1,5 mm einsatzgehärtet werden, sodass die Stirnverzahnung und die Stege eine Oberflächenhärte von zumindest 500 HV 5 aufweisen. Es kann damit die Bauteilfestigkeit weiter verbessert werden. Es hat sich dabei herausgestellt, dass eine Tiefe von maximal 0,4 mm zu bevorzugen ist, da damit die Bauteilzähigkeit in der Kernschicht des Stators besser erhalten bleibt.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
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Es zeigen jeweils in vereinfachter, schematischer Darstellung:
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1 einen Ausschnitt aus einem Nockenwellenversteller;
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2 den Stator und den Rotor des Nockenwellenverstellers nach 1 in Ansicht von vorne;
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3 einen Schnitt durch eine Ausführungsvariante eines Stators und einen Rotor eines Nockenwellenverstellers in Schrägansicht;
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4 den Stator und den Rotor nach 3 mit einem weiteren Stirnzahnrad.
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Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z. B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.
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In 1 ist ein Ausschnitt aus einem Verbrennungsmotor 1 dargestellt. Zu sehen ist ein Nockenwellenversteller 2 und ein Antriebsrad 3. Der Nockenwellenversteller 2 weist an seinem äußeren Umfang eine Stirnverzahnung 4 auf. Ebenso weist das Antriebsrad 3 an seinem äußeren Umfang eine Stirnverzahnung 5 auf. Die beiden Stirnverzahnungen 4, 5 stehen in kämmenden Eingriff miteinander.
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Prinzipiell ist diese Ausbildung von hydraulischen Nockenwellenverstellern 2 aus dem Stand der Technik bekannt, sodass sich weitere Ausführungen dazu erübrigen.
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Der Nockenwellenversteller 2 weist einen Stator 6 und einen Rotor 7 auf, wie dies besser aus 2 ersichtlich ist, in der auf die Darstellung von stirnseitigen Abdeckungen 8 des Nockenwellenverstellers 2 (1) verzichtet wurde.
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Der Stator 6 weist einen ringförmigen Grundkörper 9 auf, der – wie bereits erwähnt – an seinem äußeren Umfang die Außenverzahnung in Form der Stirnverzahnung 4 aufweist. An einer radial inneren Mantelfläche 10 des Grundkörpers 9 und über diese radial vorragend sind Stege 11 ausgebildet. Im konkreten Fall weist der Stator 6 vier Stege 11 auf. Diese Anzahl an Stegen 11 soll aber nicht beschränkend verstanden werden. Es können auch mehr oder weniger Stege 11 vorhanden sein. Die Stege 11 können bedarfsweise mit einer Ausnehmung 12 bzw. einem Durchbruch versehen sein, um damit dem Stator 6 ein geringeres Gewicht zu verleihen. Die Stege 11 sind in Umfangsrichtung voneinander beabstandet am Grundkörper 9 des Stators 6 angeordnet.
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Der Stator 6 ist ein einstückiges Sinterbauteil, sodass also die Stirnverzahnung 4 und die Stege 11 mit dem Grundkörper 9 einen einzigen, integralen Sinterbauteil bilden.
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Innerhalb des Stators 6 – wie bereits erwähnt wurde auf die Darstellungen der Abdeckungen 8 (1) verzichtet – ist der Rotor 7 angeordnet. Der Rotor 7 weist ebenfalls einen Grundkörper 13 auf. An einer äußeren Mantelfläche 14 dieses Grundkörpers 13 sind Flügel 15 ausgebildet bzw. angeordnet, die sich von der Mantelfläche 14 beginnend radial nach außen erstrecken. Im zusammengebauten Zustand des Nockenwellenverstellers 2 sind diese Flügel 15 zwischen den Stegen 11 des Stators 6 angeordnet. Seitenflächen 16 der Stege 11 bilden dabei die Anschlagflächen für die Flügel 15 des Rotors 7, wie dies aus 2 ersichtlich ist.
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Die Anzahl der Flügel 15 des Rotors 7 richtet sich nach der Anzahl der Stege 11 des Stators 6, sodass im konkreten Fall also vier Flügel 15 vorhanden sind.
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Der Rotor 7 ist innerhalb des Stators 6 relativ in Umfangsrichtung drehbeweglich angeordnet, wobei der Weg der Verdrehbarkeit durch die Stege 11 begrenzt wird.
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Der Stator 6 ist ein Sinterbauteil, d. h. dass er mit einem Sinterverfahren hergestellt ist. Dazu wird in einen Formhohlraum einer Form ein metallisches Pulver, beispielsweise ein Sintestahlpulver, eingefüllt. Der Formhohlraum ist als Negativform des Stators 6 ausgebildet. Das metallische Pulver wird danach zu einem Grünling verpresst und der Grünling ein- oder mehrschrittig zu einem Statorrohlung gesintert. Prinzipiell sind derartige Sinterverfahren im Stand der Technik bereits beschrieben, sodass zu weiteren Einzelheiten betreffend das Sinterverfahren darauf verwiesen sei.
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Nach dem Sintern wird der Statorrohling mehrschrittig verdichtet, d. h. zumindest die äußere Stirnverzahnung 4, die radial nach innen weisende Mantelfläche 10 des Grundkörpers 9, die zwischen den Stegen 11 ausgebildet worden ist, sowie an die Mantelfläche 11 angrenzenden Seitenflächen 16 der Stege 11. Darüber hinaus werden diese Flächen bzw. Bereiche des Statorrohlings keiner mechanischen Bearbeitung unterzogen, insbesondere keiner spanenden mechanischen Bearbeitung. Es wird also mit dem Verfahren zur Herstellung des Stators 6 ein Stator 6 mit near net-shape, insbesondere in net-shape, Qualität der Stirnverzahnung 4, der radial nach innen weisenden Mantelfläche 10 des Grundkörpers 9, die zwischen den Stegen 11 ausgebildet worden ist, sowie der an die Mantelfläche 11 angrenzenden Seitenflächen 16 der Stege 11 ohne weitere mechanische Bearbeitung (mit Ausnahme der Verdichtung) erzeugt. Die Verdichtung erfolgt also auf gewünschte Endmaß der genannten Bereiche des Stators 6.
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Insbesondere schließt die Verdichtung unmittelbar an das Sintern an, sodass gegebenenfalls der noch warme Statorrohling verdichtet wird. Es kann aber auch eine vorherige Abkühlung des Statorrohlings erfolgen.
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Die genannte Verdichtung erfolgt in mehreren Schritten. Dabei ist es möglich, dass der Statorrohling durch mehrere Verdichtungsmatrizen gedrückt wird, die nacheinander im Herstellungsprozess angeordnet sind. Die lichte Weite der Verdichtungsmatrizen nimmt dabei ab, insbesondere schrittweise. Vorzugsweise weist eine Verdichtungsmatrize eine konstante lichte Weite auf.
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Es sei an dieser Stelle der Vollständigkeit halber angemerkt, dass die Verdichtungsmatrizen eine der Stirnverzahnung 5 des Statorrohlungs entsprechende Kontur aufweisen.
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Bevorzugt erfolgt die mehrschrittige Verdichtung aber in einem einzigen Verdichtungswerkzeug, das mehrere Abschnitte mit abnehmender lichter Weite aufweist. Dabei können Abschnitte mit konstanter lichter Weite innerhalb der Verdichtungsmatrize ausgebildet sein. Während der Verdichtung der Stirnverzahnung 4 des Statorrohlings wird dieser bei dieser Ausführungsvariante des Verfahrens nicht entspannt.
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Sofern die Verdichtung mit Bewegungsumkehr des Statorrohlings durch die Verdichtungsmatrize durchgeführt wird, kann der Statorrohling nach dem letzten Verdichtungsschritt in einer Bewegungsrichtung entspannt werden.
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Für die mehrschrittige Verdichtung der der radial nach innen weisenden Mantelfläche 10 des Grundkörpers 9, die zwischen den Stegen 11 ausgebildet worden ist, sowie der an die Mantelfläche 11 angrenzenden Seitenflächen 16 der Stege 11 wird ein entsprechendes stabförmiges Verdichtungswerkzeug verwendet, das in den Statorrohling eingeführt wird. Die mehrschrittige Verdichtung kann wiederum mit mehreren dieser stabförmigen Verdichtungswerkzeuge oder mit einem einzigen stabförmigen Verdichtungswerkzeug durchgeführt werden, analog zur Verdichtung der Stirnverzahnung 4, jedoch mit dem Unterschied, dass der äußere Querschnitt der stabförmigen Verdichtungswerkzeuge oder des stabförmigen Verdichtungswerkzeugs mit zunehmender Verdichtung des Statorrohlings entsprechend größer wird.
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Es sei darauf hingewiesen, dass der Statorrohling während der Verdichtung abgestützt wird, beispielsweise mit einem einem Stempel. Der Statorrohling kann während der Verdichtung insbesondere zwischen einem Unterstempel und einem Oberstempel eingespannt sein.
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Radial nach innen weisende Oberflächen 17 der Stege 11, also die radial innersten Flächen der Stege 11, können bei Bedarf mechanisch, insbesondere spanend, nachbearbeitet werden, wobei es aber auch möglich ist, diese Oberflächen 17 entsprechend dem voranstehend beschriebenen Verfahren in near net-shape, insbesondere in net-shape, Qualität herzustellen.
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Der mit dem Verfahren hergestellte Stator 6 weist aufgrund der mehrschrittigen Verdichtung zumindest im Bereich der Stirnverzahnung 4, der radial nach innen weisenden Mantelfläche 10 des Grundkörpers 9, die zwischen den Stegen 11 ausgebildet ist, sowie der an die Mantelfläche 10 angrenzenden Seitenflächen 16 der Stege 11 als mechanische Bearbeitung ausschließlich eine Verdichtung auf, wobei von einer äußeren Oberfläche in Richtung auf eine Kernschicht des Stators 6 ein Dichtegradient ausgebildet ist. Die Kernschicht des Stators 6 ist dabei jener Bereich, der die Dichte aufweist, die nach der Grünling nach dem Pressen des Pulvers aufweist. Mit anderen Worten ausgedrückt beginnt die Kernschicht dort, wo die nachträgliche mehrschrittige Verdichtung endet.
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Nach der bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens werden also die Stirnverzahnung 4, die radial nach innen weisende Mantelfläche 10 des Grundkörpers 9, und die Seitenflächen 16 der Stege 11 des Stators in einem Arbeitsschritt verdichtet. Dies erfolgt für die Stirnverzahnung 4 mit der genannten Verdichtungsmatrize mit abnehmender lichter Weite. Die Mantelfläche 10 und die Seitenflächen 16 können mit dem stabförmigen Verdichtungswerkzeug mit zunehmendem Außenquerschnitt verdichtet werden. Die mehrschritte Verdichtung der Stirnverzahnung 4 kann vor oder nach der mehrschrittigen Verdichtung der Mantelfläche 10 und der Seitenflächen 16 erfolgen.
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Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass der Begriff „mehrschrittig” im Falle der Verwendung von nur einer Verdichtungsmatrize oder nur einem stabförmigen Verdichtungswerkzeug im Sinne von „mehrstufig” zu lesen ist.
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Es kann nach einer weiteren Ausführungsvariante des Verfahrens vorgesehen sein, dass die Stirnverzahnung 4, die radial nach innen weisende Mantelfläche 10 des Grundkörpers 9 und die Seitenflächen 16 der Stege 11 gleichzeitig verdichtet werden. Dazu wird der Statorrohling in die Verdichtungsmatrize(n) und gleichzeitig wird in den Statorrohling das stabförmige Verdichtungswerkzeug eingeführt.
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In den 3 und 4 ist eine weitere und gegebenenfalls für sich eigenständige Ausführungsvariante des Stators 6 gezeigt, wobei wiederum für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen bzw. Bauteilbezeichnungen wie in den vorangegangenen 1 und 2 verwendet werden. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die detaillierte Beschreibung zu den 1 und 2 hingewiesen bzw. Bezug genommen.
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Bei dieser Ausführungsvariante des Stators 6 ist die Stirnverzahnung 4 (2) in axialer Richtung zweigeteilt. Ein erster Stirnverzahnungsteil 18 wird durch den voranstehend beschriebenen Stator 6 gebildet, der bei dieser Ausführungsvariante somit nur einen ersten Statorteil darstellt, ein zweiter Stirnverzahnungsteil 19 wird durch ein weiteres Stirnzahnrad 20 gebildet, das einen zweiten Statorteil bildet. Der erste Statorteil umfasst neben dem ersten Stirnverzahnungsteil 18 auch die voranstehend beschriebene Mantelfläche 10 und die Stege 11 mit den Seitenflächen 16. Die Mantelfläche 10 und die Stege 11 weisen in axialer Richtung eine größere Länge auf, als der erste Stirnverzahnungsteil 18.
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Zur Anordnung des weiteren Stirnzahnrades 20 auf dem ersten Statorteil ist – in radialer Richtung betrachtet – zwischen den Stegen 11 und dem ersten Stirnverzahnungsteil 18 eine ringförmige Nabe 21 ausgebildet. Diese Nabe 21 wird bereits bei der Formgebung des Grünlings für den Stator 6 berücksichtigt, sodass sie also ebenfalls einen integralen Bestandteil des ersten Statorteils bildet.
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Insbesondere ist die Nabe 21 unmittelbar anschließend an die Stege 11, d. h. unmittelbar in radialer Richtung oberhalb der Stege 11, ausgebildet.
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Das weitere Stirnzahnrad 20 weist eine Stirnverzahnung auf, die die gleiche Geometrie hinsichtlich des Querschnittes der Zähne in axialer Richtung, der Teilung und des Moduls aufweist. Es ist damit die Ausbildung des Stators 6 als sogenanntes Split-Gear zur Spielfreistellung des Eingriffs der Verzahnung des Stators 6 in die Stirnverzahnung 5 des Antriebsrads 3 (1) möglich. Dazu wird das weitere Stirnzahnrad 20 in Umfangsrichtung relativ zum ersten Statorteil verdreht, sodass also der erste und der zweite Stirnverzahnungsteil 18, 19 in axialer Richtung nicht deckungsgleich angeordnet sind. Weiter ist das weitere Stirnzahnrad 20 in Umfangsrichtung gegen den ersten Statorteil vorgespannt, beispielsweise mit einer sogenannten Ω-Feder, die in axialer Richtung zwischen dem ersten Statorteil und dem weiteren Stirnzahnrad 20 angeordnet wird und die sich an entsprechenden Vorsprüngen an dem ersten Statorteil und dem weiteren Stirnzahnrad 20 abstützt. Da derartige Ausbildungen von Zahnrädern zur Spielfreistellung aus dem Stand der Technik bekannt sind, sei zu weiteren Details dazu auf diesen Stand der Technik verwiesen.
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Bei dieser zweigeteilten Ausführungsvariante des Stators 6 ersteckend sich die Stege 11 in axialer Richtung vorzugsweise über die gesamte Länge des Stators 6 in gleicher Richtung betrachtet.
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Nach einer weiteren Ausführungsvariante des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Stirnverzahnung 4 (bzw. die beiden Stirnverzahnungsteile 18, 19) und die Stege des Stators 6 vor oder nach der mehrschrittigen Verdichtung bis zur einer Tiefe von maximal 1,5 mm einsatzgehärtet werden, sodass sie eine Oberflächenhärte von zumindest 500 HV 5 aufweisen. Es ist aber auch möglich, dass der Stator 6 zumindest bereichsweise durchgehärtet ist.
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Die Ausführungsbeispiele zeigen bzw. beschreiben mögliche Ausführungsvarianten, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass auch diverse Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich sind.
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Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus des Stators 6 bzw. des Nockenwellenverstellers 2 diese nicht notwendigerweise maßstäblich dargestellt wurden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verbrennungsmotor
- 2
- Nockenwellenversteller
- 3
- Antriebsrad
- 4
- Stirnverzahnung
- 5
- Stirnverzahnung
- 6
- Stator
- 7
- Rotor
- 8
- Abdeckung
- 9
- Grundkörper
- 10
- Mantelfläche
- 11
- Steg
- 12
- Ausnehmung
- 13
- Grundkörper
- 14
- Mantelfläche
- 15
- Flügel
- 16
- Seitenfläche
- 17
- Oberfläche
- 18
- Stirnverzahnungsteil
- 19
- Stirnverzahnungsteil
- 20
- Stirnzahnrad
- 21
- Nabe
