WO2014067515A1 - Rotor eines nockenwellenverstellers, nockenwellenversteller mit einem solchen rotor und verfahren zum herstellen eines rotors - Google Patents

Rotor eines nockenwellenverstellers, nockenwellenversteller mit einem solchen rotor und verfahren zum herstellen eines rotors Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Nockenwellenversteller (1) mit einem Rotor (2) und einem Stator (3), wobei der Rotor (2) einen Anbindungsbereich (7) zum drehfesten Befestigen einer Nockenwelle aufweist, wobei der Rotor (2) zumindest abschnittsweise aus einem Sintermaterial aufgebaut ist, wobei der Rotor (2) eine beim Herstellen durch Wasserdampfbeaufschlagung erzeugte Oxidschicht (11) aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors (2) für einen Nockenwellenversteller (1), wobei der Rotor (2) zumindest abschnittsweise aus Sintermaterial aufgebaut wird, wobei zumindest ein zur Anwendung einer Nockenwelle vorgesehener Anwendungsbereich (7) des Sintermaterials mit Wasserdampf beaufschlagt wird.

Description

Bezeichnung der Erfindung
Rotor eines Nockenwellenverstellers, Nockenwellenversteller mit einem solchen
Rotor und Verfahren zum Herstellen eines Rotors
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Nockenwellenversteller mit einem Rotor und einem Stator, wobei der Rotor einen Anbindungsbereich zum drehfesten Befestigen einer Nockenwelle aufweist und wobei der Rotor zumindest abschnittsweise aus einem Sintermaterial aufgebaut ist.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors für einen Nockenwellenversteller.
Aus dem Stand der Technik sind gattungsgemäße Nockenwellenversteller be- kannt, bspw. aus der DE 100 44 423 A1 . Dort ist eine Ventilzeitpunkt- Steuerungsvorrichtung für Verbrennungskraftmaschinen offenbart. Es ist dort eine Verbrennungskraftmaschine mit einer von einer Steuerkette offenbart. Dadurch wird synchron zu der Motorumdrehung ein Kettenrad angetriebenen. Es wird eine Nockenwelle zur Betätigung der Einlass- oder Auslassventile of- fenbart. Die Ventilzeitpunkt-Steuerungsvorrichtung umfasst dabei ein erstes Drehteil, etwa einen Stator, auf dem das Kettenrad einstückig ausgebildet ist und ein zweites Drehteil, etwa einen Rotor, das zu dem ersten Drehteil relativ und mit der Nockenwelle gemeinsam drehbar ist, einer Mehrzahl von zwischen beiden Drehteilen begrenzten Arbeitsfluidkammern und einer Zuführ- /Abführeinrichtung für Arbeitsfluid zu und von den Arbeitsfluidkammern zur Herbeiführung einer relativen Drehung zwischen beiden Drehteilen. Das Kettenrad und zumindest ein Basisteil des ersten Drehteils sind aus einem porösen Metallteil gebildet. Den Arbeitsfluidkammern zugeführtes Arbeitsfluid kann durch das Basisteil in das Kettenrad eindringen und eine ausreichende Schmierung eines Eingriffsabschnittes zwischen dem Kettenrad und der Steuerkette herbeiführen. Das poröse Metallteil kann dabei aus Sintermetall sein. Grundsätzlich ist es bekannt, Sintermaterialien, wie Sintereisen nachzubehan- deln, insbesondere um ein oberflächengehärtetes Werkstück herzustellen. So offenbart bspw. die DE 41 40 148 A1 ein Verfahren zum Herstellen eines Werkstückes aus gesintertem Material, insbesondere aus Sintereisen, wobei dieses nach dem Sintern zum Ausbilden einer Oxidschicht auf der Oberfläche eine Wasserdampfbehandlung bei Temperaturen unterhalb 500 °C, insbesondere bei 430 °C bis zu 480 °C, und einem Wasserdampfpartialdruck von 20 bis 80 mbar, insbesondere von 30 bis 50 mbar, sowie einer nachfolgenden Randschichtenhärtung unterzogen wird. Dabei werden Werkstücke, insbesondere Hohlräder für Starter, mit einer verschleißfesten Oberfläche und im Kern durch die Härtung unveränderten Eigenschaften erhalten.
Ein benachbarter Stand der Technik, nämlich die EP 1 400 660 A1 , offenbart ferner einen integrierten Zahnkranz und ein Gehäuse zur Verwendung in einem variablen Ventilsteuerungsmechanismus. Der integrierte Zahnkranz und das Gehäuse umfassen dabei einen Zahnkranz-Anteil, der in einer im Wesentlichen kreisrunden Form ausgebildet ist und der Zähne an seinem äußeren Umfang aufweist. Ferner ist ein Gehäuseanteil umfasst, der integral mit dem Zahnkranzanteil als ein aus einem eisenhaltigen Pulvermaterial erzeugter gesinterter Körper ausgeformt ist, so dass er innerhalb des Zahnkranzanteils, der von einem inneren Umfang des Gehäuseanteils sich erstreckende Aufnahmen aufweist, ausgebildet ist. Die vollständigen Oberflächen des Zahnkranzanteils und des Gehäuseanteils sind mit einer Dampf-Oxidschicht bedeckt, welche durch eine Bedampfungs-Behandlung ausgeformt ist, sowie mit einer Nitritschicht bedeckt, welche durch eine Gas-Weich-Nitrierbehandlung im Anschluss an die Bedampfungs-Behandlung ausgeformt ist.
Üblicherweise werden Rotoren, die Bestandteil eines Nockenwellenverstellers sind, drehfest an der Nockenwelle mittels einer Schraube kraftschlüssig befes- tigt. Solche Rotoren sind häufig aus Sintermaterial hergestellt, wobei standardmäßig Sint D1 1 verwendet wird.
Als Befestigungsmittel für die Nockenwelle am Rotor wird üblicherweise eine Kopfschraube oder eine Hohlschraube mit einem Ventileinsatz eingesetzt.
Es werden üblicherweise Sinterstähle verwendet, die kohlenstoff- und kupfer- haltig sind und mit MoS2 versetzt sind, insbesondere wird gerne Sintermaterial Sint D1 1 eingesetzt. Allerdings weist dieses Material nicht für alle Anwen- dungsbereiche optimale Eigenschaften bei gleichzeitig geringem Kostenniveau auf. Insbesondere gilt es in puncto Festigkeit, Maßhaltigkeit, Verarbeitbarkeit, Reibung in der zukünftigen Kontaktzone eine Verbesserung zu erreichen, wobei gleichzeitig das Kostenniveau gesenkt werden soll. Auch unterliegt jene bei der Verbindung von der Nockenwelle mit dem Rotor eingesetzte Schraube immer einer stetigen Gewichts- und Funktionsoptimierung.
Aufgrund der immer höher werdenden, zu übertragenden Wechselmomente im Nockenwellentrieb, soll die Schnittstelle zwischen der Nockenwelle und dem Nockenwellenversteller angepasst werden. Insbesondere soll der diesbezügliche Bereich am Rotor verbessert werden. Bei der Anpassung ist die Belastbarkeit des Befestigungsmittels und der verspannten Teile zu berücksichtigen. Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem gattungsgemäßen Nockenwellenversteller dadurch gelöst, dass der Rotor eine beim Herstellen durch Wasserdampfbeaufschlagung erzeugte Oxidschicht aufweist.
Das Wechselmoment wird über die aufgebrachte Schraubenvorspannung und in Abhängigkeit vom Reibbeiwert in den Kontaktzonen des Schraubenverban- des übertragen. Bei stetig steigenden Wechselmomenten bedeutet das für den Schraubenverband, dass die Vorspannkraft und/oder der Reibbeiwert steigt.
Unter dem Schraubenverband wird hier die Verbindung der Nockenwelle mit dem Rotor über eine Schraube verstanden.
Die Vorspannkraft kann zwar nur so weit angehoben werden, bis die ertragbaren Spannungen der verspannten Teile erreicht ist. Durch das Wasserdampf- beaufschlagen des Rotors wird es möglich ein erhöhtes Maß an Spannung und Kraft zu übertragen.
Während einerseits gewichtsreduzierende Maßnahmen zu einer Reduzierung der Vorspannkraft zwingen, kann diesem durch die Wasserdampfbeaufschlagung bei einem erfindungsgemäßen Nockenwellenversteller entgegengewirkt werden. Es wird dadurch der gestalterisch effektive Weg der Erhöhung des Reibbeiwertes genutzt, wobei gleichzeitig auch die Gesamtfestigkeit des Rotors erhöht wird.
Auf bisher bekannte Maßnahmen, wie den Einsatz von Diamantscheiben oder Diamantbeschichtungen oder ein Ausprägen einer laserstrukturierten Oberfläche in der Kontaktzone, kann verzichtet werden, da diese sehr kostenintensiv sind.
Effektiver und kostengünstiger ist die Wasserdampfbehandlung des Rotors und der Einsatz gezielter Materialpaarungen zwischen dem Rotor und der Nockenwelle. Durch die Wasserdampfbehandlung wird somit nicht nur der Reibwert, sondern auch die Grundfestigkeit des Sintermaterials erhöht. Dadurch kann sogar ein Pulver niedriger Festigkeit eingesetzt werden, welches sich einfacher ausformen lässt und kostengünstiger ist.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert. So ist es von Vorteil, wenn das Sintermaterial Sint D10 oder Sint D1 1 ist. Dadurch kann auf besonders bewährte, kostengünstige und/oder belastbare Materialien zurückgegriffen werden. Es ist auch von Vorteil, wenn der Rotor im Bereich von Einstecknuten für Flügel wasserdampfbehandelt ist, wodurch die Festigkeit in diesem Bereich erheblich gesteigert ist.
Ferner ist es von Vorteil, wenn der Rotor in einem Deckelschraubenverband des Nockenwellenverstellers eingesetzt ist.
Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel ist auch dadurch gekennzeichnet, dass die reibungserhöhende Oxidschicht auf der Oberfläche des Anbindungsberei- ches vorhanden ist und vorzugsweise dort verbleibt. Auf diese Weise kann auf einen Formschluss verzichtet werden. Natürlich ist es möglich, dass zusätzlich zu dem verbesserten Kraftschluss auch noch ein Formschluss und/oder ein Stoffschluss zwischen der Nockenwelle und dem Rotor eingesetzt ist.
Es ist auch besonders zweckmäßig, wenn die Oxidschicht auf einem der No- ckenwelle zugewandten Abschnitt einer Stirnseite des Rotors ausgebildet ist. Die Montage lässt sich dadurch vereinfachen und das Herstellen des Rotors kostengünstiger durchführen. Der Nockenwellenversteller mit dem darin integrierten Schraubenverband wird dann hinsichtlich seiner Funktion, seinem Gewicht und seinem Bauraum optimiert.
Wenn der die Oxidschicht aufweisende Abschnitt eine quer, vorzugsweise orthogonal zu einer Rotationsachse des Rotors verlaufende Oberfläche des Bodens einer zentrischen Vertiefung des Rotors ist, so kann die Nockenwelle zentriert in der Vertiefung gehalten werden und der Reibbeiwert zwischen den Kontaktpartnern, nämlich dem Rotor und der Nockenwelle, gesteigert werden. Damit die Montage zuverlässiger durchgeführt werden kann, ist es von Vorteil, wenn der Boden einen in Längsrichtung des Rotors wirkenden Anschlag für die Nockenwelle ausbildet. Damit diese reibungserhöhende Oxidschicht einfach hergestellt werden kann, ist es von Vorteil, wenn der Rotor zumindest bereichsweise oder in Gänze was- serdampfinduziert verfestigt ist. Als angenehmer Nebeneffekt wird dann auch die Gesamtfestigkeit des Rotors, zumindest in den mit wasserdampfbeauf- schlagten Bereichen verbessert, wobei vorzugsweise aber das Gesamtbauteil in Gänze, d.h.„durch-und-durch" verfestigt wird.
Es ist auch von Vorteil für die Gesamtfestigkeit der Einzelteile des Nockenwel- lenverstellers, wenn der Stator zumindest an einer oder beiden Stirnseiten durch Wasserdampfbeaufschlagung eine reibungserhöhende Oxidschicht auf- weist. Eine größere Kraftübertragung im montierten Zustand und das Anbringen von Deckeln über Verschraubungen wird dann möglich.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors für einen Nockenwellenversteller, das dadurch verbessert ist, dass der Rotor zumindest abschnittsweise aus Sintermaterial aufgebaut wird und zumindest ein zur Anwendung einer Nockenwelle vorgesehener Anwendungsbereich des Sintermaterials mit Wasserdampf beaufschlagt wird.
Bei einer solchen Verfahrensabfolge kann die auf der Oberfläche des Rotors erzeugte Oxidschicht belassen werden und als eine Verdrehung der Nockenwelle zum Rotor hindernde Wirkeinheit genutzt werden.
Es ist ferner von Vorteil, wenn die durch die Wasserdampfeinwirkung hervorgerufene Oxidschicht auf der Oberfläche des Rotors belassen wird, so dass diese Oxidschicht im verbauten Zustand des Rotors innerhalb eines Stators mit der Nockenwelle vorzugsweise kraftübertragend interagiert. Es ist durchaus möglich, dass der Rotor nur teilweise, aber auch vollständig aus metallischem Sintermaterial hergestellt ist.
Die Erfindung wird auch nachfolgend mit Hilfe einer Zeichnung näher erläutert, in der nur ein einziges Ausführungsbeispiel in einer einzigen Figur, nämlich der Fig. 1 dargestellt ist.
In dieser Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Nockenwellenversteller 1 dargestellt, der einen Rotor 2 aufweist, welcher drehbar in einem Stator 3 eingesetzt ist.
Der Stator 3 weist einen integralen Kettenradabschnitt 4 auf, an dem Zähne 5 ausgebildet sind, um mit einem Zugmittel in kraftübertragenden Kontakt zu gelangen, wobei das Zugmittel, wie eine Kette oder ein Riemen, mit einer Kurbelwelle an der Verbrennungskraftmaschine in kraftübertragenden Wirkkontakt bringbar ist bzw. gebracht ist. Das Zugmittel und die Kurbelwelle sind nicht dargestellt.
Der Rotor 2 kann sich um eine Rotationsachse 6 innerhalb des Stators 3 und innerhalb eines festgelegten Winkelbereiches drehen. Die Rotationsachse 6 gibt auch die Längsrichtung des Rotors 2 und des Stators 3 vor.
Der Rotor 2 weist einen Anbindungsbereich 7 auf, der zum Aufnehmen einer nicht dargestellten Nockenwelle vorgesehen ist. Dabei ist der Anbindungsbereich 7 durch eine stirnseitige Vertiefung 8 derart gebildet, dass ein Boden 9 einen Anschlag 10 für die Nockenwelle ausbildet, und zwar so, dass eine Bewegung der Nockenwelle 10 in ihrer Längsrichtung auf den Rotor 2 zu durch den Anschlag 10 begrenzt ist. Zumindest in diesem Bereich wird der Rotor 2, der aus Sintermaterial, vorzugsweise aus einem aus metallischen Pulvern zusammengesetztem Sintermaterial besteht, mit Wasserdampf beaufschlagt, so dass sich eine Oxidschicht 1 1 ausbildet.
Während die Oxidschicht 1 1 am Rotor 2 nur innerhalb der Vertiefung 8, insbesondere an der Stirnseite des Rotors 2 im Bereich des Bodens 9, vorhanden ist, ist eine solche Oxidschicht 1 1 auch an beiden Stirnseiten 12 und 13 des Stators 3 ausgebildet. Diese Oxidschicht 1 1 an den Stirnseiten 12 und 13 des Stators 3 vorhanden, wobei dort ein Deckel angeschraubt wird. Dabei sind Fugen in einem Deckelschraubenverband vorhanden, wobei der Deckelschrau- benverband zumindest einen oder zwei Deckel und wenigstens zwei Befestigungsmitteln 16, wie Schrauben 17 sowie den Stator 3 umfasst. Zumindest ein Deckel ist dabei über wenigstens zwei Schrauben 17 am Stator 3 angeschraubt. Der Rotor 2 kann ferner auch Nuten zum Einstecken von nicht dargestellten Flügeln aufweisen, wobei diese Nuten auch mit Wasserdampf behandelt sein können.
Letztlich ist es möglich, dass sowohl der Rotor 2, als auch der Stator 3 voll- ständig mit Wasserdampf beaufschlagt werden und die Oxidschicht 1 1 nur an einer oder beiden Stirnseiten 12 bzw. 13 des Stators 3 und am in der Vertiefung 8 befindlichen Boden 9 des Rotors 2vdurch Wasserdampfbeaufschlagung des metallischen Sintermaterials ausgebildet wird und/oder belassen wird.
Bezugszeichenliste
1 Nockenwellenversteller
2 Rotor
3 Stator
4 Kettenradabschnitt
5 Zahn
6 Rotationsachse
7 Anbindungsbereich
8 Vertiefung
9 Boden
10 Anschlag
1 1 Oxidschicht
12 erste Stirnseite des Stators
13 zweite Stirnseite des Stators
14 erster Deckel
15 zweiter Deckel
16 Befestigungsmittel
17 Schraube

Claims

Patentansprüche
Nockenwellenversteller (1 ) mit einem Rotor (2) und einem Stator (3), wobei der Rotor (2) einen Anbindungsbereich (7) zum drehfesten Befestigen einer Nockenwelle aufweist, wobei der Rotor (2) zumindest abschnittsweise aus einem Sintermaterial aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) eine beim Herstellen durch Wasserdampfbeaufschlagung erzeugte Oxidschicht (1 1 ) aufweist.
Nockenwellenversteller (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die reibungserhöhende Oxidschicht (1 1 ) auf der Oberfläche des Anbindungsbereiches (7) vorhanden ist.
Nockenwellenversteller (1 ) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidschicht (1 1 ) auf einem der Nockenwelle zugewandten Abschnitt einer Stirnseite des Rotors (2) ausgebildet ist.
Nockenwellenversteller (1 ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der die Oxidschicht (1 1 ) aufweisende Abschnitt eine quer, vorzugsweise orthogonal zu einer Rotationsachse (6) des Rotors (2) verlaufende Oberfläche eines Bodens (9) einer zentrischen Vertiefung (8) des Rotors (2) ist.
Nockenwellenversteller (1 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (9) einen in Längsrichtung des Rotors (2) wirkenden Anschlag (10) für die Nockenwelle ausbildet.
Nockenwellenversteller (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) zumindest bereichsweise wasserdampfinduziert verfestigt ist. Nockenwellenversteller (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) aus einem vorzugsweise metallischen Sintermaterial hergestellt ist und/oder zur Verschraubung mit der Nockenwelle vorbereitet ist.
Nockenwellenversteller (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (3) zumindest an einer oder beiden Stirnseiten (12 und/oder 13) durch Wasserdampfbeaufschlagung eine reibungserhöhende Oxidschicht (1 1 ) aufweist.
Verfahren zum Herstellen eines Rotors (2) für einen Nockenwellenversteller (1 ), wobei der Rotor (2) zumindest abschnittsweise aus Sintermaterial aufgebaut wird, wobei zumindest ein zur Anwendung einer Nockenwelle vorgesehener Anwendungsbereich (7) des Sintermaterials mit Wasserdampf beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine durch die Wasserdampfeinwirkung hervorgerufene Oxidschicht (1 1 ) auf der Oberfläche des Rotors (2) belassen wird, so dass diese Oxidschicht (1 1 ) im verbauten Zustand des Rotors (2) innerhalb eines Stators (3) mit der Nockenwelle kraftschlüssig verbunden ist.
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