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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Nockenwellenversteller, für ein Kraftfahrzeug, wie einen Pkw, einen Lkw oder ein anderes Nutzfahrzeug, mit einem Stator und einem konzentrisch und innerhalb davon angeordnetem Rotor, welcher mit einer Nockenwelle verbindbar ist, wobei der Stator einen Hauptkörper / Statorhauptkörper mit einer zumindest abschnittsweise hohlzylindrischen Form, etwa nach Art eines Statortopfes oder nach Art eines Statornapfes, und einen bspw. plattenartigen Deckel oder in einer Transversalebene angeordnetes Abschlusselement aufweist, wobei der Deckel / das Abschlußelement axial fest und drehfest am Hauptkörper angebracht ist.
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Die Erfindung ist also auf dem Gebiet von Flügelzellenverstellern insbesondere auf dem Gebiet von Drehflügelversteller beheimatet.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits Nockenwellenversteller bekannt, bspw. aus der
US 6,457,447 B1 oder der
DE 2008 019 586 A1 . In der letztgenannten Druckschrift wird eine Nockenwellenverstellvorrichtung mit einem Antriebsrad und einem Abtriebsteil offenbart, wobei das Antriebsrad und das Abtriebsteil relativ zueinander drehbar angeordnet sind und zur Drehwinkelbegrenzung zwischen denselben zumindest ein mit dem Antriebsrad drehfest verbundenes Koppelelement vorgesehen ist, wobei zum drehfesten Verschweißen und/oder Verstemmen des Koppelelements und des Antriebsrades das Koppelelement an zumindest einem Anlageabschnitt des Antriebsrades radial abgestützt ist.
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Solche Nockenwellenversteller werden üblicherweise in Steuertrieben von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere unter Einsatz von Ketten- oder Riementrieben sowohl für Ottomotoren, als auch für Dieselmotoren eingesetzt. Spezielle Nockenwellenversteller, bei denen der Stator aus zwei oder mehreren getrennten Teilen ausgeführt ist und durch spezielle Fügeprozesse form- und kraftschlüssig verbunden werden, sind bekannt. Diese haben schon Vorteile gegenüber einteiligen Statortöpfen, die spanend hergestellt werden müssen, wobei die Funktionsflächen aufwändig bearbeitet werden müssen.
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Der bekannte Stand der Technik beschreibt Stator-Deckel-Kombinationen, welche normalerweise einteilig ausgeführt sind, oder aber durch Verstemmungen oder Presspassungen verbunden sind. Bei einteiligen Ausgestaltungen müssen sämtliche Funktionsflächen, wie Radial-, Axiallager- und Dichtflächen spanend nachbearbeitet werden, was hohe Fertigungskosten zur Folge hat.
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Geometriebedingt wird als Bearbeitungsprozess dann ein Fräsvorgang genutzt, welcher weitere funktionale Nachteile mit sich bringt. Es entsteht beim Fräsen durch einen abgeschrägten bzw. abgerundeten Fräserauslauf ein umlaufender positiver Kantenbruch, der auch als Materialaufwurf / Materialhäufung bezeichnet werden kann, nämlich am Übergang einer Axiallagerfläche des Deckels zur radialen Statorwandung. Eine gegengleiche Fase muss dann am Rotor vorgehalten werden, um ein Klemmen im Axiallager zu vermeiden. Dies hat wiederum eine erhöhte Leckage durch den umlaufenden Spalt zwischen dem Rotor und dem Stator zur Folge. Außerdem müssen beim Einsatz von Dichtleisten, also Leisten, die zur fluiddichten Abgrenzung der Flügelzellen auf der Außenseite des Rotors und der Innenseite des Stators am Rotor in Axialrichtung verlaufend festgelegt sind, speziell einseitig abgeschrägte Varianten eingesetzt werden, welche an dieser Stelle den Kantenbruch am Statortopf ebenfalls vorhalten. Mit anderen Worten müssen sie im Bereich der Materialhäufung / des Materialaufwurfs ausgenommen sein, d.h. eine Ausnehmung aufweisen. Dies macht eine gerichtete Montage notwendig, was wiederum einen erhöhten Aufwand nach sich zieht.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu vermeiden und insbesondere eine Stator-Deckel-Kombination zur Verfügung zu stellen, welche aus Einzelteilen zusammengefügt wird, aber besonders dicht und kostengünstig ist. Insbesondere soll eine besonders struktursteife Stator-Deckel-Kombination zur Verfügung gestellt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zwischen dem Hauptkörper und dem Deckel zumindest abschnittsweise eine Verbindung nach Art einer Kaltverschweißung ausgebildet ist.
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Unter einer Kaltverschweißung wird hier eine Verbindung auf atomarer Ebene unter Einwirkung von hohem Druck und/oder einer (hohen) Relativgeschwindigkeit verstanden.
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Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
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So ist es von Vorteil, wenn die zweckmäßigerweise in einem Sinterpressverfahren geschaffene Kaltverschweißung an einer Stirnfläche des Hauptkörpers und/oder einer (Innen-)Umfangsfläche des Hauptkörpers vorhanden ist. Eine große Verbindungsfläche kann dann zur Verfügung gestellt werden.
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Auch ist es von Vorteil, wenn die Kaltverschweißung kraft-, form- und/oder stoffschlüssig wirkende Verbindungsabschnitte aufweist, insbesondere einen oder mehrere Mikroformschlussabschnitte. Als besonders zweckmäßig ist dabei also ein solcher Formschluss, der speziell auf Mikroebene wirkt, durch z.B. speziell strukturierte Oberflächen. Unter der Einwirkung von hohen Kräften bildet sich dann die Kaltverschweißung. Ein Verzahnungseffekt von Oberflächenstrukturen sei hier subsummiert. Beispielsweise fällt hier auch eine Wasserdampfbehandlung hinein, die einen Mikroformschluss durch „Verrosten“ auf atomarer Ebene bewirkt.
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Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel ist auch dadurch gekennzeichnet, dass an Abschnitten der miteinander in Kontakt gelangenden Flächen des Hauptkörpers und des vorzugsweise ringartigen Deckels eine Mikrostruktur, etwa nach Art einer Riffelung, Riefung und/oder (Mikro-)Verzahnung vorgesehen ist. Der Zusammenhalt der Einzelteile wird dadurch verbessert.
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Auch ist es von Vorteil, wenn der Hauptkörper und/oder der Deckel aus vorzugsweise metallischem Sintermaterial aufgebaut ist/sind.
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Wenn der Hauptkörper und der an ihm befestigte Deckel etwa unter Einsatz einer Wasserdampfbehandlung anoxidiert, angerostet, verrostet oder brüniert ist, so kann der Zusammenhalt der Einzelbauteile weiter verbessert werden.
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Es ist zweckmäßig, wenn sich in Axialrichtung erstreckende Vorsprünge des Hauptkörpers oder des Deckels formschlüssig in Aussparungen des Deckels oder des Hauptkörpers eingesetzt sind. Die übertragbaren Kräfte können dann noch größer werden.
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Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel ist auch dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Kaltverschweißung Adhäsivmittel / Adhäsionsmittel, wie Klebstoff oder Wachs, vorhanden ist.
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Damit die Verbindung besonders langlebig ist, ist es von Vorteil, wenn der Deckel mit dem Hauptkörper sinterverlötet ist.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Fügen eines Deckels an einen Hauptkörper eines Stators, der zum Ausbilden eines Bestandteils eines Nockenwellenverstellers der erfindungsgemäßen Art vorgesehen ist, wobei besonders vorzugsweise zur Herstellung einer Verbindung nach Art einer Kaltverschweißung zwischen dem Deckel und dem Hauptkörper, jener Deckel und jener Hauptkörper in einer Negativform, die axiales und radiales Ausweichen des Werkstoffs verhindert, mit hohen Axial- und Radialkräften beaufschlagt werden.
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Man könnte auch sagen, dass die Erfindung die Aufteilung des Stators in mehrere Teile betrifft, wobei die Trennung in radialer bzw. in axialer Richtung erfolgen kann. Der auch später noch detailliert beschriebene Fall beschreibt konkret eine Stator-Deckel-Einheit, welche im ersten Fertigungsschnitt zweiteilig vorliegt, nämlich umfassend einen (Stator-)Hauptkörper und einen Deckel, der anschließend durch einen Fügeprozess, der auch als „Kalibrierprozess“ bezeichnet werden kann, verbunden wird.
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Unter einem „Kalibrierprozess“ wird ein Prozess verstanden, der die Maßhaltigkeit des Werkstückes durch Überpressen unter Einsatz von sehr hohen Kräften verbessert. Das Werkstück wird dabei in eine Negativform eingelegt und mit sehr hohen Axial- und/oder Radialkräften beaufschlagt, was zu einer Anlage an die Negativform führt. Durch diese plastische Verformung wird das Werkstück nachträglich verdichtet und die Maßgenauigkeit erhöht.
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Die Verbindung durch „Kalibrieren“ führt zu einem kraft- und formschlüssigen Verbund, welcher hohe Betriebsbelastungen übertragen kann. Aus diesem Grund wird eine Verzahnung, über welche die Steuerkette formschlüssig eingehängt ist, und eine Verriegelungsfunktion in diese Bauteilkombination integriert.
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Ein weiterer Vorteil des Statortopfs kann genutzt werden, wenn eine umlaufende, radiale Abdichtung am Außendurchmesser zwischen dem Deckel und dem Stator vorhanden ist, welche die externe radial nach außen gerichtete Leckage vermindert. Bei Mangel einer solchen formschlüssigen Gestaltung, kann ein Aufklaffen um mehrere Mikrometer, etwa 20 μm auftreten, was zu einer Leckage führt. Eine umlaufende formschlüssige Dichtung wird durch „Überpressen“, also ein Durchdringen der Einzelteile im Mikrobereich, ähnlich einer Presspassung mit aber höheren Fügekräften, während des „Kalibrierprozesses“ erreicht. Dazu wird eine geometrische Überlappung zwischen dem Stator und dem Deckel realisiert, welche radial am Außendurchmesser oder durch Einzelelemente im Bereich der Statorsegmente umgesetzt wird.
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Durch das Zusammenfügen des Statortopfes aus zwei getrennten Bauteilen kann die Nacharbeit durch Fräsen entfallen, da die Funktionsflächen ebenso durch „Kalibrieren“ ausreichend genau hergestellt werden können. Es entsteht außerdem kein umlaufender „positiver Kantenbruch“, also keine Materialhäufung, wobei dieser positive Kantenbruch die bereits genannten Nachteile mit sich bringen würde. Es können symmetrische Dichtleisten sowie eine „scharfkantige“ Rotorplanfläche verwendet werden, was sich wiederum positiv auf die hydraulische Leckage auswirkt, d.h. sie unterbindet.
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Bei der Verbindung der beiden Bauteile wird durch das axiale Verpressen ebenso die Axiallagerbreite sehr exakt im Stator hergestellt. Auch diese spanende Nachbearbeitung (Höhenschleifen) kann somit entfallen.
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Um die Verbindungsfestigkeit der Einzelteile weiter zu erhöhen, ist es denkbar, eine Mikrostruktur an den Fügeflächen vorzusehen. Durch das axiale Verpressen fließt nämlich Material der beiden Fügepartner ineinander und es entsteht eine Mikroverzahnung. Desweiteren kann durch eine Wärmebehandlung, z.B. unter Einsatz einer Wasserdampfbehandlung, ein „Verrosten“ der Einzelteile untereinander erzeugt werden, was zusätzlich die Verbindungssteifigkeit erhöht. Außerdem kann über einen Zusatzarbeitsgang wie Sinterlöten eine Verbindung geschaffen werden.
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Diese Arten der Bauteilverbindung lassen sich konstruktiv nutzen, um höhere Freiheitsgrade, wie z.B. bei einem als Einzelteil gefertigten Statortopf zu erreichen. Es können Hinterschnitte zwischen dem Stator und dem Deckel zum Freistellen für z.B. die Kettenlaschen oder andere Bauteile geschaffen werden, welche sonst nur durch aufwändige spanende Nacharbeit hergestellt werden könnten. So kann sich der Deckel radial auch weit über die zahnfreie Außenumfangsfläche des Stators erstrecken. Ein radialer Absatz zwischen dem Deckel und dem Statorhauptkörper ist dann die Folge. Hierdurch können lokal Geometrieelemente eingebracht werden, welche zur Positionierung der als Werkzeugeingriff bei der Montage dienen können und dabei die Festigkeit nicht über die Gesamtbreite reduzieren.
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Es kann im Bereich dieser Kaltverschweißung auch ein Adhäsivmittel eingebracht werden. Dadurch wird eine adhäsive Verbindung geschaffen. Eine generelle Beschreibung über „Adhäsionskräfte“, welche z.B. durch den Einsatz von Zusatzmitteln, wie Klebstoff, Wachs oder ähnliches erhöht, wobei zusätzlich auch noch die Dichtfunktion verbessert wird. Solches ist bspw. in der
WO 2010/128976 A1 offenbart. Die diesbezüglichen Details sollen als hier geklärt gelten.
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An den Einzelteilen des Hauptkörpers und des Deckels sind außerdem Geometrieelemente in axialer Richtung vorgesehen, wie Vorsprünge, welche einen Formschluss im verbundenen Zustand erzeugen und somit die Betriebsbelastung in Umfangsrichtung zur Aufnahme von Drehmoment reduzieren.
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Sollte bauraumbedingt eine gekröpfte Verzahnung, d.h. eine Verzahnung, die radial oder axial über den Statordeckel hinausragt, gewünscht sein, kann dies ohne mechanische Nacharbeit, wie einem Drehprozess, umgesetzt werden. Dazu wird der Deckel im Hinterschnitt der Verzahnung am Stator durch Formschluss oder Kraftschluss (Presspassung) befestigt.
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Bei der Gestaltung einer kraftschlüssigen Verbindung durch einen Kalibrierprozess mit hohen Kräften, kann die Gestaltsteifigkeit des Zusammenbaus ausgenutzt werden, um höhere Betriebsbelastungen zu übertragen, bzw. bei gleichen Betriebsbelastungen können die Wandstärke und damit die gesamte Masse des Nockenwellenverstellers reduziert werden.
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Als konstruktiv bedeutsame Punkte sind festzuhalten, dass zwei separat hergestellte Einzelteile, vorzugsweise aus Sinterwerkstoff, verwendbar sind, welche anschließend durch einen Kalibrierprozess form- und kraftschlüssig miteinander verbindbar sind.
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Es sind die Geometrieelemente am Statorhauptkörper und am Deckel vorgehalten, welche axial und radial beim Fügen ineinander greifen und durch die Einwirkung hoher Presskräfte eine kraftschlüssige Verbindung ergeben. Diese Geometrieelemente dienen zur Gestaltung der Verbindung (Formschluss beim Fügen), zur Aufnahme von Kräften und Momenten im Betrieb und zur Abdichtung gegen Leckage, etwa bei Gestaltung einer umlaufenden Nut am Statorhauptkörper oder Deckel. In der Nut kann dann eine gegengleiche umlaufende Bundausgestaltung des jeweils anderen Bauteils greifen.
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Zur Abdichtung gegen Leckage am Außendurchmesser können verschiedene Geometrien zwischen dem Stator und dem Deckel, wie Rundnuten, Rechtecknuten, Labyrinth-Formen oder ähnliches vorgesehen sein.
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Die Gestaltung einer scharfkantigen Verbindung bzw. eines negativen Kantenbruchs, also dem Mangel an einer Materialhäufung, umlaufend einer Axialfläche am Übergang zwischen dem Statorhauptkörper oder Dichtdeckel führt zu einer Minimierung des umlaufenden Leckage-Spalts.
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Es wird eine Gestaltung möglich, bei der eine Vertiefung bzw. Bohrung am Deckel eingebracht werden kann, über welche die mechanische Verriegelung realisierbar ist.
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Die Gestaltung der Kontaktflächen vor den Zügen mittels einer Mikrostruktur ist vorteilhaft, wobei dann beim Fügeprozess ein Verzahnungseffekt realisierbar ist, der die Verbindungsfestigkeit erhöht. Als Nebeneffekt kann durch diese Mikrostruktur eine wesentlich exaktere Lagerbreite / Axialbreite umgesetzt werden, so dass ein anschließendes Höhenschleifen entfallen kann.
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Die Erhöhung der Verbindungsfestigkeit durch einen Nachbehandlungsprozess, wie z.B. eine Wasserdampfbehandlung sei herausgestellt. Die Verbindung der Einzelteile über Rostbildung, Verzahnung über eine Mikrostruktur oder Sinterlöten wurde bereits angesprochen.
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Ein genereller Verzicht auf eine spanende Nachbearbeitung der Funktionsflächen ist die Folge.
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Selbst gekröpfte Verzahnungen bis über die Deckelebene ohne spanende Nacharbeit sind realisierbar.
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Höhere übertragbare Betriebslasten können dann verkraftet werden. Der Aufwand der Herstellung wird reduziert. Auf kostenintensive (Schmelz-)Schweißverbindungen kann verzichtet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch bei mehrteiligen Rotoren eingesetzt sein.
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Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe einer Zeichnung näher erläutert, in der unterschiedliche Ausführungsbeispiele dargestellt sind. Es zeigen.
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1 eine Draufsicht auf einen Statorhauptkörper, der mit einem Deckel zu einem zusammengesetzten Stator kombiniert ist und Teil eines erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers ist,
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2 einen Querschnitt entlang der Linie II aus 1 durch den zusammengesetzten Stator,
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3 eine perspektivische Darstellung nur des Statorhauptkörpers,
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4 eine perspektivische Darstellung (von der anderen Seite) nur des Deckels des Stators,
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5 bis 8 ein zweites Ausführungsbeispiel entsprechend den Darstellungen der 1 bis 4,
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9 bis 12 vergleichbar der Darstellung der 1 bis 4,
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13 eine Vergrößerung des Bereichs XIII aus 9,
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14 eine Variante zu der Ausgestaltung wie in 13 gezeigt,
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15, 16 und 17 eine weitere Ausführungsform eines in einem erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers zu verbauenden Stators, aufgebaut aus einem Statorhauptkörper und einem Deckel mit Domen, und einem Kraftschluss am Außendurchmesser des Deckels, wobei 16 einen Längsschnitt entlang der Linie XVI aus 17 widergibt und die 15 und 17 die Front bzw. Rückansicht darstellen,
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18 eine perspektivische Darstellung nur eines Statorhauptkörpers einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform, und
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19 eine perspektivische Darstellung nur des Deckels, der zum in Kontakt gelangen mit dem Statorhauptkörper aus 18 vorgesehen ist.
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Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen nur dem Verständnis der Erfindung. Elemente der einzelnen Ausführungsbeispiele können unter einander durchgetauscht / ausgetauscht werden.
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Stator 1, der in einer ersten Ausführungsform eines hydraulischen Nockenwellenverstellers einsetzbar ist. Ein Rotor, mit dem er zusammenwirkt, ist nicht dargestellt. Dafür ist eine Verzahnung 2 auf der Außenseite des Stators 1 zu erkennen. Die Verzahnung 2 ist zum in Kontakt gelangen mit einer nicht dargestellten Steuerkette vorbereitet. Der Stator 1 ist aus einem Hauptkörper 3 und einem Deckel 4 aufgebaut. Der Hauptkörper 3 und der Deckel 4 sind über eine Nut und Feder formschlüssig und anschließend kraftschlüssig durch einen „Kalibrierprozess“ miteinander gefügt. Dabei weist der Deckel 4 axial abstehende Vorsprünge 5 auf, die in gegengleiche Ausnehmungen / Aussparungen 6 am Hauptkörper 3 eingreifen.
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Die 2 bis 4 geben das Zusammenspiel der Einzelbauteile gut wider. Die Einzelbauteile sind konzentrisch zu einer Drehachse 7 ausgebildet.
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In den 5 bis 8 ist eine Variante zu der Ausgestaltung aus den 1 bis 4 zu erkennen, wobei eine gute Dichtfunktion am Außendurchmesser durch eine Ringdichtung 8 realisiert ist. Umlaufende Nasen sind am Deckel 4 vorhanden, die mit einer Nut am Statorhauptkörper 3 bzw. umgekehrt befestigt werden. Zur Aufnahme von Drehmomenten dienen zusätzlich die Nuten im Bereich der Statorsegmente. Die Nut ist mit dem Bezugszeichen 9 markiert, in die ein Bund 10 am Deckel 4 eingreifen kann. Zusätzlich besteht ein Formschluss in Umfangsrichtung.
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In den 9 bis 14 ist eine weitere Variante dargestellt, wobei ein statortopfartiger Hauptkörper 3 mit ankalibriertem Deckel 4 über Dome 11, welche durch Form- und Kraftschluss mit den Bohrungen 12 im Hauptkörper 3 verbunden werden, zusammengefügt ist. Es kann ein Gewinde 13 im Deckel 4 zur Verstärkung der Bauteilverbindung vorgesehen sein. Wie in 13 dargestellt, kann sich das Gewinde 13 auch über beide Bauteile zur Verstärkung der Verbindung erstrecken.
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Ein negativer Kantenbruch, nach Art eines Freistichs, kann zwischen dem Deckel 4 und dem Hauptkörper 3 zur Freistellung eines Radiallagers, bzw. einer Radiallagerstelle 14 (siehe 11), eingesetzt sein.
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Ein statortopfartiger Hauptkörper 3 mit gekröpfter Verzahnung an dem ankalibrierten Deckel 4 ist in den Darstellungen der 15 bis 17 dargestellt. Im entsprechenden Ausführungsbeispiel wird der Deckel 4 über eine Presspassung (Kraftschluss) zwischen der Verzahnung 2 und dem Deckelaußendurchmesser 15 ohne zusätzliche Verbindung über einen Schraubenverband mit dem Hauptkörper 3 kombiniert. Eine starke Verbindung wird über die Dome 11 und einen Kraftschluss am Außendurchmesser des Deckels 4 erreicht.
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In den 18 und 19 ist eine weitere Variante einer Hauptkörperausgestaltung und Deckelausgestaltung mit einer Mikrostruktur 16 dargestellt. Diese dient zur Verbesserung der Verbindungsfestigkeit und zur Möglichkeit, die Lagerhöhe genauer zu kalibrieren. Die Mikrostruktur 16 ist an der Kontaktfläche zwischen dem Statorhauptkörper 3 und dem Deckel 4 vorhanden und führt zu einer Erhöhung der Verbindungsfestigkeit im Mikrobereich. Dies gleicht einem Verzahnungseffekt. Eine Wasserdampfbehandlung bei ca. 200 bis ca. 250 °C zur Erreichung von „Edelrost“ kann bei den einzelnen Ausführungsbeispielen hinzu kombiniert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stator
- 2
- Verzahnung
- 3
- Hauptkörper
- 4
- Deckel
- 5
- Vorsprung
- 6
- Ausnehmung/Aussparung
- 7
- Drehachse
- 8
- Ringdichtung
- 9
- Nut
- 10
- Bund
- 11
- Dom
- 12
- Bohrung
- 13
- Gewinde
- 14
- Rad
- 15
- Deckelaußendurchmesser
- 16
- Mikrostruktur
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6457447 B1 [0003]
- DE 2008019586 A1 [0003]
- WO 2010/128976 A1 [0028]