DE102010008005A1

DE102010008005A1 - Stator-Deckel-Einheit und Nockenwellenversteller

Info

Publication number: DE102010008005A1
Application number: DE102010008005A
Authority: DE
Inventors: Olaf 90425 Boese
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-02-15
Filing date: 2010-02-15
Publication date: 2011-08-18
Also published as: CN102762821A; WO2011098321A1; US8887677B2; US20120298061A1; CN102762821B; EP2536924B1; BR112012020163A2; EP2536924A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stator-Deckel-Einheit (1) für einen Nockenwellenversteller (31), die einteilig aus einem Sinterwerkstoff gefertigt ist, umfassend einen Stator (3) und einen Verriegelungsdeckel (5), der eine Kulisse (17) zur drehfesten Verriegelung eines Rotors (33) aufweist, wobei der Sinterwerkstoff zumindest im Bereich der Kulisse (17) eine Vickers-Härte zwischen 400 HV und 850 HV aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Nockenwellenversteller (31) mit einer solchen Stator-Deckel-Einheit (1) mit den vorgenannten Eigenschaften, in welcher ein Rotor (33) mit einer Anzahl sich radial nach außen erstreckender Rotorflügel (35) positioniert ist. Die Stator-Deckel-Einheit (1) ist einfach herzustellen. Für die Kulisse (17) kann auf ein separates Einlegeteil verzichtet werden.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Stator-Deckel-Einheit für einen Nockenwellenversteller, umfassend einen Stator und einen Verriegelungsdeckel, der eine Kulisse zur drehfesten Verriegelung eines Rotors aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Nockenwellenversteller mit einer derartigen Stator-Deckel-Einheit. Eine Stator-Deckel-Einheit wird üblicherweise in einem Nockenwellenversteller verwendet, um die Ventilsteuerung eines Verbrennungsmotors im Betrieb zu unterstützen.
Hintergrund der Erfindung
Eine Stator-Deckel-Einheit der vorgenannten Art wird als mittlerweile gängiges Bauteil in neueren Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge eingesetzt. Die Stator-Deckel-Einheit ist Teil eines Nockenwellenverstellers. Sie dient der Betätigung einer Nockenwelle, beziehungsweise der an der Nockenwelle angebrachten Nocken. Durch die Nocken können Gaswechselventile in einem Verbrennungsmotor betätigt werden. Über die Anordnung und die Form der Nocken sind die Steuerzeiten der Gaswechselventile gezielt festlegbar. Eine Anpassung der Ventilöffnungszeiten über einen Nockenwellenversteller erlaubt eine Effizienzsteigerung des Verbrennungsmotors. Dies kommt insbesondere als Leistungsgewinn oder durch Treibstoffersparnis zum Tragen. Aus diesem Grund werden auf diesem Gebiet immer weiter Verbesserungen angestrebt.
Ein Nockenwellenversteller besteht üblicherweise aus einem Stator, einem Verriegelungsdeckel, einen im Stator positionierten Rotor sowie einem Dichtdeckel. Der Stator ist im eingebauten Zustand drehfest mit einer Kurbelwelle verbunden, wohingegen der Rotor drehfest mit einer Nockenwelle verbunden ist. Der Stator ist üblicherweise mit zumindest einer Flügelanschlagfläche ausgebildet, an welcher die Flügel eines Rotors im eingebauten Zustand gestoppt werden. Insgesamt wird durch den Einsatz eines Nockenwellenverstellers eine gezielte Drehung der Nockenwelle gegenüber dem Stator in einem vorbestimmten Winkelbereich ermöglicht. Damit kann die Phasenlage der Nocken gegenüber der Kurbelwelle innerhalb gewisser Grenzen verändert werden.
Um, insbesondere beim Start oder im Leerlauf eines Motors, den Stator und den Rotor in einer optimalen Position halten zu können, ist üblicherweise eine Kulisse innerhalb des Verriegelungsdeckels eingebracht. Die Kulisse dient der drehfesten Verriegelung eines Rotors, wobei ein Kolben in die Kulisse eingreift, so dass die Stator-Deckel-Einheit formschlüssig mechanisch mit einem Rotor verbunden ist. Dementsprechend wirken im verriegelten Zustand hohe Kräfte auf die Kulisse.
In der US 6,311,654 B1 ist ein Nockenwellenversteller mit einer Stator-Deckel-Einheit der vorgenannten Art offenbart. Die Stator-Deckel-Einheit ist mehrteilig gefertigt, wobei der Stator mit einem als Dichtplatte ausgebildeten Verriegelungsdeckel über einen Bolzen verbunden ist. In die Stator-Deckel-Einheit ist ein Rotor eingesetzt. Der Stator und der Rotor können durch einen in eine Kulisse eingreifenden Kolben zueinander festgelegt werden. Die Kulisse ist als eine ringförmige Vertiefung in den Gehäuseboden des Verriegelungsdeckels eingebracht. In diese Vertiefung wird nach der Herstellung des Verriegelungsdeckels ein sich konisch verjüngender Ring als separates Einlegeteil eingepresst. In diesen Ring kann der Kolben eingreifen, um den Stator mit dem Rotor zu verriegeln.
Nachteilig bei einer derartigen Stator-Deckel-Einheit ist jedoch der relativ hohe Fertigungs- und Montageaufwand. Durch ein Einlegeteil kann die nötige Härte und Stabilität zur Verriegelung von Rotor und Stator gewährleistet werden.
Aufgabe der Erfindung
Es ist demnach eine erste Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Stator-Deckel-Einheit anzugeben, die gegenüber dem Stand der Technik kostengünstig und mit verringertem Aufwand gefertigt werden kann, ohne dass dabei ihre Funktionsfähigkeit verschlechtert wird.
Eine zweite Aufgabe der Erfindung ist es, einen Nockenwellenversteller mit einer entsprechenden Stator-Deckel-Einheit anzugeben.
Lösung der Aufgabe
Die erste Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Stator-Deckel-Einheit mit der Merkmalskombination gemäß Anspruch 1.
Demnach ist die Stator-Deckel-Einheit für einen Nockenwellenversteller einteilig aus einem Sinterwerkstoff gefertigt und umfasst als Baueinheit einen Stator und einen Verriegelungsdeckel. In den Verriegelungsdeckel ist eine Kulisse zur drehfesten Verriegelung eines Rotors eingebracht. Hierbei ist vorgesehen, dass der Sinterwerkstoff zumindest im Bereich der Kulisse eine Vickers-Härte zwischen 400 HV und 850 HV aufweist.
Hierbei berücksichtigt die Erfindung insbesondere die erhöhten Belastungen, denen eine Stator-Deckel-Einheit im eingebauten Zustand als Teil eines Nockenwellenverstellers standhalten muss. Insbesondere im Bereich der Kulisse muss die Stator-Deckel-Einheit mit geeigneter Härte ausgebildet sein, da dieser Bereich als eine belastete Funktionsfläche dient, an der der Kolben zur mechanischen Verriegelung des Rotors mit dem Stator eingreift.
In Anbetracht dessen werden üblicherweise separate Einlegeteile in einen Verriegelungsdeckel eingebracht, die sich durch die benötigte Härte auszeichnen. Zur Aufnahme der Einlegeteile müssen in den Verriegelungsdeckel Vertiefungen eingebracht werden, was üblicherweise spanend geschieht. Zur Funktion des Verriegelungsmechanismus muss weiter ein Bezug der Geometrien von Einlegeteil, Rotor und Stator zueinander hergestellt werden. Dazu muss insbesondere die der Kulisse zugehörige Flügelanschlagsfläche einem spanenden Nachbearbeitungsprozess unterzogen werden. Durch diese zusätzlichen Prozesse werden erhöhte Montagekosten bei der Fertigung verursacht. Zusätzlich ist ein Einlegeteil mit weiteren Toleranzen behaftet.
Um diese Nachteile zu überwinden, erkennt die Erfindung, dass durch die Verwendung einer einteilig aus einem Sinterwerkstoff gefertigten Stator-Deckel-Einheit in Verbindung mit einer entsprechend harten Funktionsfläche im Bereich der Kulisse eine Möglichkeit gegeben ist, die Stator-Deckel-Einheit ohne zusätzlichen Aufwand, sowohl im Hinblick auf die Fertigung als auch auf die Kosten, herzustellen. Die Verwendung eines Sinterwerkstoffs bietet die Möglichkeit, ein leicht zu handhabendes und praxiserprobtes Verfahren zur Herstellung zu verwenden.
Der Grundwerkstoff der Stator-Deckel-Einheit ist ein Sinterwerkstoff, der zumindest im Bereich der Kulisse eine Härte zwischen 400 HV und 850 HV aufweist. Zur Herstellung eines Bauteils werden hierbei Pulvermassen zu einem sogenannten Grünling vorgepresst, der dann durch eine Wärmebehandlung unterhalb der Schmelztemperatur verdichtet und ausgehärtet wird. Sinterwerkstoffe können entsprechend den Anforderungen für die Bauteile, für die sie verwendet werden, gewählt werden. Dazu können beispielsweise zusätzliche Legierungskomponenten beigegeben werden.
Die Härte eines gesinterten Bauteils ist grundsätzlich durch den Sinterwerkstoff gegeben. Hierbei kann die gesamte Stator-Deckel-Einheit nach der Herstellung im Wesentlichen an jeder Stelle die gleiche Härte aufweisen. Mittels einer Temperaturbehandlung kann jedoch für geeignete Werkstoffe eine Nachhärtung erfolgen. Insbesondere kann die Nachhärtung lokal erfolgen. Besonders im Bereich der Kulisse, also an der Stelle, an der hohe Belastungen aufgrund der mechanischen Verriegelung von Rotor und Stator wirken, ist eine Vickers-Härte zwischen 400 HV und 850 HV vorgesehen. Härte kann allgemein definiert werden als der mechanische Widerstand, den ein Werkstoff der mechanischen Eindringung eines härteren Prüfkörpers entgegensetzt. Die Härtemessung nach Vickers dient im Allgemeinen der Prüfung harter und gleichmäßig aufgebauter Werkstoffe, ebenso wie der Härteprüfung dünnwandiger oder oberflächengehärteter Werkstücke und Randzonen. Hierbei wird eine gleichseitige Diamantpyramide mit einem Öffnungswinkel von 136° unter einer festgelegten Prüfkraft in das Werkstück eingedrückt. Aus der mittels eines Mikroskops festgestellten Länge der Diagonalen des bleibenden Eindrucks wird die Eindruckoberfläche errechnet. Das Verhältnis von Prüfkraft zu Eindruckoberfläche ergibt bei Multiplikation mit einem Faktor (0,1891) die Vickers-Härte (HV).
Der gewählte Härte-Bereich zwischen 400 HV und 850 HV bietet die Möglichkeit, die Stator-Deckel-Einheit zumindest im Bereich der Kulisse derart auszubilden, dass sie dauerhaft den derartigen Belastungen gewachsen ist. Insbesondere tritt dort keine ungewollte Verformung mehr auf. Andererseits ist die Härte gering genug, damit der Werkstoff nicht spröde ist oder wird und bei Belastungen eventuell reist.
Aufgrund der einteiligen Fertigung kann die Herstellung der Stator-Deckel-Einheit verkürzt und die Kosten gesenkt werden, da insbesondere zusätzliche Befestigungsmittel oder Montageschritte zur Verbindung des Stators mit dem Verriegelungsdeckel entfallen. Zusätzlich werden die Bauteiltoleranzen gering gehalten. Da jeder Fertigungsprozess nur eine endliche Fertigungsgenauigkeit hat, weist jedes gefertigte Bauteil kleine Abweichungen von der gewünschten Geometrie auf. Durch ein mehrstufiges Fertigungsverfahren addieren sich geometrische Abweichungen der einzelnen Bauteile und der gesamte Fehler wird größer. Bei einer einteiligen Fertigung sind demnach nur die Toleranzen oder Fehler eines einzigen Bauteils, also der Stator-Deckel-Einheit, zu berücksichtigen. Im Gegensatz hierzu würde bei einem Zusammenbringen eines separaten Stators und eines separaten Verriegelungsdeckels ein größerer Fehler für die Stator-Deckeleinheit resultieren.
Der Stator kann unterschiedlich dimensioniert sein. Die Dimensionierung hängt insbesondere von der Größe der Nockenwelle ab, zu deren Betätigung der Stator benötigt wird. Der Stator ist mit dem Verriegelungsdeckel insbesondere in Form einer kombinierten Stator-Deckel-Einheit verbunden. Er kann mit einer Anzahl von Stegen ausgebildet sein, die an der Innenwandung des Stators angebracht sind und sich radial nach innen erstrecken. Zwischen den Stegen können die Flügel eines Rotors positioniert werden, so dass jeweils an den Außenseiten der Flügels Druckkammern zur Beaufschlagung mit Hydraulikflüssigkeit entstehen.
Der Verriegelungsdeckel begrenzt die Druckkammern bzw. den Innenraum der Stator-Deckel-Einheit auf einer Seite. Er dient so der Abdichtung des Druckraums und verhindert ein unkontrolliertes Auslaufen von Hydraulikflüssigkeit. Durch die einteilige Fertigung des Verriegelungsdeckels mit dem Stator wird bei einer Beaufschlagung des Innenraums mit Öl eine hohe Dichtigkeit gewährleistet.
Die Kulisse dient, wie bereits eingangs erwähnt, der Verriegelung von Stator und Rotor, so dass diese in einer optimalen Position insbesondere für den Start oder Leerlauf eines Verbrennungsmotors gehalten werden. Die Kulisse ist innerhalb einer Kammer bzw. innerhalb einer Druckkammer in Form einer Ausnehmung im Verriegelungsdeckel ausgebildet. Die Position der Kulisse ist dabei insbesondere durch den Herstellungsprozess festgelegt. Sie muss innerhalb der Verriegelungspiels liegen, damit der Kolben in die Ausnehmung eingreifen kann. Eine Nachbearbeitung der Flügelanschlagsflächen der Stator-Deckel-Einheit sowie der Verrieglungskulisse ist nicht nötig. Somit wird kein zusätzlicher Fehler erzeugt. Auf diese Weise bleibt die Toleranzkette bezüglich des Abstands zwischen den Flügelanschlagsflächen und der Kulisse unbeeinflusst.
Falls die werkstoffeigene Härte nach der Fertigung der Stator-Deckel-Einheit mittels Sintern nicht ausreichend ist, kann das beim Sintern hergestellte Formteil grundsätzlich auch nachträglich gehärtet werden. Dies ist insbesondere bei der Verwendung von Sinterstählen möglich. Hierbei ist es grundsätzlich möglich, die ganze Stator-Deckel-Einheit oder auch nur einen Teil zu härten. Vorteilhafterweise ist demnach der Sinterwerkstoff ein Sinterstahl, der zumindest im Bereich der Kulisse gehärtet ist. Ein Sinterstahl ist insbesondere aufgrund der einfachen Verarbeitung und Handhabung empfehlenswert. Der härtbare Werkstoff bietet die Möglichkeit, die Stator-Deckel-Einheit so herzustellen, dass die im Verriegelungsdeckel umfasste Kulisse die nötige Stabilität hat und es demnach zusätzlich keines zusätzlichen Einlegeteils bedarf.
Als Stahl werden grundsätzlich metallische Legierungen bezeichnet, deren Hauptbestandteil Eisen ist und deren Kohlenstoffgehalt zwischen 0,01% und 2,06% liegt. Durch Legieren mit Kohlenstoff und anderen Legierungselementen in Kombination mit wärme- und thermomechanischer Behandlung können Stähle modifiziert werden und so für einen breiten Anwendungsbereich zugänglich gemacht werden. Je geringer der Kohlenstoffanteil, desto stärker lässt sich der Stahl verformen, wohingegen mit zunehmendem Kohlenstoffanteil der Stahl fester, aber auch spröder wird. Durch einen zu hohen Kohlenstoffanteil im Stahl könnte dieser beispielsweise brechen. Es ist dementsprechend notwendig, einen Werkstoff zu verwenden, der aufgrund seines Kohlenstoffanteils weder zu weich noch zu spröde ist. Ein härtbarer Stahl sollte mindestens 0,2% Kohlenstoff enthalten. Bevorzugt hat der Sinterstahl dementsprechend einen Kohlenstoffanteil zwischen 0,2 und 1,0 Gew.-%. In diesem Bereich lässt der Stahl sich härten und läuft dennoch nicht Gefahr zu reißen oder brüchig zu werden.
Durch das Härten des Sinterstahls ergibt sich eine Erhöhung seiner mechanischen Widerstandsfähigkeit durch gezielte Änderung und Umwandlung seines Gefüges. Das Härten kann beispielsweise durch Wärmebehandlung mit anschließendem schnellem Abkühlen erfolgen. Hierbei unterschiedet man verschiedenen Härtungsverfahren, wie beispielsweise das Umwandlungshärtung, die Ausscheidungshärtung oder auch die Kaltverfestigung, die jeweils in Abhängigkeit des vorliegenden Bauteils und des gewünschten Ergebnissee angewendet werden können.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung liegt der Kohlenstoffanteil zwischen 0,4 und 0,8 Gew.-%. Bei einem solchen Wert ist das Verhältnis zwischen benötigter Harte und Bruchsicherheit besonders günstig. Insbesondere ist es hierbei gewünscht, dass die Festigkeit der Stator-Deckel-Einheit und speziell die Härte des Verriegelungsdeckels an der Funktionsfläche, also im Bereich der Kulisse, gegeben ist, um die für die Verrieglung nötige Stabilität gewährleisten zu können.
Bevorzugt hat der Sinterstahl eine Dichte im Bereich zwischen 6,6 g/cm³ und 7,3 g/cm³. Die Dichte ergibt sich insbesondere aus dem Kohlenstoffanteil des Sinterstahls. Je größer der Kohlenstoffanteil ist, desto höher ist auch die Dichte des Werkstoffs. Die Dichte kann zusätzlich auch durch Legierungskomponenten beeinflusst werden, die dem Werkstoff beispielsweise vor dem Sintern zugesetzt werden.
Zweckmäßigerweise enthält der Sinterstahl zusätzlich Nickel mit einem Anteil kleiner 5 Gew.-% und/oder Molybdän mit einem Anteil kleiner 1 Gew.-%, sowie einen Rest unvermeidbarer Verunreinigungen. Es ist insbesondere ein Sinterstahl der Bezeichnung Sint D11 entsprechend DIN 30910-4 des Anbieters ML Sinter Solutions Düsseldorf vorgesehen. Grundsätzlich ist jedoch jeder Sinterwerkstoff oder Sinterstahl denkbar, der den gestellten Anforderungen entspricht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Stator eine Anzahl sich radial nach innen erstreckenden Stegen auf, von denen wenigstens ein Steg mit einer Flügelanschlagsfläche ausgebildet ist. Durch die Stege sind innerhalb des Stators Druckkammern gebildet, in denen sich die Flügel eines Rotors im eingebauten Zustand positioniert sind. Wenigstens ein Steg weist hierbei eine Flügelanschlagsfläche auf, an der die Flügel anschlagen, so dass der Rotor bzw. sein Flügel gestoppt wird und so die Position der Nockenwelle festgelegt ist. Insgesamt können einer oder mehrere Stege mit Flügelanschlagsflächen ausgebildet sein. Die weiteren Stege des Stators, deren Wände nicht als Flügelanschlagsflächen ausgebildet sind, dienen dann hauptsächlich der Begrenzung der Kammern, bzw. der Druckkammern.
Vorteilhafterweise weist der Verriegelungsdeckel im Bereich der Stege abgesenkte Vertiefungen auf, die sich jeweils als ein Ringabschnitt in Umfangsrichtung von einem Steg weg erstrecken. Die Vertiefungen sind gegenüber dem sonstigen Niveau des Verriegelungsdeckels abgesenkt und insbesondere direkt an der Kontaktstelle zwischen dem Steg und dem Verriegelungsdeckel ausgebildet. Durch die Vertiefungen kann bei der Herstellung an diesen Stellen entstandener Materialüberstand, wie beispielsweise Radien, verbleiben, da sich nur in den abgesenkten Vertiefungen des Verriegelungsdeckels befindet und somit keinerlei störende Wirkung für die Funktion des Nockenwellenverstellers hat. Eine Nachbearbeitung der Vertiefungen ist nicht mehr notwendig. Die Vertiefungen können kostenneutral am Sinterbauteil dadurch ausgebildet werden, dass diese bereits im Formgebungswerkzeug berücksichtigt werden.
Bevorzugt erstreckt sich der jeweilige Ringabschnitt vom Steg weg in Umfangsrichtung maximal bis zur Breite eines Rotorflügels. Hierdurch kann im eingebauten Zustand eines Rotors insbesondere ein Kurzschluss zwischen den Druckkammern jeweils rechts und links von einem Flügel verhindert werden. Bei den so gewählten Abmessungen kann kein Öl von einer Druckkammer über den Flügel hinweg in eine zweite fließen und es ist somit zu jedem Zeitpunkt die Funktion des Nockenwellenverstellers sicher gewährleistet.
Um die Funktionsfähigkeit des Nockenwellenverstellers zu gewährleisten, haben die Vertiefungen in radialer Richtung im Wesentlichen die gleiche radiale Länge wie die Stege. Durch diese Ausgestaltung kann ein Rotorflügel, der in radialer Richtung bis an die Innenwandung des Stators bzw. der Stator-Deckel-Einheit reicht, an jeder Stelle, ungeachtet eines möglichen Materialüberstands, seine Bewegung ausführen.
Durch die Ausbildungen der Vertiefungen nur im Bereich der Stege bzw. insbesondere im Bereich der Flügelanschlagsflächen bleibt eine ausreichende Stabilität der Stator-Deckel-Einheit gewährleistet. Insbesondere im sich radial nach innen den Stegen anschließenden Teil des Verriegelungsdeckels, der im eingebauten Zustand der Stator-Deckel-Einheit eine Nockenwelle umschließt, wird die Materialdicke den Anforderungen entsprechend beibehalten.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung gehen die Stege, insbesondere die Flügelanschlagsflächen, jeweils über Radien in die Vertiefungen über. Mit anderen Worten werden die Radien bewusst beibehalten. Diese Radien befinden sich, wie bereits erwähnt, innerhalb der Vertiefungen und ragen nicht über das Niveau des Verriegelungsdeckels hinaus. Dementsprechend haben sie keinerlei nachteilige Auswirkungen auf die Funktion der Stator-Deckel-Einheit und es kann ein reibungsloser Betrieb eines Nockenwellenverstellers gewährleistet werden. Durch die Radien und deren festigende Wirkung kann die Stabilität und damit die Dauerhaltbarkeit einer Stator-Deckel-Einheit effektiv erhöht werden.
Bevorzugt erstreckt sich die der Kulisse benachbarte Vertiefung sich bis in diese hinein. Diese Ausgestaltung dient insbesondere der hydraulischen Entriegelung eines Kolbens. Da bereits Vertiefungen im Verriegelungsdeckel vorhanden sind, können diese für eine Beaufschlagung des durch die Kulisse gebildeten Druckraums mit Öl verwendet werden. Beim Start des Verbrennungsmotors wird im Druckraum Druck aufgebaut. Der Kolben, der die Stator-Deckel-Einheit im verriegelten Zustand an dem Flügel des Rotors festhält, wird hochgedrückt. Die Verbindung zwischen Stator und Rotor ist gelöst. Um die Kulisse mit Öl zu befüllen wird somit bereits ein Teil der Vertiefung genutzt. Somit entfällt ein zusätzlicher Bearbeitungsschritt, wie das nachträgliche Einbringen einer separaten Nut, und es können zusätzliche Kosten eingespart werden.
Die zweite Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Nockenwellenversteller mit der Merkmalskombination gemäß Anspruch 14.
Demnach umfasst der Nockenwellenversteller eine Stator-Deckel-Einheit entsprechend den vorgenannten Ausgestaltungen, in welcher ein Rotor mit einer Anzahl sich radial nach außen erstreckender Rotorflügel positioniert ist.
Der Rotor ist bei einem Nockenwellenversteller in der Stator-Deckel-Einheit angebracht. Der Rotor ist drehfest mit der Nockenwelle verbunden und wird über die Bewegung des Stators gedreht. Die sich radial nach außen erstreckenden Rotorflügel befinden sich im eingebauten Zustand zwischen den Kammern, die durch die sich radial nach innen erstreckenden Stege des Stators begrenzt werden. Die Kammern werden durch die Rotorflügel in zwei Druckkammern unterteilt. Der Rotor weist insbesondere Ölkanäle in seinem Grundkörper auf, durch die Öl zum hydraulischen Betrieb des Nockenwellenverstellers in die Druckkammern der Stator-Deckel-Einheit gepumpt werden können. Durch das Verdrehen des Rotors gegenüber dem Stator kann die Phasenlage der Nockenwelle bzw. der Nocken und damit die Öffnungszeiten der Ventile in einem Motor gesteuert werden. Der mögliche Verdrehwinkel des Rotors ist insbesondere abhängig von der Größe der Druckkammer ebenso wie von der Breite der Flügel, bzw. vom Verhältnis der beiden zueinander.
Bevorzugt entspricht die Breite eines Rotorflügels mindestens der Größe einer Vertiefung in Umfangsrichtung. Hierdurch kann kein Öl unerwünscht über die Vertiefungen von einer Druckkammer in eine zweite Druckkammer gelangen und so zum Kurzschluss zwischen den Druckkammern führen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen, wobei die für die Stator-Deckel-Einheit genannten Vorteile sinngemäß auf den Nockenwellenversteller übertragen werden können.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine Stator-Deckel-Einheit in einer Aufsicht,
2 die Stator-Deckel-Einheit gemäß 1 in einer dreidimensionalen Darstellung,
3 einen Nockenwellenversteller mit einer Stator-Deckel-Einheit gemäß den 1 und 2 und einem eingebauten Rotor in einer Aufsicht,
Gleiche Komponenten in den einzelnen Ausführungsbeispielen erhalten nachfolgend dieselben Bezugszeichen.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt eine Stator-Deckel-Einheit 1 mit einem Stator 3 und einem Verriegelungsdeckel 5 in einer Aufsicht. Die Stator-Deckel-Einheit 1, die auch als ein sogenannter Statortopf bezeichnet wird, ist einteilig mittels eines Sinterverfahrens gefertigt. Hierdurch wird neben einer einfachen Herstellung die Dichtigkeit der Stator-Deckel-Einheit 1 gewährleistet und die Fehlertoleranzen verringert. Eine Nachbearbeitung ist ebenfalls nicht mehr oder nur in geringem Umfang nötig. Die Stator-Deckel-Einheit 1 kann drehfest mit einem von einer Kurbelwelle angetriebenen Antriebsrad verbunden sein, was in 1 nicht gezeigt ist.
Die Stator-Deckel-Einheit 1 ist als ein Bauteil durch Sintern ist aus einem Sinterstahl Sint D11 gefertigt. Der Sinterstahl hat einen Kohlenstoffanteil von 0,6 Gew.-% und eine Dichte von 6,8 g/cm³. Die Stator-Deckel-Einheit 1 ist im Bereich der Kulisse 17 durch eine Temperaturbehandlung lokal gehärtet und hat dort eine Vickers-Härte von 500 HV5. Die Stator-Deckel-Einheit 1 bzw. der Werkstoff im Bereich der Kulisse 17 läuft weder Gefahr bei Belastung zu reißen noch sich zu verformen.
Der Stator 3 bildet vier Kammern 7, die durch sich radial nach innen erstreckenden Stegen 9 voneinander getrennt sind. Zwei der Stege 9 des Stators 3 bzw. die jeweiligen Stegwände sind als Flügelanschlagsflächen 11 ausgebildet. An den Flügelanschlagsflächen 11 können die Flügel eines in 1 nicht gezeigten Rotors anschlagen und somit die Position einer Nockenwelle bestimmen.
Im Verriegelungsdeckel 5 sind bereits bei der Herstellung der Stator-Deckel-Einheit 1 im Bereich der Stege 9 Vertiefungen 15 eingebracht. Die Vertiefungen 15 sind jeweils in Form eines Ringabschnitts 16 ausgebildet. Sie erstrecken sich jeweils in Umfangsrichtung von den Stegen 9 weg.
In den Vertiefungen 15 können bei der Herstellung entstehende Radien, die in 1 nicht zu sehen sind, vorhanden sein, ohne dass die Funktionsfähigkeit der Stator-Deckel-Einheit 1 behindert oder eingeschränkt ist. Die Radien ragen nicht über das Niveau des Verriegelungsdeckels 5 hinaus, sodass sie die Bewegung eines Rotorflügels nicht stören. Aus diesem Grund können bei der Herstellung entstandene Radien in den Vertiefungen 15 verbleiben, wodurch neben der Verringerung von Herstellungskosten und Aufwand die Stabilität und Dauerhaltbarkeit der Stator-Deckel-Einheit 1 erhöht wird.
Die Stator-Deckel-Einheit 1 weist eine Kulisse 17 in Form einer runden Ausnehmung 19 auf. Die Ausnehmung 19 ist benachbart zu einer Vertiefung 15 eingebracht. In die Ausnehmung 19 kann ein in 1 nicht gezeigter Kolben eingreifen, der der drehfesten Verriegelung des Stators 3 mit einem Rotor dient. Der Rotor ist vorliegend nicht zu sehen, kann jedoch der 3 entnommen werden.
Von der Ausnehmung 19 führt eine Nut 21 bis hin zur Vertiefung 15. Die Nut 21 ist als Teil der Vertiefung 15 ausgebildet und ebenfalls bereits im Rahmen der Fertigung der Stator-Deckel-Einheit 1 eingebracht. Über diese Nut 21 kann Öl aus der Vertiefung 15 bis unterhalb des Kolbens gedrückt werden. Die Nut 21 dient somit der Versorgung der Kulisse 17 mit Öl, um ein Anheben des Kolbens und somit eine hydraulische Entriegelung des Rotors zu ermöglichen.
In 2 ist die Stator-Deckel-Einheit 1 gemäß 1 in einer dreidimensionalen Darstellung mit dem Stator 3 und dem Verriegelungsdeckel 5 zu sehen. Deutlich sind nun die Vertiefungen 15 zu erkennen, die sich im Verriegelungsdeckel 5 befinden. Die Ausbildung der Vertiefungen 15 als Ringabschnitte, die sich in Umfangsrichtung von den Stegen 9 weg erstrecken, ist deutlich erkennbar. Die Vertiefungen 15 sind an den Kontaktstellen zwischen den Stegen 9 und dem Verriegelungsdeckel 5 eingebracht und haben in radialer Richtung die gleiche Länge wie die Stege 9. Dies gewährleistet, dass ein Rotorflügel, der in radialer Richtung bis an die Innenwandung der Stator-Deckel-Einheit 1 reicht, an keiner Stelle durch einen Materialüberstand in seiner Bewegung gehindert wird. Eventuell während des Herstellungsprozesses verbleibende Radien verbleiben störungsfrei in den Vertiefungen 15 und stabilisieren die Stator-Deckel-Einheit 1 zusätzlich.
3 zeigt einen Nockenwellenversteller 31 mit einer Stator-Deckel-Einheit 1 gemäß den 1 und 2. In der Stator-Deckeleinheit 1 ist ein Rotor 33 mit vier Flügeln 35 eingesetzt. Die Flügel 35 des Rotors 33 befinden sich jeweils in einer Kammer 7. Diese wird von den Flügeln 35 in jeweils zwei einzelne Druckkammern 37, 39 oder Hydraulikbereiche getrennt, die sich dann jeweils rechts bzw. links von dem Flügel 35 befinden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Druckkammern 7 nur in der Kammer 7 eingezeichnet, in der an den Stegen 9 auch die Flügelanschlagsflächen 11 ausgebildet sind. Der Rotor 33 hat Ölkanäle zum Beaufschlagen der Druckkammern 37, 39 mit Öl, wobei diese Kanäle nicht zu erkennen sind, da sie sich im Inneren des Körpers des Rotors 33 befinden.
Die Stege 9, bzw. die Stegwände des Stators 3 erlauben einen begrenzten Drehwinkel des Rotors 33. Die Flügel 35 des Rotors 33 werden in einer bestimmten Position durch einen Anschlag an der als Flügelanschlagsfläche 11 ausgebildeten Stegwand gestoppt. In 3 sind zwei Stege 9 mit jeweils einer Flügelanschlagsfläche 11 ausgebildet. Beide Flügelanschlagsflächen befinden sich innerhalb einer Kammer 7, so dass der Rotorflügel 35 an beiden Seiten der Kammer 7 anschlagen kann.
Die Flügel 35 sind in Umfangsrichtung breiter ausgestaltet als die Vertiefung 15. Durch diese Dimensionierung wird verhindert, dass zwischen den Hydraulikbereichen 37, 39, also den voneinander getrennten Bereichen einer Kammer 7, ein Austausch von Öl stattfindet. Durch einen solchen sogenannten Kurzschluss könnte eine korrekte Funktion des Nockenwellenverstellers 31 nicht gewährleistet werden.
In einem Flügel 35 des Rotors 33 ist ein Loch 41 eingebracht. Ein in 3 nicht gezeigter Kolben greift in einer Verriegelungsposition durch das Loch 41 in die Kulisse 17 im Verriegelungsdeckel 5. So kann der Rotor 33 in einer vorgesehenen Position gehalten werden.
Zur Entriegelung wird beim Start des Verbrennungsmotors über die Nut 21 in der Kulisse 17 Druck aufgebaut. Dadurch wird der Kolben, der die Stator-Deckel-Einheit 1 im verriegelten Zustand an dem Flügel 35 des Rotors 33 festhält, angehoben und der Rotor 33 kann sich in einen bestimmten Verstellwinkel bewegen.
Bezugszeichenliste

1: Stator-Deckel-Einheit
3: Stator
5: Verriegelungsdeckel
7: Kammer
9: Steg
11: Flügelanschlagsfläche
15: Vertiefung
16: Ringabschnitt
17: Kulisse
19: Ausnehmung
21: Nut
31: Nockenwellenversteller
33: Rotor
35: Flügel
37: Druckkammer
39: Druckkammer
41: Loch

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6311654 B1 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 30910-4 [0026]

Claims

Stator-Deckel-Einheit (1) für einen Nockenwellenversteller (31), die einteilig aus einem Sinterwerkstoff gefertigt ist, umfassend einen Stator (3) und einen Verriegelungsdeckel (5), der eine Kulisse (17) zur drehfesten Verriegelung eines Rotors (33) aufweist, wobei der Sinterwerkstoff zumindest im Bereich der Kulisse (17) eine Vickers-Härte zwischen 400 HV und 850 HV aufweist.
Stator-Deckel-Einheit (1) nach Anspruch 1, wobei der Sinterwerkstoff ein Sinterstahl ist, der zumindest im Bereich der Kulisse (17) gehärtet ist.
Stator-Deckel-Einheit (1) nach Anspruch 2, wobei der Sinterstahl einen Kohlenstoffanteil zwischen 0,2 Gew.-% und 1,0 Gew.-% hat.
Stator-Deckel-Einheit (1) nach Anspruch 3, wobei der Kohlenstoffanteil zwischen 0,4 Gew.-% und 0,8 Gew.-% liegt.
Stator-Deckel-Einheit (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Sinterstahl einen Kupferanteil zwischen 1 Gew.-% und 5 Gew.-% umfasst.
Stator-Deckel-Einheit (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei der Sinterstahl eine Dichte im Bereich zwischen 6,6 g/cm³ und 7,3 g/cm³ hat.
Stator-Deckel-Einheit (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei der Sinterstahl zusätzlich Nickel mit einem Anteil kleiner 5 Gew.-% und/oder Molybdän mit einem Anteil kleiner 1 Gew.-% enthält.
Stator-Deckel-Einheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stator (3) eine Anzahl von sich radial nach innen erstreckenden Stegen (9) aufweist, von denen wenigstens ein Steg (9) mit einer Flügelanschlagsfläche (11) ausgebildet ist.
Stator-Deckel-Einheit (1) nach Anspruch 8, wobei der Verriegelungsdeckel (5) im Bereich der Stege (9) abgesenkte Vertiefungen (15) aufweist, die sich jeweils als ein Ringabschnitt (16) in Umfangsrichtung von einem Steg (9) weg erstrecken.
Stator-Deckel-Einheit (1) nach Anspruch 9, wobei sich der jeweilige Ringabschnitt (16) vom Steg (9) weg in Umfangsrichtung maximal bis zur Breite eines Rotorflügels (35) erstreckt.
Stator-Deckel-Einheit (1) nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Vertiefungen (15) in radialer Richtung im Wesentlichen die gleiche radiale Länge wie die Stege (9) haben.
Stator-Deckel-Einheit (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Stege (9) jeweils über Radien in die Vertiefungen (15) übergehen.
Stator-Deckel-Einheit (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die der Kulisse (17) benachbarte Vertiefung (15) sich bis in die Kulisse (17) hinein erstreckt.
Nockenwellenversteller (31) mit einer Stator-Deckel-Einheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, in welcher ein Rotor (33) mit einer Anzahl von sich radial nach außen erstreckenden Rotorflügeln (35) positioniert ist.
Nockenwellenversteller (1) nach Anspruch 14, wobei die Breite eines Rotorflügels (35) mindestens der Breite einer Vertiefung (15) in Umfangsrichtung entspricht.