DE102016216817A1

DE102016216817A1 - Kugelgestrahlter elektrischer Nockenwellenversteller

Info

Publication number: DE102016216817A1
Application number: DE102016216817.7A
Authority: DE
Inventors: Resat Aras
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2016-09-06
Filing date: 2016-09-06
Publication date: 2018-03-08

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Nockenwellenversteller für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit einer Außenhülse (1), die mit Wälzkörpern eines Wälzlagers in Kontakt steht und mit einem mit einer Kragenhülse (2) in Zahneingriff stehenden, flexiblen Ring (3), wobei durch eine gezielte Kugelstrahlverfestigung an wenigstens einem der Bauteile der Gruppe aus Außenhülse (1), Kragenhülse (2) und Ring (3) eine Zugspannungsreduktion bewirkt ist. Weiterhin ist die Erfindung auf ein Verfahren zum Verfestigen eines erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers gerichtet.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Nockenwellenversteller für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit einer Außenhülse, die mit Wälzkörpern eines Wälzlagers in Kontakt steht und mit einem mit einer Kragenhülse in Zahneingriff stehenden, flexiblen/reversibel deformierbaren Ring. Ferner betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Verfestigen von Bauteilen des elektrischen Nockenwellenverstellers.
Gattungsgemäße Nockenwellenversteller sind aus dem Stand der Technik bekannt. So offenbart die DE 10 2004 009 128 A1 einen elektrischen Nockenwellenversteller zur Verstellung und Fixierung einer Phasenlage einer Nockenwelle eines Verbrennungsmotors gegenüber dessen Kurbelwelle. Jener Nockenwellenversteller weist ein drehfest mit der Kurbelwelle verbundenes Antriebsrad, ein nockenwellenfestes Abtriebsteil und ein Wellgetriebe mit mindestens einer Hohlrad-Stirnradpaarung auf. Das Stirnrad ist als biegeelastische Hülse ausgeführt und zumindest teilweise innerhalb des ersten Hohlrades angeordnet. Ein Wellgenerator, der Mittel zur elliptischen Verformung der biegeelastischen Hülse besitzt, verformt die Hülse derart, dass zwischen dem Hohlrad und der Hülse an zwei gegenüberliegenden Stellen der Hülse eine drehmomentübertragende Verbindung hergestellt ist.
Ebenso dem Stand der Technik zugehörig ist die Vorrichtung, die aus der DE 10 2008 058 111 A1 bekannt ist. Ein darin offenbarter elektrischer Nockenwellenversteller weist ein mit einer Kurbelwelle getrieblich verbundenes Zahnrad auf, das gegenüber einer Nockenwelle im Drehwinkel mittels Nutzung von wechselnden Momenten verstellbar ist. Jenes wechselnde Moment zwischen dem Zahnrad und der Nockenwelle ist zumindest teilweise reibschlüssig mittels elektromagnetisch in axialer Richtung kraftbeaufschlagbarer Bremskeile zeitweise übertragbar.
Ein weiterer elektrischer Nockenwellenversteller mit einem Scheibenläufermotor ist aus der DE 10 2004 014 865 A1 bekannt. Dieser ist mittels eines elektrischen Verstellmotors angetrieben, der einen Scheibenläufer als Stator aufweist. Der Scheibenläufer ist als bürstenloser Gleichstrommotor ausgebildet.
Nachteilig an dem Stand der Technik ist, dass an der Außenhülse des Nockenwellenverstellers in lokalen Bereichen, sogenannten Hotspots, hohe Zugspannungen auftreten. Solche Hotspots entstehen maßgeblich durch Ovalisierung der Außenhülse und treten vorwiegend an Stellen auf, an denen die Wälzkörper in Kontakt mit der Außenhülse stehen, weil daraus, aufgrund der Kugeleindrückung, eine zusätzliche Belastung der Hotspots erfolgt. Das bedeutet, solche Hotspots sind zum einen geometrisch bedingt und zum anderen auch lastbedingt. Ebenso treten an dem flexiblen Ring sowie der Kragenhülse vergleichbare Spannungsspitzen, also Hotspots, auf, die zu einem großen Teil aus einer Ovalisierung des Rings und einer Zahnfußbiegung resultieren.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu beheben oder zumindest zu mildern und insbesondere einen Nockenwellenversteller zu offenbaren, der derart ausgestaltet ist, dass er das Zustandekommen einer kritischen Zugspannungsbelastung bei zweckgemäßer Verwendung unterbindet.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass durch eine gezielte Kugelstrahlverfestigung an wenigstens einem der Bauteile der Gruppe aus Außenhülse, Kragenhülse und Ring eine Zugspannungsreduktion bewirkt ist. Die gezielt durchgeführte Kugelstrahlverfestigung führt zu einer Zunahme der Druckeigenspannungen in dem jeweiligen Bauteil, wodurch die Zugbeanspruchbarkeit steigt. Somit ist der erfindungsgemäße elektrische Nockenwellenversteller zum einen mechanisch höher belastbar, und zum anderen auch zeitlich länger belastbar, als die aus dem Stand der Technik bekannten Nockenwellenversteller.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche und werden nachfolgend näher erläutert.
So ist es vorteilhaft, wenn die Kugelstrahlverfestigung an vorausgewählten Bereichen der meisten oder aller Bauteile der Gruppe durchgeführt ist. Somit ist es möglich, den elektrischen Nockenwellenversteller vor der Kugelstrahlbehandlung ohne eine Zentrierung beziehungsweise Ausrichtung der Kugelstrahlung zuzuführen, was eine einfache Bearbeitung nach sich zieht.
Ebenso Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Verfestigen von Bauteilen eines elektrischen Nockenwellenverstellers. Bei diesem werden zumindest vorausgewählte Bereiche der Bauteile der Gruppe oder auch die gesamten Bauteile der Gruppe kugelgestrahlt. Durch die Bestrahlung mit kugelförmigem Strahlmittel beispielsweise über Schleuderrad-, Druckluft- oder Injektor-Strahlanlagen wird aufgrund der hohen Geschwindigkeit und/oder des hohen Drucks der Strahlkörper das Atomgitter des zu bearbeitenden Bauteils derart verformt, dass dieses Druckeigenspannungen aufweist. Diese wirken den Zugspannungen, die in einem Betriebszustand auf den elektrischen Nockenwellenversteller und die Gruppe aus Außenhülse, Kragenhülse und Ring wirken, entgegen, wodurch die Zugbelastbarkeit gesteigert wird.
Vorteilhafterweise werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Zugspannungen um den Wert der Druckeigenspannungen verringert. Somit lässt sich die Zunahme an Zugbelastbarkeit um genau den Wert einstellen, mit dem der elektrische Nockenwellenversteller kugelgestrahlt, also druckbelastet, wird. Das bedeutet, dass die Zugbelastbarkeit um den Wert der durch die Kugelstrahlverfestigung eingebrachten Druckeigenspannungen erhöht werden kann. Die so eingebrachten Druckeigenspannungen wirken den im Betrieb auf das jeweilige Bauteil wirkenden Zugspannungen entgegen. Somit kann, verglichen mit einem Bauteil, welches nicht kugelstrahlverfestigt/kugelgestrahlt wird, um einen bestimmten Spannungszustand in dem Bauteil zu erreichen, eine höhere (absolute) Zugbelastung auf das Bauteil aufgebracht werden. Die eingebrachten Druckeigenspannungen gleichen quasi eine gewisse Zugbelastung (die betragsmäßig dem Wert der eingebrachten Druckeigenspannungen entspricht) aus, wodurch die tatsächliche (effektive) Zugbelastung auf das Bauteil geringer ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird ein Außengewinde des Rings kugelgestrahlt. Somit wird gezielt den dort auftretenden Zuglasten entgegengewirkt, was die Lebensdauer und die Bauteilsicherheit erhöht.
In anderen Worten kann gesagt werden, dass die vorgestellte Erfindung den Nachteil der bekannten Lösungen, nämlich dass Zugspannungsspitzen an der Außenhülse bzw. dem Außenring, dem (Flex-)Ring und der Kragenhülse auftreten, behoben wird, indem die jeweiligen Bauteile vorab kugelgestrahlt werden.
Daraus folgen eine Zunahme der Betriebssicherheit sowie ein geringerer Verschleiß, was die Lebensdauer aber auch den Wirkungsgrad, insbesondere den thermischen Wirkungsgrad, aufgrund einer Reibungsabnahme steigert.
Des Weiteren wird die Lebensdauer durch eine erhöhte Dauerfestigkeit verlängert. Zusätzlich wird die Eigenfrequenz des entsprechend kugelgestrahlten Bauteils angehoben.
Dadurch, dass mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verfestigen ein Zustandekommen von Rissen verhindert wird, wird auch eine Korrosionsermüdung des entsprechenden Bauteils herabgesetzt. Mit anderen Worten treten Risse, die z.B. durch Korrosionsermüdung entstehen, bei Bauteilen mit (erhöhten) Druckeigenspannungen nicht auf. Dies steigert die Korrosionsbeständigkeit, wodurch die Bauteile zusätzlich auch unempfindlich gegen Mangelschmierung sind.
Die erfindungsgemäß kugelgestrahlten Bauteile werden vorzugsweise im Verstellgetriebe des elektrischen Nockenwellenverstellers eingesetzt.
Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass das Problem des Auftretens von Zugspannungsspitzen dadurch gelöst wird, dass die entsprechenden Bauteile mittels einer Kugelstrahlverfestigung bearbeitet werden. Die Kugelstrahlverfestigung ermöglicht hierbei, dass die (Zug-)Spannungsbeanspruchbarkeit der Bauteile zunimmt.
Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1: eine Außenhülse mit eingezeichneten Zugspannungsspitzen in einer perspektivischen Ansicht;
2: die Außenhülse aus 1 in einer weiteren perspektivischen Darstellung;
3: eine Kragenhülse mit eingezeichneten Zugspannungsspitzen in einer perspektivischen Ansicht;
4: ausschnittsweise einen Ring, der mit der Kragenhülse wirkzukoppeln ist, mit eingezeichneten Zugspannungsspitzen in einer perspektivischen Ansicht; und
5: einen vergrößerten Abschnitt aus 4.
Die Zeichnungen sind rein schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
In 1 ist eine Außenhülse 1 eines elektrischen Nockenwellenverstellers (nicht vollständig gezeigt) dargestellt. Diese wird, ebenso wie eine Kragenhülse 2 und ein flexibler Ring 3, die im Zusammenhang mit den 3 und 4 näher beschrieben werden, zumindest abschnittsweise einer Kugelstrahlung ausgesetzt, um die Zugbeanspruchbarkeit des elektrischen Nockenwellenverstellers zu erhöhen.
Die Außenhülse 1 dient in dem elektrischen Nockenwellenversteller üblicherweise als ein Lageraußenring und weist auf einer inneren Umfangsoberfläche 4 eine Kugellaufbahn 4a auf, in der Wälzkörper (nicht gezeigt), die Teil einer Lagerung eines Verstellgetriebes des Nockenwellenverstellers sind, geführt sind. In 1 sind auf der Außenhülse 1 verschieden schraffierte Bereiche abgebildet, die verschiedene Spannungsbelastungen darstellen. Ein Bereich einer Zugspannungsspitze ist mit dem Bezugszeichen 5 referenziert.
Dieser Bereich 5 tritt in Axialrichtung, also entlang der Richtung der Rotationsachse der Außenhülse 1, sowohl auf einer äußeren Umfangsoberfläche der Außenhülse 1, welche als Außenhülsenaußenseite 6 bezeichnet wird, als auch auf der inneren Umfangsoberfläche 4, welche auch als Außenhülseninnenseite 7 bezeichnet werden kann, etwa mittig auf. In dem mittigen Bereich ist ebenfalls die Kugellaufbahn 4a ausgestaltet, sodass dieser Bereich, um eine reibungsarme Lagerung zu ermöglichen, möglichst keine lokalen Zugspannungsspitzen 5, sogenannte Hotspots 5, aufweisen sollte. So ist es erfindungsgemäß möglich, den Betrag an Zugspannungen, der im Bereich der Zugspannungsspitze 5 herrscht, mittels einer Kugelstrahlbehandlung herabzusetzen.
In 2 ist eine weitere perspektivische Ansicht der Außenhülse 1 dargestellt. Der Bereich der Zugspannungsspitze 5 ist hierbei auf der Außenhülsenaußenseite 6 dargestellt, die der Außenhülseninnenseite 7 gegenüberliegt. Sowohl in 1 als auch in 2 ist zu erkennen, dass dem Bereich der Zugspannungsspitze 5 auf der Außenhülsenaußenseite 6 ein Bereich eines Zugspannungsminimums 8 auf der Außenhülseninnenseite 7 gegenüberliegt.
In 3 ist die Kragenhülse 2 in perspektivischer Ansicht dargestellt. Die Kragenhülse 2 weist einen im Wesentlichen hülsen- bzw. ringartig ausgestalteten Hülsenkörper 12 und einen an einem axialen Randbereich des Hülsenkörpers 12 umlaufenden Kragen 13 auf, welcher sich in Radialrichtung von einer Außenseite 14 des Hülsenkörpers 12 nach außen erstreckt. An dem anderen axialen Ende des Hülsenkörpers 12 weist diese auf ihrer Außenseite 14 einen umlaufenden Verzahnungsabschnitt 9 auf, der in Axialrichtung der Kragenhülse 2 gesehen eine geringere axiale Breite aufweist als der Hülsenkörper 12. Über diesen Verzahnungsabschnitt 9 steht die Kragenhülse 2 mit dem flexiblen Ring 3 (siehe 4) mittels Zahneingriff in Wirkkontakt. In dem umlaufenden Kragen 13 weist die Kragenhülse 2 Perforationen auf. Diese sind als Langlöcher 10 und/oder als runde Durchgangsöffnungen 11 ausgestaltet.
Auch in 3 sind verschiedene Bereiche entsprechend der dort herrschenden (Zug-)Belastung auf der Kragenhülse 2 abgebildet. Insbesondere sind die Bereiche mit Zugspannungsspitzen 5 hervorgehoben. Es ist zu erkennen, dass besonders im Bereich der Perforationen 10, 11 Zugspannungsspitzen bzw. Hotspots 5 auftreten, deren Betrag über die Kugelstrahlbehandlung erfindungsgemäß gesenkt wird.
Der flexible Ring 3 ist in 4 ausschnittsweise näher dargestellt. Der Ring 3 weist einen vorzugsweise umlaufenden und sich vorzugsweise über seine gesamte axiale Breite erstreckenden Verzahnungsabschnitt 15 auf, in dem ebenfalls Hotspots 5 auftreten. Diese sind in 5 vergrößert dargestellt. In 4 ist zu erkennen, dass die Hotspots 5 auch am flexiblen Ring 3 in Axialrichtung gesehen bezogen auf die Breite des Rings 3 mittig auftreten.
Der vergrößerte Bereich in 5 verdeutlicht den Bereich einer lokalen Spannungsspitze 5. Aufgrund der Kerbwirkung tritt dieser Spannungsspitzenbereich bzw. Hotspot 5 zwischen zwei Zähnen 16 bzw. im sogenannten Zahnfußbereich 17 bzw. in der sogenannten Verzahnungssenke 18 auf. Dieser Hotspot 5 wird erfindungsgemäß durch die Kugelstrahlbehandlung sowohl in seiner Größe, als auch in seinem Betrag verringert.
Bezugszeichenliste

1: Außenhülse
2: Kragenhülse
3: Ring
4: innere Umfangsoberfläche
4a: Kugellaufbahn
5: Zugspannungsspitze/Hotspot
6: Außenhülsenaußenseite
7: Außenhülseninnenseite
8: Zugspannungsminimum
9: Verzahnungsabschnitt
10: Langloch
11: Durchgangsöffnung
12: Hülsenkörper
13: Kragen
14: Außenseite
15: Verzahnungsabschnitt
16: Zahn
17: Zahnfußbereich
18: Verzahnungssenke

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004009128 A1 [0002]
DE 102008058111 A1 [0003]
DE 102004014865 A1 [0004]

Claims

Elektrischer Nockenwellenversteller für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit einer Außenhülse (1), die mit Wälzkörpern eines Wälzlagers in Kontakt steht und mit einem mit einer Kragenhülse (2) in Zahneingriff stehenden, flexiblen Ring (3), dadurch gekennzeichnet, dass durch eine gezielte Kugelstrahlverfestigung an wenigstens einem der Bauteile der Gruppe aus Außenhülse (1), Kragenhülse (2) und Ring (3) eine Zugspannungsreduktion bewirkt ist.
Elektrischer Nockenwellenversteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelstrahlverfestigung an vorausgewählten Bereichen der meisten oder aller Bauteile (1; 2; 3) der Gruppe durchgeführt ist.
Verfahren zum Verfestigen von Bauteilen eines elektrischen Nockenwellenverstellers nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest vorausgewählte Bereiche der Bauteile (1; 2; 3) der Gruppe kugelgestrahlt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugspannungen um den Wert der Druckeigenspannungen verringert werden.