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Die
Erfindung betrifft eine Verstelleinrichtung zum Verstellen einer
Phasenlage zwischen einem Antriebsmittel und einem nicht drehfest
mit dem Antriebsmittel verbundenen Abtriebsmittel nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Ein
bekanntes Einsatzgebiet einer solchen Verstelleinrichtung ist die
Nockenwellenverstellung bei einer Brennkraftmaschine. Üblicherweise
ist hierfür
eine hydraulische Nockenwellenverstelleinrichtung zur Veränderung
der Phasenlage der Nockenwelle gegenüber der Phasenlage einer Kurbelwelle der
Brennkraftmaschine vorgesehen. Diese besteht aus einem zwischen
einem Kettenrad der Nockenwelle und der Nockenwelle selbst angeordneten
hydraulischen Stellmittel und einem mittels eines Elektromagneten
betätigbaren
Hydraulikventil, welches dem Stellmittel Hydraulikmittel aus dem
Hydraulikmittelkreislauf der Brennkraftmaschine zuführt. Bei Ausfall
von Ansteuerung und Sensorik oder bei Unterschreitung des zum Betrieb
der Nockenwellenverstelleinrichtung erforderlichen Hydraulikmitteldrucks muss
die Nockenwellenverstelleinrichtung durch drehfeste Verbindung von
Nockenwelle und Kettenrad verriegelt werden. Hierfür weist
die Einrichtung ein Verriegelungselement auf. In der Regel wird
das Verriegelungselement hydraulisch beaufschlagt. Die Entriegelung
erfordert jedoch einen bestimmten Hydraulikmitteldruck, der z.B.
unmittelbar nach dem Start oder im Heißleerlauf nicht vorhanden ist.
Außerdem
kann nur verriegelt werden, wenn dieser bestimmte Hydraulikmitteldruck
unterschritten wird, beispielsweise nach Motorstopp.
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Aus
der
US 6,883,479 B2 ist
eine gattungsgemäße Verstelleinrichtung
zur Nockenwellenverstellung bekannt, die das Problem damit löst, dass sowohl
das Verriegelungselement als auch das Hydraulikventil elektromagnetisch
beaufschlagt werden. Hierbei steuern zwei separate Spulen das Verriegelungselement
und das Hydraulikventil an. Zwar lässt sich hier die Verriegelung
unabhängig
vom Hydraulikventil steuern, jedoch bedarf dies einer bauraumintensiven,
aufwändigen
Konstruktion und der Ansteuerung durch zwei separate Endstufen.
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Zum
allgemeinen technischen Hintergrund wird noch auf die
DE 196 40 943 A1 verwiesen.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, eine Verstelleinrichtung zu schaffen,
die bei geringem Bauraumbedarf und Konstruktionsaufwand in beliebigen Betriebszuständen der
Brennkraftmaschine verriegel- und entriegelbar ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gegebenen Merkmale gelöst.
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Eine
hydraulische Nockenwellenverstelleinrichtung weist ein hydraulisches
Stellmittel, ein Verriegelungselement zur Kopplung eines Kettenrads der
Nockenwelle und der Nockenwelle selbst sowie ein das Stellmittel
Druck beaufschlagendes Hydraulikventil auf, wobei dieses durch einen
Elektromagneten betätigt
wird. Erfindungsgemäß bewegt
der Elektromagnet mit einer Spule zwei Anker. Ein erster Anker betätigt das
Verriegelungselement und ein zweiter Anker betätigt das Hydraulikventil. Durch
Kennlinienbeeinflussung und den Einsatz von Federelementen bzw.
Rückstellfedern
ist es möglich,
je nach Stromniveau die Anker in einer vorgegebenen Sequenz/Reihenfolge
zu bewegen.
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Im
stromlosen Zustand werden beide Anker von den Rückstellfedern in jeweils eine
erste Endposition bewegt und die Nockenwellenverstelleinrichtung
wird dabei verriegelt. Bei Bestromung wird in vorteilhafter Weise
zuerst der Anker, der das Verriegelungselement betätigt, bis
zu einer zweiten Endposition bewegt, dabei wird die Verriegelung
gelöst. Dieser
Magnetkreis kann für
einen kleinen Hub und ein hohes Kraftniveau ausgelegt sein. Danach
wird im entriegelten Zustand das Hydraulikventil betätigt und
damit die Phasenlage der Nockenwelle eingestellt. Dieser Magnetkreis
kann für
einen größeren Hub
und ein niedrigeres Kraftniveau ausgelegt sein.
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Denkbar
sind auch Ausführungen,
die so gestaltet sind, dass bei Bestromung der das Hydraulikventil
betätigende
Anker zuerst einen kleinen Teilhub ausführt, um das Hydraulikventil
in eine andere Stellung zu bringen. Danach führt der das Verriegelungselement
betätigende
Anker seinen gesamten Hub bis zu seiner zweiten Endposition aus
und entriegelt die Nockenwellenverstelleinrichtung. Anschließend führt der
das Hydraulikventil betätigende
Anker die zur Einstellung der Phasenlage der Nockenwelle notwendigen
Hübe durch.
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Das
Ausführen
der Teilbewegungen bzw. Hübe
der Anker nacheinander kann durch das Stromniveau bzw. durch das
Schließen
oder Öffnen
von Flusspfaden erreicht werden.
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Ein
wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, dass trotz hydraulikmittelunabhängiger Ansteuerung
von Verriegelung und Hydraulikventil nur ein geringer Bauraumbedarf
und Konstruktionsaufwand vorliegt. Erfindungsgemäß ist ein Elektromagnet mit
nur einer Spule zur Betätigung
zweier Anker vorgesehen, wodurch nur eine Endstufe, ein Kabelsatz
und eine Kontaktierung benötigt
werden. Die geringere Bauteilzahl führt zu reduzierten Kosten und zu
einer geringeren Fehleranfälligkeit.
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Vorteilhafterweise
liegt die hydraulikmittelunabhängige
Ansteuerung der Verriegelung vor, so dass beispielsweise ein Entriegeln
der Verstelleinrichtung schon direkt nach dem Start des Motors oder ein
gezieltes Verriegeln bei Motorstopp noch bei hohem Hydraulikmitteldruck
möglich
ist.
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Vorteilhafterweise
können
die beiden Anker mit derselben Spule auf einem unterschiedlich hohen Kraftniveau
betätigt
werden. Beispielsweise können die
Betätigung
des Verriegelungselementes auf einem hohen Kraftniveau und die Betätigung des
Hydraulikventils auf einem niedrigen Kraftniveau erfolgen.
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Weitere
Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus den übrigen Unteransprüchen und
der Beschreibung hervor.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von drei Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Die Zeichnungen,
die Beschreibung und die Ansprüche enthalten
zahlreiche Merkmale in Kombination, die der Fachmann zweckmäßigerweise
auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen
wird.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
Explosionsdarstellung einer bekannten Nockenwellenverstelleinrichtung
mit einem hydraulischen Stellmittel, einem Verriegelungselement
und einem mittels eines Elektromagneten betätigbaren Hydraulikventils,
welches das Stellmittel druckbeaufschlagt, und
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2 eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Elektromagneten in einer
ersten Ausführungsform
mit einem ersten Anker zur Betätigung
des Verriegelungselementes und einem zweiten Anker zur Betätigung des
Hydraulikventils, welche jeweils von einem Federelement beaufschlagbar sind,
wobei der Elektromagnet unbestromt ist, und
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3 der
Elektromagnet aus 2, wobei der Elektromagnt bestromt
ist, wodurch der erste Anker in eine erste Endposition bewegt und
hierdurch die Verstelleinrichtung entriegelt ist, und
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4 eine
schematische Darstellung eines Elektromagneten in einer zweiten
Ausführungsform mit
einem Flussleitstück,
wobei der Elektromagnet unbestromt ist, und
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5 der
Elektromagnet aus 4, wobei der Elektromagnet bestromt
ist, wodurch der erste Anker in eine erste Endposition bewegt und
hierdurch die Verstelleinrichtung entriegelt ist, und
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6 die
schematische Darstellung eines Elektromagneten in einer dritten
Ausführungsform, wobei
der Elektromagnet unbestromt und dadurch die Verstelleinrichtung
verriegelt ist, und
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7 der
Elektromagnet aus 6, wobei der Elektromagnet bestromt
ist, wodurch der erste Anker in eine erste Endposition bewegt und
hierdurch die Verstelleinrichtung entriegelt ist.
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Gleiche
Bauteile in den Figuren sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Ferner wird für gleiche
Bauteile in einer Figur exemplarisch nur jeweils ein Element gekennzeichnet.
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Die
Erfindung betrifft eine Verstelleinrichtung zum Verstellen einer
Phasenlage zwischen einem Antriebsmittel und einem nicht drehfest
mit dem Antriebsmittel verbundenen Abtriebsmittel. Die Verstelleinrichtung
besitzt ein Stellmittel, ein Verriegelungselement zur Verriegelung
des Antriebsmittels mit dem Antriebsmittel und ein Steuerelement,
welches durch einen Elektromagneten betätigbar ist und das Stellmittel
steuert.
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1 zeigt
in einer Explosionsdarstellung eine bekannte Verstelleinrichtung
zum Verstellen einer Phasenlage einer hier nicht dargestellten Kurbelwelle
gegenüber
einer Nockenwelle 1 einer Brennkraftmaschine, wobei die
Kurbelwelle bzw. ein kurbelwellenfestes Kettenrad 2 der
Nockenwelle 1 das Antriebsmittel und die Nockenwelle 1 das
Abtriebsmittel darstellt. Die Verstelleinrichtung besteht aus einem
zwischen dem kurbelwellenfesten Kettenrad 2 der Nockenwelle 1 und
der Nockenwelle 1 selbst angeordneten hydraulischen Stellmittel 3 und
einem mittels eines Elektromagneten 4a–4c betätigbaren Hydraulikventil 5,
welches dem hydraulischen Stellmittel 3 Hydraulikmittel
aus dem Hydraulikmittelkreislauf der Brennkraftmaschine zuführt, wobei
das Hydraulikventil 5 das Steuerelement darstellt.
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Das
als Flügelzellenmotor
ausgebildete Stellmittel 3 weist zwei zur Verstellung gegeneinander
verdrehbare Bauteile auf, und zwar ein als Innenkörper ausgebildetes,
nockenwellenfestes Bauteil 6 und das als Außenkörper ausgebildete,
kurbelwellenfeste Kettenrad 2, welches Verzahnungen 7 aufweist, über welche
die Nockenwelle 1 von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine
angetrieben wird, wobei anstelle des hier angedeuteten und angesprochenen Kettentriebes
selbstverständlich
auch andere Antriebsverbindungen treten können, wie beispielsweise Zahnriemenantriebe
oder auch Zahnradantriebe. Das Stellmittel 3 mit Innenkörper 6 und
Außenkörper 2 sowie
die Nockenwelle 1 sind vorzugsweise koaxial angeordnet.
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Der
Außenkörper des
Stellmittels 3 bzw. das Kettenrad 2 weist über seinen
Umfang verteilt radial nach innen ragende Gehäuseflügel 8 auf, denen seitens
des Innenkörpers
bzw. des nockenwellenfesten Bauteils 6 als Stellmittel
Gegenflügel 9 zugeordnet sind,
wobei die Flügel 8, 9 miteinander
Flügelzellen 10 ausbilden,
welche hydraulisch beaufschlagbar sind.
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Um
das Antriebsmoment der Kurbelwelle auf die Nockenwelle 1 übertragen
zu können,
ist wie bereits erwähnt
der Innenkörper 6 der
Verstelleinrichtung drehfest mit der Nockenwelle 1 verbunden.
Das Antriebsmoment wird durch den Außenkörper 2 in die Verstelleinrichtung
eingebracht und über
die Flügelzellen 10 auf
den Innenkörper 6 übertragen.
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Das
Hydraulikventil 5 steuert die Hydraulikmittelzufuhr zur
jeweiligen Flügelzelle 10 des
Stellmittels 3 und damit die Phasenlage der Nockenwelle 1 gegenüber der
Phasenlage der Kurbelwelle bzw. deren Änderung. Das Hydraulikventil 5 wird
durch den Elektromagneten 4a–4c gesteuert, der
kennlinienbeeinflussbar ist. Das Hydraulikventil 5 weist
unter anderem einen Steuerkolben 12 und ein als Rückstellfeder
ausgebildetes Federelement 13 auf. Der Steuerkolben 12 trägt an seinem
der Nockenwelle 1 abgewandten Ende einen zylindrischen,
zweiten Anker 14, der durch den fahrzeugfesten Elektromagneten 4a–4c bewegt
wird. Ein zwischen zweitem Anker 14 und Elektromagnet 4 verbleibender
Luftspalt 11 ermöglicht
eine reibungsfreie Relativbewegung des Ankers 14 in axialer
Richtung 15 zum Elektromagneten 4a–4c.
Der Steuerkolben 12 wird bei unbestromtem Elektromagneten 4a–4c durch
die als Druckfeder ausgebildete Rückstellfeder 13 in
Richtung Nockenwelle 1 gedrückt und bei Bedarf durch den
Elektromagneten 4a–4c in
die entgegengesetzte Richtung bewegt.
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Dabei
können
in axialer Richtung 15 mehrere Positionen eingenommen werden.
Bei einer ersten Endposition bei unbestromtem Elektromagneten 4a–4c ist
der Steuerkolben 12 im Anschlag Richtung Nockenwelle 1,
da die Rückstellfeder 13 den
Steuerkolben 12 in den Anschlag drückt. Bei bestromtem Elektromagneten 4a–4c bewegt
sich der Steuerkolben 12 durch den Elektromagneten 4a–4c aus
der ersten Endposition über
Zwischenpositionen in die entgegengesetzte Richtung in eine zweite
Endposition, wodurch die Flügelzellen 10 des
Stellmittels 3 über
den Steuerkolben 12 des Hydraulikventils 5 gezielt
befüllt
oder entleert werden können
und somit die Phasenlage der Nockenwelle 1 gegenüber der Kurbelwelle
eingestellt werden kann.
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Beim
Start der Brennkraftmaschine ist eine definierte Grundstellung der
Nockenwelle 1 einzuhalten. Hierzu ist bis zum Aufbau des
Hydraulikmitteldrucks der Brennkraftmaschine nach dem Start ein Verriegeln
der Verstelleinrichtung erforderlich. Daher weist die Verstelleinrichtung
ein Verriegelungselement 16 zur Verriegelung der Nockenwelle 1 mit
der Kurbelwelle auf, wobei das Verriegelungselement 16 den
Innenkörper 6 des
Stellmittels 3 bei der Verriegelung mit dem Außenkörper 2 des
Stellmittels 3 koppelt. Im vorliegenden Fall ist das Verriegelungselement 16 als
Bolzen ausgebildet, der sich in einer Führung 17 in einem
vorderen, mit dem Außenkörper 2 verbundenen
Deckel 18 befindet. Zur Steuerung des Verriegelungselementes 16 ist
dieses über
einen ersten Anker 19 (2 bis 7)
mit dem Elektromagneten 4a–4c des Hydraulikventils 5 und
einem als Druckfeder ausgebildeten Federelement 20 wirkverbunden.
Die Wirkrichtung des Federelements 20 des Verriegelungselements 16 gemäß 2 bis 5 ist der
Wirkrichtung der Rückstellfeder 13 des
Hydraulikventils 5 entgegengesetzt. Gemäß 6 und 7 sind
die Wirkrichtungen des Federelements 20 des Verriegelungselements 16 und
der Rückstellfeder 13 des
Hydraulikventils 5 gleichgerichtet. Ein oder mehrere Einrastbohrungen 41 sind
im Innenkörper 6 angeordnet.
Das Verriegelungselement 16 kann die Verstelleinrichtung
bzw. das Stellmittel 3 in jeder der durch die Einrastbohrungen 41 vorgegebenen
diskreten Rastpositionen verriegeln.
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Um
eine Verstelleinrichtung zu schaffen, die bei geringem Bauraumbedarf
und Konstruktionsaufwand in beliebigen Betriebszuständen der
Brennkraftmaschine verriegel- und entriegelbar ist, ist ein Elektromagnet 4a–4c vorgesehen,
der erfindungsgemäß mit einer
Spule 21 sowohl den ersten Anker 19 zur Betätigung des
Verriegelungselementes 16 als auch den zweiten Anker 14 zur
Betätigung
des Hydraulikventils 5 bewegt. Für jeden Anker 19, 14 sind jeweils
eine erste Endposition 22, 24 und eine zweite Endposition 23, 25 vorgesehen.
Um die Anker 19, 14 bei unbestromtem Elektromagneten 4a–4c jeweils
in ihre erste Endposition 22, 24 zu bewegen, ist
für den ersten
Anker 19 das Federelement 20 und für den zweiten
Anker 14 die Rückstellfeder 13 vorgesehen. Um
die Anker 19, 14 in ihre jeweils zweite Endposition 23, 25 oder
eine beliebige Zwischenstellung zu bewegen, ist der Elektromagnet 4a–4c vorgesehen.
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Die 2 bis 5 zeigen
einen Elektromagneten 4a und 4b, der bei Bestromung
auf beide Anker 14, 19 eine Kraft ausübt, die
als Druckkraft 26 auf den Steuerkolben 12 und
das Verriegelungselement 16 wirkt.
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Die 2 und 3 zeigen
den Elektromagneten 4a in einer ersten Ausführungsform,
wobei zwischen dem ersten Anker 19 und dem zweiten Anker 14 ein
mit einem Stator 27 des Elektromagneten 4a fest
verbundenes Bauteil 28, vorzugsweise ein Flussleitstück angeordnet
ist.
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2 zeigt
den Elektromagneten 4a in unbestromtem Zustand, in dem
beide Anker 19, 14 durch die Federelemente 13, 20 in
ihre jeweils erste Endposition 22, 24 bewegt sind.
Die Verstelleinrichtung ist dabei verriegelt.
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3 zeigt
den Elektromagneten 4a in bestromtem Zustand, wobei zuerst
der die Verriegelung betätigende,
erste Anker 19 bis zu seiner zweiten Endposition 23 bewegt
wird, wodurch die Verriegelung gelöst wird. Dieser Magnetkreis
ist vorzugsweise für
einen kleinen Hub und ein hohes Kraftniveau ausgelegt. Der magnetische
Fluss fließt
durch den das Hydraulikventil 5 betätigende, zweite Anker 14 über einen
Nebenschluss 30 in das Flussleitstück 28 des Stators 27.
Dabei wird nur eine geringe Kraft auf den Anker 14 ausgeübt. Der
magnetische Fluss fließt durch
den ersten Anker 19 zurück
in den Stator 27, dabei wird auf den ersten Anker 19 eine
Kraft entgegen der Federkraft des Federelementes 20 ausgeübt. Der
erste Anker 19 wird bis zu seiner zweiten Endposition 23 gezogen,
wodurch die Verstelleinrichtung entriegelt wird. Die zweite Endposition 23 ist
so ausgeführt,
dass in angezogener Stellung des ersten Ankers 19 auch
bei niedrigem Strom eine große
Haltekraft auf den ersten Anker 19 wirkt. Somit wird er auch
bei niedrigen Strömen,
die zur Regelung des Hubs des zweiten Ankers 14 notwendig
sein können, sicher
gehalten. Danach wird im entriegelten Zustand der das Hydraulikventil 5 betätigende,
zweite Anker 14 bewegt, indem sich durch das Schließen eines Luftspaltes 31 zwischen
erstem Anker 19 und Stator 27 der magnetische
Fluss durch den zweiten Anker 14 erhöht, so dass der Nebenschluss 30 in
magnetische Sättigung
geht und die Kraft auf den zweiten Anker 14 soweit ansteigt,
dass er einen Regelhub ausführt
und damit über
das Hydraulikventil 5 die Phasenlage der Nockenwelle 1 einstellt.
Der erste Anker 19 bleibt auch bei niedrigen Regelströmen angezogen.
Dieser Magnetkreis ist vorzugsweise für einen größeren Hub und ein niedrigeres
Kraftniveau ausgelegt.
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Die 4 und 5 zeigen
den Elektromagneten 4b in einer zweiten Ausführungsform,
bei welcher mindestens einer der Anker 14, 19 und
mindestens ein mit dem Stator 27 des Elektromagneten 4b fest
verbundenes Bauteil 33 derart ausgebildet sind, dass sie
bei Bewegung des mindestens einen Ankers 14, 19 magnetische
Flusspfade öffnen
oder schließen.
Im vorliegenden Fall bilden das Bauteil 33 und der erste
Anker 19 einen magnetischen Schalter 34 aus.
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4 zeigt
den Elektromagneten 4b in unbestromtem Zustand, in dem
beide Anker 14, 19 durch die Federelemente 13, 20 in
ihre ersten Endpositionen 22, 24 bewegt sind und
die Verstelleinrichtung verriegelt ist, und 5 zeigt
den Elektromagneten 4b in bestromtem Zustand. Durch den
magnetischen Schalter 34 wird sichergestellt, dass erst dann
ein nennenswerter Fluss durch den zweiten Anker 14 fließt und damit
erst dann eine Kraft auf ihn ausgeübt wird, wenn der erste Anker 19 angezogen ist
und der magnetische Schalter 34 geschlossen ist. Der Fluss
zur Erzeugung der Kraft auf den ersten Anker 19 wird über einen
Nebenschluss 35 zugeführt. Die
restliche Funktion des Elektromagneten 4b entspricht der
des Elektromagneten 4a in der ersten Ausführungsform.
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Die 6 und 7 zeigen
einen Elektromagneten 4c in einer dritten Ausführungsform,
wobei der erste Anker 19 des Elektromagneten 4c bei
Bestromung eine Zugkraft 36 auf das Verriegelungselement 16 und
der zweite Anker 14 des Elektromagneten 4c eine
Druckkraft 37 auf den Steuerkolben 12 ausübt. Hier
bilden der erste Anker 19 und der zweite Anker 14 einen
magnetischen Schalter 38 aus. Vorteilhafterweise ist hierfür ein Flussleitstück 40 am
ersten Anker 19 angeformt. Auch hier wird der Fluss zur Erzeugung
der Kraft auf den ersten Anker 19 durch einen Nebenschluss 39 zugeführt. Der
zweite Anker 14 wird durch die Funktion des magnetischen
Schalters 38 erst dann vom Fluss durchdrungen, wenn der erste
Anker 19 angezogen ist. Die erste Endposition 22,
in welche der erste Anker 19 durch die Magnetkraft bewegt
wird, ist derart ausgestaltet, dass in angezogener Stellung des
ersten Ankers 19 auch bei niedrigem Strom eine große Haltekraft
auf den ersten Anker 19 wirkt.
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Außer dem
oben ausgeführten
Einsatz der Verstelleinrichtung auf dem Gebiet der Nockenwellenverstellung
bei Brennkraftmaschinen sind dem Fachmann weitere Anwendungen möglich.