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Die
Erfindung gemäß diesem Zusatzpatent betrifft gemäß dem
Oberbegriff von Patentanspruch 1 ein Herstellungsverfahren für
ein Ventil und gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch
2 ein Ventil.
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Die
nicht vorveröffentlichte Hauptanmeldung
DE 10 2007 035 672 betrifft einen
Nockenwellensteller, bei welchem zwei Kammern zur Drehung einer Nockenwelle
in zwei gegensinnige Drehrichtungen mit Druck beaufschlagbar sind,
indem ein von einer Kurbelwelle kommendes Eingangsmoment von einer ersten
Stellerbaugruppe über zumindest eine der Kammern auf eine
drehbar gegenüber der ersten Stellerbaugruppe angeordnete
und drehfest mit der Nockenwelle gekoppelte zweite Stellerbaugruppe übertragbar
ist. Der Druck in der zur Drehung in die eine Drehrichtung zu entlastenden
Kammer ist über ein Rückschlagventil auf die zur
Drehung in diese eine Drehrichtung zu belastende Kammer leitbar.
In der zweiten Stellerbaugruppe ist zur Führung des Öldruckes
ein Ventilkolben mit einem Öldruckanschluss, einem Steuerkanal
für die der einen Drehrichtung zugeordneten Kammer und
einem Steuerkanal für die der anderen Drehrichtung zugeordneten Kammer
vorgesehen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen kostengünstigen und montagefreundlichen
Nockenwellensteller zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen
von Patentanspruch 1 bzw. von Patentanspruch 2 gelöst.
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Gemäß einem
Vorteil der Erfindung ist eine Schraubendruckfeder an einem Ende
eines Ventilkolbens aus Kunststoff verliergesichert. Dabei ermöglicht
das in seiner Form beim Urformen relativ frei gestaltbare Material „Kunststoff"
des Ventilkolbens eine kostengünstige Herstellung einer
solchen Verliersicherung. Die Verliersicherung verhindert es, die Schraubendruckfeder
bei der Montage des Ventilkolbens zu vergessen. Damit kann die Erfindung
insbesondere bei Nockenwellenverstellern verwendet werden, bei denen
mehrere Ventilkolben Anwendung finden, um eine hohe Durchflussrate
auch bei kleinen Ventilkolben zu ermöglichen. Ebenso kann
die Erfindung jedoch auch bei Nockenwellenverstellern mit nur einem
insbesondere zentral angeordneten Ventilkolben Anwendung finden.
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Gemäß einem
weiteren Vorteil der Erfindung ist der bzw. sind die Ventilkolben
unmittelbar im Nockenwellensteller angeordnet, so dass infolge kurzer Wege
diese Nutzung der Momentschwankungen besonders verlustarm erfolgt.
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Dabei
kann der Ventilkolben sehr starke Öldrücke infolge
von Momentschwankungen entsprechend der
DE 10 2006 012 733.1-13 von der
zu entlastenden Kammer unterstützend an die mit Druck zu beaufschlagende
Kammer leiten, so dass die Nockenwellenverstellung sehr schnell
erfolgt. Dieser Ventilkolben ist in besonders vorteilhafter Weise
in einer Stellerbaugruppe angeordnet, welche drehfest mit der Nockenwelle
verbunden ist. Je nach Einbaubedingungen kann der Ventilkolben exzentrisch
oder zentrisch in einem Ventilkolbengehäuse dieser Stellerbaugruppe
angeordnet sein. Die Einbaubedingungen hängen einerseits
von dem zur Verfügung stehenden axialen bzw. radialen Bauraum
und vom verwendeten Material ab. So benötigt Aluminium
als Material für die Stellerbaugruppen des Nockenwellenstellers
andere Dimensionierungen als Stahl und Sintermetall. Andererseits
hängen die Einbaubedingungen von der gewählten
Ausführungsform des Verbindungselementes zwischen dem Ventilkolbengehäuse und
der Nockenwelle ab. Das Verbindungselement kann insbesondere eine
Schraubverbindung – d. h. eine Schraube oder eine Mutter – sein.
So ist es möglich mehrere kleine Ventilkolben exzentrisch
um eine große Schraube anzuordnen. Ebenso ist es möglich, mehrere
kleine Schrauben um einen großes Ventil anzuordnen. Sowohl
mehrere kleine Ventilkolben als auch ein großer Ventilkolben
erlauben in besonders vorteilhafter Weise große Strömungsquerschnitte, die
eine schnelle Verstellung des Nockenwellenstellers erlauben.
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Es
ist jedoch auch möglich, einen einzigen kleinen Ventilkolben
radial versetzt zur zentrisch angeordneten großen Schraube
vorzusehen.
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Wird
eine oder werden mehrere Schrauben als Verbindungselement genutzt,
so braucht dieses Verbindungselement infolge der erfindungsgemäßen Ausgestaltung
eines Ventilkolbens keine Bohrungen zur Ölführung
aufweisen. Somit wird diese Verbindung auch nicht geschwächt
und kann somit entsprechend klein und bauraumsparend dimensioniert
sein. Exzentrisch angeordnete Ventilkolben können in besonders
vorteilhafter Weise gleichmäßig am Umfang um das
Verbindungselement verteilt sein, so dass der Nockenwellensteller
keine Unwucht aufweist. Gleiches gilt für die üblicherweise
mit A und B bezeichneten Steuerkanäle zur Betätigung
der Ventilkolben.
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Patentanspruch
8 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung, welche eine stufenlose
Festlegung der Schraubendruckfeder gegenüber einer Zylinderinnenwand
ermöglicht, so dass Toleranzen ausgeglichen werden können.
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Weitere
Vorteile der Erfindung gehen aus den weiteren Patentansprüchen,
der Beschreibung und der Zeichnung vor.
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Die
Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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Dabei
zeigen
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1 eine
Momentenkennlinie,
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2 einen
Nockenwellensteller mit einem Ventilkolben in einer geschnittenen
Darstellung wobei der Schnitt entlang einer Zentralachse verläuft,
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3 den
Nockenwellensteller aus 2 in einer geschnittenen Darstellung,
wobei der Schnitt senkrecht zum Schnitt gemäß 2 verläuft,
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4 ein
Detail des Nockenwellensteller im Bereich des Ventilkolbens aus 2 in
einer geschnittenen Darstellung,
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5 einen
Ventilkolben in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung
und
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6 eine
dritte Ausführungsform des Ventilkolbens.
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Wie
in
1 zu sehen ist, schwanken die Momente, die so
an einem herkömmlichen Nockenwellenversteller gemessen
werden können. Auf der Abszisse ist die Zeit t aufgetragen,
wobei in dem Beispiel gemäß
1 ein
Zeitraum von t = 40 ms betrachtet wird. Auf der Ordinate ist das
Moment M in Zehnerpotenzen in Nm aufgetragen. Es ist zu erkennen,
dass das Moment nicht konstant ist, sondern sich nahezu permanent
verändert, bedingt bzw. beeinflußt durch Schwingverhalten,
Stellung der Nockenwelle, Zündzeitpunkte der Verbrennungskraftmaschine, Öffnungspunkte
der Gaswechselventile, Höhe der Gaswechselventilfederkräfte
etc.. Das gesamte Moment M setzt sich aus einem negativen Anteil
M– und einem positiven Anteil M+ zusammen. Bei einer Verbrennungskraftmaschine
treten auch die Zustände auf, dass nur ein schwellendes
Moment vorliegt, dann findet kein Vorzeichenwechsel statt. Somit
wird in dem Falle eines Schwellendrehmomentes nur die Kennlinie
des positiven Anteils M+ oder die Kennlinie des negativen Anteils
M– am Nockenwellenversteller gemessen. Während
des Betriebes der Verbrennungskraftmaschine treten sowohl Phasen
eines schwellenden Momentes als auch Phasen eines Wechselmomentes
M, bei dem sowohl mal negative als auch mal positive Anteile auftreten
können, auf. Solange der Versteller im schwellenden Zustand verharrt,
kann das Moment bzw. die Kraft nicht zur Verbesserung der Regelgüte
genutzt werden. Jedoch bei einem Vorzeichenwechsel des Moments kann
nun das gegenläufige Moment erfolgreich genutzt werden.
Dazu ist bei dem erfindungsgemäßen Nockenwellensteller
gemäß
2 und
3 eine Schaltung
vorgesehen, die ohne aktive Beeinflussung von sich aus das entgegengerichtete
Moment nutzt, damit hieraus der Druck 250 ausgeleitet werden kann.
Eine solche Schaltung ist bereits in der
DE 10 2006 012 733.1-13 dargestellt.
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2 zeigt
einen Nockenwellensteller 1 in einer geschnittenen Ansicht.
Der Nockenwellensteller 1 ist dabei als Schwenkmotorphasenversteller ausgeführt.
Der Nockenwellensteller 1 dient der Veränderung
der Steuerzeiten der Ventilsteuerung eines Viertaktmotors. Dazu
wird das einer Nockenwelle 3 zugeordnete Kettenrad 2 gegenüber
der Nockenwelle 3 um die Zentralachse 80 der Nockenwelle 3 bzw. des
Nockwellenstellers 1 verschwenkt. Um diese Verschwenkung
zur verwirklichen, umfasst der Nockenwellensteller 1 zwei
gegeneinander verschwenkbare Stellerbaugruppen 4 und 5.
Die erste Stellerbaugruppen 4 ist drehfest mit dem Kettenrad 2 verbunden.
Die zweite Stellerbaugruppen 5 ist hingegen drehfest mit
der Nockenwelle 3 verbunden. Zwischen den beiden Stellerbaugruppen
sind zehn in 3 ersichtliche Kammern 6 bis 15 angeordnet. Werden
entsprechend der zeichnerischen Darstellung in 3 die
beiden Kammern 8, 10 über die Kanäle 17, 18 unter
Druck gesetzt, so wird die zweite Stellerbaugruppe 5 bzw.
die Nockenwelle 3 in eine Drehrichtung entgegen dem Uhrzeigersinn
verschwenkt. Werden hingegen in zeichnerisch nicht dargestellter
Weise die beiden Kammern 13, 15 über die
Kanäle 19, 20 unter Druck gesetzt, so
wird die zweite Stellerbaugruppe 5 bzw. die Nockenwelle 3 in einer
Drehrichtung im Uhrzeigersinn verschwenkt.
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Dazu
umfasst die erste Stellerbaugruppe 4 ein gesintertes zylindrisches
Gehäuse 21 mit radial nach innen ragenden Stegen 22 bis 26.
Diese Stege 22 bis 26 führen am radial
inneren Ende einen ebenfalls zylindrischen Grundkörper 27 eines
Flügelträgers 28, der radial nach außen
weisende Flügel 29 bis 32 aufweist, die
zwischen den Stegen 22 bis 26 angeordnet sind.
Diese Flügel 29 bis 32 sind radial außen
an der Innenseite des Gehäuses 21 geführt. Damit
bilden sich zwischen jedem der Flügel 29 bis 32 und
zwei den jeweiligen Flügel benachbarten Seitenwänden 43, 34 bzw. 35, 36 bzw. 37, 38 bzw. 39, 40 bzw. 41, 42 der
Stege 22 bis 26 die besagten Kammern 6 bis 15.
Die besagten Kanäle 17 bis 20 der Kammern 8, 10, 13, 15 sind
als radial ausgerichtete Bohrungen im Grundkörper 27 ausgeführt.
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Wie
in 1 ersichtlich ist, ist in den Grundkörper 27 des
Flügelträgers 28 ein Ventilkolbengehäuse 16 gesteckt,
das mittels einer ungebohrten Schraube 44 gegen die Nockenwelle 3 verspannt
ist. Dazu ist die Schraube 44 von der der Nockenwelle 3 abgewandten
Seite durch eine zentrische Ausnehmung 46 des zylindrischen
Ventilkolbengehäuses 16 gesteckt und in einer
fluchtenden Gewindesacklochbohrung 45 mit der Nockenwelle 3 verschraubt,
so dass die zweite Stellerbaugruppe 5 zwischen der Nockenwelle 3 und
einem Schraubenkopf 47 verspannt ist. Wie aus einer Zusammenschau
von 1 und 2 ersichtlich ist, sind radial
außerhalb dieser Schraube 44 drei Systemdruck-Ölkanäle 48 umfangsmäßig
mit drei Ventilsteuerkanälen 56 abwechselnd angeordnet.
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Die
drei Systemdruck-Ölkanäle 48 sind im Wesentlichen
gleichartig ausgestaltet und erstrecken sich innerhalb der Nockenwelle 3 und
des Ventilkolbengehäuses 16. In dem Teil der Systemdruck-Ölkanäle 48,
welcher in dem Ventilkolbengehäuse 16 angeordnet
ist, ist jeweils ein Kugel-Rückschlagventil 49 angeordnet,
welches den Rückfluss von unter Druck stehendem Öl
in eine zeichnerisch nur schematisch dargestellte Ölpumpe 50 verhindert.
Diese Ölpumpe 50 leitet das Öl unter
Druck in eine Ringnut 51, welche das Öl über
eine Querbohrung 52 in den Systemdruck-Ölkanal 48 einleitet.
Von dort wird das Öl nach dem Durchtritt durch das Kugel-Rückschlagventil 49 am
Ende des Systemdruck-Ölkanals 48 in eine Ringnut 54 eingeleitet,
welche mit Öldruckanschlüssen P von drei Ventilkolben 53a, 53b, 53c in Verbindung
steht.
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Diese
drei Ventilkolben
53a,
53b,
53c sind axialverschieblich
in Bohrungen
55 angeordnet, welche mit den Ventilsteuerkanälen
56 fluchten.
Die drei Ventilkolben
53a,
53b,
53c sind
aus Kunststoff gefertigt. Im folgenden wird beispielhaft nur einer
der drei identisch ausgestalteten Ventilkolben
53a bzw.
Ventilsteuerkanäle
56 beschrieben. Wird über
eine axial zur Ringnut
51 beabstandete Ringnut
59 ein Öldruck von
einem 3/2-Wege-Proportionalventil in den Ventilsteuerkanal
56 eingebracht,
so wird ein Ventilkolbenboden
57 mit einem Druck beaufschlagt,
der eine Kraft bewirkt, welche den Ventilkolben
53a gegen eine
Federkraft einer Schraubendruckfeder
58 in die von der
Nockenwelle
3 hinfort weisenden Richtung verschiebt. Über
die entsprechende Steuerung der Stellung des Ventilkolbens
53a gegen
die Schraubendruckfeder
58 kann der vom Öldruckanschlusskanal
P kommende Druck zum Verschwenken der Nockenwelle
3 auf
die beiden Kammern
8,
10 oder alternativ
13,
15 geleitet
werden. Im Bereich des Wechsels von einer Drehrichtung auf die andere
Drehrichtung erfolgt eine Ablaufkantensteuerung – d. h.
eine Druckbeaufschlagung in entgegengesetzte Drehrichtungen –,
wie dieser bereits in der
EP
1 025 343 B1 beschrieben ist. Dazu sind Ablaufkanten des
Ventilkolbens
53a mit einer entsprechenden Überschneidung
ausgeführt.
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Der
Ventilkolben 53a ist dabei einem 4/3-Wege-Ventil zugehörig.
Axial vor dem Ventilkolben 53a ist der Steuerkanal B angeordnet,
der bei Druckbeaufschlagung vom Öldruckanschlusskanal P
die Nockenwelle 3 in die eine Drehrichtung verdreht. Diese Stellung
des Ventilkolbens 53a ist zeichnerisch in 2 dargestellt.
Dazu weist der Ventilkolben 53a einen B-Ringkanal 60 auf,
der mittels eines Kolbenteils 81 von einem A-Ringkanal 61 getrennt
ist. Der A-Ringkanal 61 verbindet in der zeichnerisch dargestellten
Position des Ventilkolbens 53a den Steuerkanal A mit einem
Tankkanal T1, welcher das Öl zum Tank entlässt.
Dieser Tank steht lediglich unter atmosphärischem Druck.
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Wird
mittels eines zeichnerisch nicht näher dargestellten Steuerventils
kein Öldruck in den Ventilsteuerkanal 56 eingeleitet,
so verschiebt die Schraubendruckfeder 58 den Ventilkolben 53a in Richtung
auf die Nockenwelle 3 in eine Position, in welcher der
Ventilkolbenboden 57 an der Nockenwelle 3 zum
Anschlag kommt. Dabei wird der Steuerkanal A mit Öldruck
vom Öldruckanschlusskanal P beaufschlagt. Da in dieser
Position das Öl vom Steuerkanal B über einen weiteren
Tankkanal T2 zum Tank entlassen wird, wird die Nockenwelle 3 in
die andere Drehrichtung verschwenkt.
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An
der Innenwand
82 des zylindrischen Grundkörpers
27 liegen
in
3 ersichtliche kreisförmig gebogene Blattfedern
83 unter
Spannung an. Diese Blattfedern
83 versperren die umfangsmäßig und
axial versetzt angeordneten Kanäle
17 bis
20 und
Steuerkanäle A und B in der Weise, dass Drücke von
radial außen die jeweilige Blattfeder nach innen drücken,
so dass unter sehr hohem Druck stehendes Öl aus der jeweils
zu entlastenden Kammer entlang einem Spalt an der Blattfeder
83 in
die zu belastende Kammer tritt. Damit bilden die Blattfedern
83 Rückschlagventile,
welche das in der
DE 10
2006 012 733.1-13 dargestellte Prinzip zur besonders schnellen
Nockenwellenverstellung ermöglichen.
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4 zeigt
den Ventilkolben 53a mit der an diesem befestigten Schraubendruckfeder 58.
Dabei ist kurz vor dem Ende des Ventilkolbens 53a einen umlaufende
Ringnut 99 vorgesehen, so dass diese Ringnut 99 eine
Einschnürung 97 belässt, die einen Teller 98 mit
dem Rest des Ventilkolbens 53a verbindet. In die Ringnut 99 greift
die hinterste Windung der Schraubendruckfeder 58 ein, die
dafür an dieser hintersten Windung ohne Steigung ausgeführt
ist. Die weiteren Windungen erstrecken sich von dem Ventilkolben 53a hinfort,
bis sich schließlich die vorderste Windung an eine Federanlage 95 abstützt,
so dass die Schraubendruckfeder 58 dem am anderen Ende des
Ventilkolbens 53a anliegenden Steuerdruck entgegen wirkt.
Die Federanlage 95 wird dabei von einem Bund 94 des
Schraubenkopfs 47 gebildet.
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5 zeigt
einen Ventilkolben 153 eines Ventils in einer weiteren
Ausführungsform. Bei dieser Ausführungsform sind
beide Enden der Schraubendruckfeder 158 fest eingespannt.
Diese Ausführungsform ist besonders sinnvoll, wenn das
Ventil als cartridge-Ventil ausgeführt ist. Dabei werden
die hintersten Windungen der Schraubendruckfeder 158 vor dem
Spritzgussvorgang in die nicht näher dargestellte Formschale
für den Ventilkolben 153 eingelegt. Beim nachfolgenden
Spritzgussvorgang umfließt der Kunststoff die Schraubendruckfeder 158,
so dass die hintersten Windungen der Schraubendruckfeder 158 in
den Kunststoff eingespritzt sind. Die vorderen Windungen sind ebenfalls
vom Kunststoff umgeben, der einen Stopfen 194 bildet. Dieser
Stopfen 194 stützt sich über einen Axial-Sicherungsring
axial an einem Ventilkolbengehäuse 116 im Bereich
einer Zylinderinnenwand 180 ab. Das Ventilkolbengehäuse 116 kann dabei
dem Ventilkolbengehäuse 16 gemäß dem
ersten Ausführungsbeispiel entsprechen. Alternativ kann
dieses Ventilkolbengehäuse 116 eine Buchse eines
cartridge-Ventils sein.
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6 zeigt
eine Weiterbildung gegenüber 5. In dieser
Weiterbildung ist den hinteren Windungen folgend ein Knick vorgesehen,
so dass die Schraubendruckfeder 258 gegenüber
der Ausführungsform 5 eine definiertere
Einspannung aufweist.
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Der
Nockenwellensteller muss nicht als Flügelzellensteller
ausgeführt sein. Er kann auch als Axialkolbensteller ausgeführt
sein, wie ein solcher beispielsweise bereits aus der
DE 42 18 078 C5 bekannt ist.
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Die
Nockenwelle kann als Einlassnockenwelle oder als Auslassnockenwelle
ausgeführt sein. Demzufolge kann auch ein erfindungsgemäßer
Nockenwellensteller für eine Einlassnockenwelle und ein
erfindungsgemäßer Nockenwellensteller für
eine Auslassnockenwelle vorgesehen sein.
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Die Ölpumpe
kann sowohl die Motorölpumpe als auch eine speziell dem
Nockenwellensteller zugeordnete Ölpumpe mit entsprechend
hohem Druck sein. Letzteres bietet sich insbesondere dann an, wenn
der Nockenwellensteller besonders hohe Verstellgeschwindigkeiten
erreichen soll oder mit besonders hohen Gaswechselventilfederkräften
kombiniert werden soll. Die Ölpumpe kann eine Zahnradpumpe, eine
Flügelzellenpume oder eine Mondsichelpumpe sein. Sie kann
unmittelbar vom Verbrennungsmotor oder auch elektrisch angetrieben
sein. Es kann noch ein Zwischenspeicher vorgesehen sein.
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Die
drei identisch ausgestalteten Ventilkolben müssen nicht
identisch ausgestaltet sein. Um bestimmte Überschneidungssteuerungen
zu erreichen, kann vorgesehen sein, die Ventilkolben unterschiedlich
auszugestalten und/oder die Schraubendruckfedern unterschiedlich
auszugestalten. Insbesondere die Federrate kann dabei variiert werden.
Jede einzelne Schraubendruckfeder kann auch mit einer nicht linearen
Kennlinie versehen sein.
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Anstelle
der Schraube zur Verbindung der Nockenwelle mit der zweiten Stellerbaugruppe
kann auch ein anderes Verbindungselement vorgesehen sein. Beispielsweise
kann die Nockenwelle in einem Gewindezapfen auslaufen, der mittels
einer Mutter gegen die zweite Stellerbaugruppe verspannt ist.
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Anstelle
eines Kettenrades kann auch ein Zahnrad für einen Zahnriemen
vorgesehen sein. Das von der Kurbelwelle auf die erste Stellerbaugruppe eingeleitete
Eingangsmoment kann auch indirekt über mehrere Zahnräder
auf die Stellerbaugruppe geleitet werden.
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Anstelle
eines proportionalen 4/3-Wege-Ventils und/oder des 3/2-Wege-Proportionalventils
könnte auch ein nicht proportionale Ventile Anwendung finden.
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Die
im Ausführungsbeispiel als gesintert dargestellten Bauteile
- – Gehäuse und
- – Flügelrad
müssen nicht
im Sinterprozess hergestellt sein. So ist beispielsweise auch der
Strangguss aus einer Leichtmetalllegierung möglich, wie
dieser beispielsweise in der WO 2007/033634 A1 dargestellt ist.
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Anstelle
eines Kugel-Rückschlagventiles kann auch ein andere Rückschlagventil
vorgesehen sein. Ein Beispiel für ein solches anderes Rückschlagventil
ist das Platten-Rückschlagventil.
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Die
Anzahl der Flügel hängt von dem jeweiligen Anwendungszweck
des Schwenkmotorphasenversteller ab. Sind geringere Drehmomente
aufzubringen, so kann auch einer geringere Anzahl als fünf Flügel
ausreichend sein.
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Bei
den beschriebenen Ausführungsformen handelt es sich nur
um beispielhafte Ausgestaltungen. Eine Kombination der beschriebenen
Merkmale für unterschiedliche Ausführungsformen
ist ebenfalls möglich. Weitere, insbesondere nicht beschriebene Merkmale
der zur Erfindung gehörenden Vorrichtungsteile, sind den
in den Zeichnungen dargestellten Geometrien der Vorrichtungsteile
zu entnehmen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007035672 [0002]
- - DE 102006012733 [0007, 0020, 0028]
- - EP 1025343 B1 [0025]
- - DE 4218078 C5 [0032]
- - WO 2007/033634 A1 [0039]