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Die Erfindung betrifft eine gebaute Nockenwelle mit einem Flügelzellenversteller gemäß dem einteiligen Patentanspruch 1. Ferner betrifft die Erfindung gemäß dem Patentanspruch 8 ein Herstellungsverfahren für die gebaute Nockenwelle mit einem Flügelzellenversteller.
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Aus der
DE 103 33 850 B4 ist bereits eine gebaute Nockenwelle mit einem Nockenwellenversteller bekannt. Dabei weist die Nockenwelle einen als Wellenrohr ausgeführten Grundkörper auf, auf dessen Ende der nicht näher beschriebene Nockenwellenversteller aufgesetzt ist. Der Nockenwellenversteller liegt an einer Ölverteilerhülse an. Dieser schließt sich ein Lagersitz der Nockenwelle und ein Axialanschlagring an.
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Es ist ferner ein sogenanntes Endstück aus Vollmaterial bekannt, das mit einer gebauten Nockenwelle verbunden ist. An diesem Endstück ist dann ein Nockenwellenrad befestigt.
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Die
DE 101 60 246 C1 betrifft eine gebaute Nockenwelle, die ein Rohr umfasst, auf dessen einem Ende eine Nabe eines Nockenwellenverstellers kraftschlüssig festgelegt ist. Dazu ist ein Dorn in das eine Ende des Rohres innerhalb der Nabe des Nockenwellenverstellers eingeschoben. Ölkanäle zur Versorgung des Nockenwellenverstellers mit Hydraulikdruck werden durch eine in das Rohr eingeschobene Buchse gebildet. Der Nockenwellenversteller ist dabei nur beispielhaft neben einem Zahnrad und einer Scheibe genannt, wobei sich keine näheren Hinweise hinsichtlich der Ausgestaltung des Nockenwellenverstellers finden.
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Die
DE 101 25 498 A1 betrifft eine gebaute Nockenwelle, die an einem Ende einen Nockenwellenversteller aufnehmen soll. Dabei ist eine Zentralwelle des Nockenwellenverstellers auf die Nockenwelle aufgeschrumpft oder die Nockenwelle ist in die Zentralwelle des Nockenwellenverstellers eingepresst. Ölkanäle zur Versorgung des Nockenwellenverstellers werden durch die Längsnuten in der Zentralwelle oder auf der Nockenwelle gebildet. Es finden sich keine näheren Hinweise hinsichtlich der Ausgestaltung des Nockenwellenverstellers.
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Aus der
DE 199 55 507 C2 ist eine Nockenwelle bekannt, bei der ein Nockenwellenversteller gegen die Nockenwelle über eine zentrale Schraubverbindung zentriert und verspannt ist. Ein Schraubschaft ist hierbei einstückig mit der Nockenwelle verbunden, wobei der Nockenwellenversteller mit einer Mutter auf dem Schraubschaft festgelegt ist.
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Aus der
DE 199 62 981 A1 ein Flügelzellenversteller bekannt, der durch eine nicht dargestellte zentrale Befestigungsschraube mit einer Nockenwelle verschraubt werden soll.
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Ferner ist es aus der
DE 199 08 934 A1 sowie der
DE 100 38 607 B4 bekannt, den Rotor eines Flügelzellenverstellers axial neben der Nockenwelle anzuordnen und mittels einer Verbindungshülse gegenüber der Nockenwelle zu zentrieren.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine kostengünstige und axial kurz bauende Baueinheit aus einer Nockenwelle und einem Nockenwellenversteller zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und des Patentanspruchs 8 gelöst.
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Erfindungsgemäß findet als Nockenwellenversteller ein Flügelzellenversteller Anwendung. Solch einen Flügelzellenversteller gibt es mit federvorgespannten Flügeln, wie in der
DE 199 62 981 A1 dargestellt. Ferner sind von der Anmelderin Flügelzellenversteller mit Flügeln markterhältlich, welche starr mit einer Nabe verbunden sind.
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Die Erfindung findet Anwendung bei einer gebauten Nockenwelle. Bei dieser gebauten Nockenwelle bildet ein Rohr oder ein Rundstahl mit zumindest nahezu gleichmäßigem Durchmesser den Grundkörper der Nockenwelle. Die Nocken haben eine Ausnehmung und werden auf die Nockenwelle aufgeschoben und axial und im Winkel festgelegt. Dazu können die Nocken beispielsweise thermisch aufgeschrumpft werden. Alternativ kann die Ausnehmung des Nockens und/oder der Außendurchmesser der Nockenwelle eine Mikroverzahnung aufweisen, mit welcher eine form- und kraftschlüssige Verbindung hergestellt wird, indem die Nockenwelle und die Nocken miteinander verpresst werden. Solche gebauten Nockenwellen sind preisgünstig.
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Gemäß Patentanspruch 1 ist in besonders vorteilhafter Weise eine Verschraubung vorgesehen, mit welcher der Rotor gegenüber der Nockenwelle festgelegt werden kann. Eine Anordnung des Rotors in einem Axialbereich der Nockenwelle ermöglicht eine axiale kurze Bauweise. So ist der Rotor direkt auf das Ende der Nockenwelle aufgeschoben. Ein mit der Nockenwelle verbundenes separates Endstück ist somit nicht zwingend notwendig. Nach dem Aufschieben kann der Rotor bzw. der Flügelzellenversteller mittels einer Verschraubung auf der Nockenwelle befestigt werden. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Rotor mit dieser Verschraubung gegen eine Axialanschlagbuchse verspannt, die zumindest axial gegenüber der Nockenwelle festegelegt ist. Diese Axialanschlagbuchse ist als kostengünstiges Rohrstück ausgeführt, welches auf die Nockenwelle gepresst oder geschrumpft ist.
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In besonders vorteilhafter Weise kann diese Axialanschlagbuchse radial innerhalb eines Halses eines Bauteils des Flügelzellenverstellers angeordnet sein. Dieses Bauteil kann ein Riemenrad oder ein Zahnrad des Stators sein. Auf dem Hals liegt dabei ein Radialwellendichtring dichtend an. Somit wird die Dichtheit des Nockenwellenlagers bzw. des Zylinderkopfes gegenüber dem Austrittsbereich am Flügelzellenversteller gewährleistet. Dieses Nockenwellenlager kann in besonders vorteilhafte Weise als Axial-Radiallager ausgeführt sein, so dass an diesem Ende das Festlager der Nockenwelle liegt, wohingegen ein Loslager am anderen Ende der Nockenwelle angeordnet ist.
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Der Flügelzellenversteller ist in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform mit zwei Hydraulikkanälen zum aktiven Verschwenken des Flügelzellenverstellers in die beiden Drehrichtungen versehen. Über diese beiden Hydraulikkanäle werden auch die beim Verschwenken zu entleerenden Hydraulikkammern entleert. Zentral innerhalb des Flügelzellenverstellers kann eine Ölleithülse vorgesehen sein, die über einen äußeren Ringspalt und einen inneren Ringspalt die beiden Hydraulikkanäle zu den Hydraulikkammern führt.
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Die beiden Hydraulikkanäle werden dabei von einem Ventil gespeist. Die Erfindung kann dabei in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltungsform Anwendung bei einem Flügelzellenversteller mit dezentral angeordnetem 4/3-Wege-Proportionalventil finden. Gegenüber sogenannten Zentralventilen, welche in einer Schraube zur Fixierung des Flügelzellenverstellers gegenüber der Nockenwelle angeordnet sind, ist ein dezentrales Ventil preisgünstiger. Auch muss eine gegebenenfalls zentral angeordnete Schraube nicht so groß dimensioniert werden, da kein Ventil darin untergebracht werden muss. Dies bietet bei den Bauraumverhältnissen von gebauten Nockenwellenverstellern besondere Vorteile. Es ist jedoch auch möglich, ein Zentralventil vorzusehen, welches neben einem kompakten Bauraum auch kurze Wege in den Ölkanälen bzw. Hydraulikkanälen bietet.
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In besonders vorteilhafter Weise kann ein Deckel des Flügelzellenverstellers vorgesehen sein, der es ermöglicht, nach dem Zusammenfügen und Verschrauben von der Nockenwelle und dem Flügelzellenversteller den Bereich der Verschraubung zu verschließen, so dass der Flügelzellenversteller kaum Leckageverluste aufweist. Bei einer entsprechend dichten Ausführung des Deckels mit Dichtungen kann der Flügelzellenversteller somit sogar bei einem trockenen Riementrieb außerhalb des Zylinderkopfgehäuses angeordnet sein.
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Das Herstellungsverfahren gemäß Patentanspruch 8 betrifft die Montage der Nockenwelle und des Flügelzellenverstellers in mehreren Verfahrensschritten. Dabei kann eine Axialanschlagbuchse als einfaches oder mit einer Dichtung versehenes Rohrstück ausgeführt sein, welches lediglich auf die Nockenwelle aufgeschoben und aufgeschrumpft oder aufgepresst wird. Dann kann der Flügelzellenversteller bis auf Anschlag an den Axialanschlag geschoben und schließlich verschraubt werden.
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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 von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Dabei zeigen
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1 eine gebaute Nockenwelle mit einem Flügelzellenversteller und
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2 eine gebaute Nockenwelle mit einem Flügelzellenversteller in einer Ausgestaltung mit besonders dichtem Nockenwellenlager.
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1 und 2 zeigen in zwei Ausgestaltungsformen einen Flügelzellenversteller 1. Mit einem solchen Flügelzellenversteller 1 ist der Winkel zwischen einer nicht näher dargestellten Kurbelwelle und einer parallel zu dieser angeordneten gebauten Nockenwelle 2 eines Verbrennungsmotors begrenzt veränderbar. Die gebaute Nockenwelle 2 ist dabei als Wellenrohr ausgeformt.
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Dabei wird ein mit einem Riemenrad 3 versehener Stator 4 von
- – der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors oder
- – einem anderen Nockenwellenversteller oder
- – einem anderen Nockenwellenrad
angetrieben. Diese getriebliche Verbindung wird entweder mit einem Kettengetriebe, einem Zahnriementrieb oder einem Zahnradgetriebe verwirklicht.
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Innerhalb des Stators 4 ist ein Rotor 6 verschwenkbar angeordnet, dessen Flügel 5 zum Verschwenken mit einem hydraulischen Druck beaufschlagbar sind. Die dazu nötigen Hydraulikkammern 7 bilden sich zwischen den radial von einer Nabe 8 des Rotors 6 nach außen erstreckenden Flügeln 5 und umfangsmäßig dazwischen angeordneten radial vom dem Stator 4 nach innen ragenden Stegen.
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Die Nabe 8 weist eine zentrale Ausnehmung 9 auf und ist koaxial auf das Ende der Nockenwelle 2 aufgeschoben. Die Nabe 8 liegt in der auf ein Nockenwellenlager 19 weisenden Richtung an einer Axialanschlagbuchse 13 an, welche fest mit der Nockenwelle 2 verbunden ist. Andererseits liegt der Rotor 6 an einer relativ dicken steifen Scheibe 12 an. Der Schraubenkopf 11 einer Schraube 10 liegt an der Scheibe 12 an und verspannt diese über den Rotor 8 gegen die Axialanschlagbuchse 13. Dazu ist die Schraube 10 so fest in die Nockenwelle 2 eingeschraubt, dass der Rotor 8 im Betriebsbereich des Verbrennungsmotors verdrehfest gegenüber der Nockenwelle 2 verspannt ist. Zur Herstellung dieser Verschraubung 15 ist in die Nockenwelle 2 ein Gewindeeinsatz eingepresst, in welchen die Schraube 10 eingeschraubt ist.
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Eine innere Ausnehmung 14 der als Wellenrohr ausgeführten Nockenwelle 2 ist gestuft, so dass sich ein Bereich mit größerem Innendurchmesser 23 und ein Bereich mit kleinerem Innendurchmesser 24 bilden. Dabei ist eine ebenfalls gestufte Ölleithülse 17 koaxial zur Schraube 10 in die innere Ausnehmung 14 eingesteckt. Ein Absatz 18 zwischen den beiden Innendurchmessern 23, 24 der inneren Ausnehmung 14 liegt zwischen zwei Querbohrungen 20, 22 der Nockenwelle 2 im axialen Bereich eines Nockenwellenlagers 19, welches als Axial-Radiallager ausgeführt ist. Dabei sind die beiden Querbohrungen 20, 22 bezüglich einer Zentralachse 21 der Nockenwelle 2 axial versetzt zueinander. Zwischen dem Absatz 18 und der vom Flügelzellenversteller 1 weiter beabstandeten Querbohrung 22 weist der Bereich mit kleinerem Innendurchmesser 24 eine Einpresslänge 25 auf. Diese Einpresslänge 25 nimmt einen hinteren Endbereich 26 der Ölleithülse 17 auf und trennt die beiden Querbohrungen 20, 22 hydraulisch voneinander. Dieser hintere Endbereich 26 hat einen kleineren Außendurchmesser als ein vorderer Endbereich 27 der Ölleithülse 17. Der vordere Endbereich 27 der Ölleithülse 17 ist über eine weitere Einpresslänge 28 in einen Bereich eingepresst, der axial zwischen einer vorderen Ölzuführung 29 und einer hinteren Ölzuführung 30 für die Hydraulikkammern 7 liegt. Die beiden Einpresslängen 25, 28 gewährleisten eine Dichtheit zwischen zwei Hydraulikkanälen 31, 32, von denen jeder einer Drehrichtung bzw. einem Tankablauf in die entgegengesetzte Drehrichtung des Flügelzellenverstellers 1 zugeordnet ist.
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Der äußere Hydraulikkanal 32 verläuft von einer Bohrung 33 im Bereich des Nockenwellenlagers 19
- – zu einer Außenringnut 34 im Nockenwellenlager 19,
- – in die vordere Querbohrung 20,
- – entlang einem Ringspalt 35 zwischen der Ölleithülse 17 und der Nockenwelle 2, durch die hintere Ölzuführung 30,
- – durch eine hintere Ausnehmungen 40 in der Nabe 8,
zu den Hydraulikkammern, welche der einen Drehrichtung zugeordnet sind.
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Der innere Hydraulikkanal 31 verläuft hingegen von einer Bohrung 37 im Bereich des Nockenwellenlagers 19
- – zu einer Innenringnut 38 im Nockenwellenlager 19,
- – in die hintere Querbohrung 22,
- – entlang einem Ringspalt 35 zwischen der Ölleithülse 17 und der Schraube 10,
- – durch die vorderen Ölzuführung 29,
- – durch eine vordere Ausnehmungen 36 In der Nabe 8,
zu den Hydraulikkammern, welche der anderen Drehrichtung zugeordnet sind.
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Dieser innere Hydraulikkanal 31 ist am vorderen Ende vom Schraubenkopf 11 verschlossen, welcher fest an der Scheibe 12 anliegt. Um für einen trockenen Zahnriementrieb den Flügelzellenversteller 1 nach außen sicher abzudichten, ist ein zweigeteilter Deckel 41 vorgesehen, der dicht mit dem Stator 4 verbunden ist, wobei eine Dichtung 42 vorgesehen ist. Der zweigeteilte Deckel 41 umfasst einen Hauptdeckel 43, der eine zentrische Bohrung 44 aufweist, in welche ein runder Innendeckel 46 mittels einer Dichtung 45 dicht eingesetzt ist. Dieser Innendeckel 46 dient der Montage. Die zentrische Bohrung 44 weist dabei einen größeren Durchmesser auf, als der Schraubenkopf 11. Somit ist es möglich, den Flügelzellenversteller 1 zeitlich nach dem Aufschieben bis zum Anschlag an die Axialanschlagbuchse 13 mit der Nockenwelle 2 zu verschrauben. IM Anschluss wird der Innendeckel 46 eingesetzt. Zwischen dem Deckel 41 und den Stegen des Stators 4 sind zwei von der Dicke sehr genau gearbeitete Scheiben 47, 48 verspannt, die sehr geringes Axialspiel gegenüber dem Rotor 6 aufweisen, so dass der Rotor 6 gegenüber dem Stator 4 verschwenkbar ist, aber der Übertritt des Hydraulikfluids von den der einen Drehrichtung zugeordneten Hydraulikkammer in die der anderen Drehrichtung zugeordneten Hydraulikkammer auf einem nur minimalen Leckagemaß gehalten wird.
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Der Hydraulikdruck für die beiden Hydraulikkammern wird von einer Hydraulikpumpe aufgebracht, welche diesen Hydraulikdruck mittels eines elektrisch angesteuerten 4/3-Wege-Proportionalventil 60 geregelt auf die jeweiligen Hydraulikkammern leitet. Bei diesem 4/3-Wege-Proportionalventil 60 ist eine Zwischenstellung mit einer Ablaufkantensteuerung vorgesehen, die den Druck auf beide Hydraulikdruckkammer verteilt, so dass es nicht zum plötzlichen Umschlagen des Rotors 6 gegenüber dem Stator 4 bis zum Schwenkanschlag kommen kann.
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Von den beiden Ausgängen 49, 50 des 4/3-Wege-Proportionalventils 60 führen im Zylinderkopf oder einem separaten Gehäuseteil angeordnete Leitungen oder Bohrungen zu den beiden Bohrungen 33, 37 im Bereich des Nockenwellenlagers 19.
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Das Nockenwellenlager 19 ist unmittelbar in den Zylinderkopf des Verbrennungmotors eingearbeitet. Dabei ist ein Radialwellendichtring 51 vor dem Nockenwellenlager 19 in den Zylinderkopf eingesetzt, so dass der Ölaustritt aus dem Verbrennungmotor verhindert wird. Dieser Radialwellendichtring 51 läuft mit seiner Dichtlippe auf dem Außenumfang eines rohrförmigen Halses 52 auf dem Stator 4.
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Das Nockenwellenlager 19, ist als Axial-Radiallager ausgeführt. Dazu ist ein axialer Stützring 54 fest mit der Nockenwelle 2 verbunden, der die Nockenwelle 2 gegen Verschiebung der Nockenwelle 2 nach vorne abstützt. Das Nockenwellenlager 19 liegt demzufolge nur mit geringem Spiel einerseits an der Axialanschlagbuchse 13 und andererseits an dem Stützring 54 an.
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Im Folgenden wir auf die Unterschiede der beiden Ausgestaltungsformen gemäß 1 und 2 eingegangen. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. Gegenüber 1 veränderte Bauteile sind mit um 100 erhöhten Bezugsziffern versehen. Gänzliche neue Bauteile haben eigene Bezugsziffern.
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2 zeigt eine Nockenwellenlagerung 119, die gegenüber der Nockenwellenlagerung 19 aus 1 geringere Leckageverluste aufweist. Eine solche Nockenwellenlagerung 119 bietet sich beispielsweise bei Nockenwellenverstellsystemen mit besonders hohen Hydraulikdrücken an. Dabei steht die Axialanschlagbuchse 113 axial über den rohrförmigen Hals 152 des Riemenrades 3, so dass eine Ringfläche entsteht, bei welcher das Nockenwellenlager 119 bzw. der Zylinderkopf außen an der Axialanschlagbuchse 113 anliegt. In diesem Bereich weist die Axialanschlagbuchse 113 eine Ringnut auf, in die ein Dichtring 53 eingesetzt ist. Ebenso ist in den Stützring 154 einer Ringnut eingearbeitet, in die ein Dichtring 55 eingesetzt ist. Auch im Bereich des Stützringes 154 ist das Nockenwellenlager 119 bzw. der Zylinderkopf mit einer Bohrung versehen, in welcher der Dichtring 55 dicht anliegt, so dass ein Rückfluss des Hydraulikfluids in einen Ventiltrieb des Zylinderkopfes verhindert wird.
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In beiden Ausgestaltungsformen 1 und 2 kann der Stützring 54 bzw. 154 analog den Nocken und der Axialanschlagbuchse thermisch aufgepresst oder mittels einer Mikroverzahnung form-/reibschlüssig gegenüber der Nockenwelle festegelegt sein. Es kann auch eine andere Art von Axialsicherungsring vorgesehen sein.
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Anstelle der Einarbeitung des Nockenwellenlagers unmittelbar in den Zylinderkopf kann auch eine Lagerschale vorgesehen sein, die entsprechende Ausnehmungen zur Leitung des Hydraulikfluids in die Querbohrungen der Nockenwelle aufweist.
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Die Übergabe
- – vom Zylinderkopf bzw. einem an diesem befestigten Gehäuse
- – zur Nockenwelle
muss nicht an einem Hauptlager bzw. an einem Gleitlager erfolgen. Die Übergabestelle kann auch vor einem Wälzlager liegen.
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Der Radialwellendichtring muss nicht mit seiner Dichtlippe auf dem Außenumfang eines rohrförmigen Halses auf dem Riemenrad oder einem Zahnrad laufen. Ist der Antrieb des Flügelzellenverstellers nicht als trocken laufender Zahnriementrieb ausgeführt, kann auch auf viele Dichtungsmaßnahmen verzichtet werden. So können beispielsweise bei innerhalb des Verbrennungsmotorgehäuses laufenden Kettentrieben oder Zahnradtrieben oder ölfesten Zahnriementrieben geringe Leckageverluste zurück in den Tank des Hydraulikfluids toleriert werden.
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Anstelle der in den beiden Ausgestaltungsformen dargestellten Nockenwellen als hohles Wellenrohr kann die Nockenwelle auch aus vollem Rundmaterial mit einer Sacklochbohrung und einem Gewindesackloch ausgeführt sein. Auch kann die Verschraubung mittels mehrerer parallel versetzt zur Zentralachse der Nockenwelle angeordneter Schrauben erfolgen, die in Gewindelöcher der Axialanschlagbuchse eingreifen. Dazu kann die Zentralbohrung der Nabe bzw. des Rotors entsprechend groß ausgeführt sein oder die Nabe weist Durchgangsöffnungen für die Schrauben auf. Auch muss von vorne keine Schraube mit Außengewinde eingesetzt sein. Ebenso könnte eine zentrale oder mehrerer exzentrisch angeordnete Muttern den Rotor mit der Nockenwelle verbinden. So ist es beispielsweise möglich, auf das vordere Ende der Hohlwelle bzw. des Rohrs ein Gewinde zu schneiden oder zu rollen, auf welches eine große Mutter bzw. Innengewindehülse aufgeschraubt ist, die den Rotor gegen die Axialanschlagbuchse verspannt.
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Die Funktion des Stützringes kann auch von einem Nocken der Nockenwelle übernommen werden. Ferner kann der Stützring auch einteilig an einen Nocken angeformt sein.
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Der Nockenwellenversteller kann in der Drehwinkelstellung gegenüber der Nockenwelle mittels eines formschlüssigen Bauteils festgelegt werden oder der Nockenwellenversteller wird bei der Montage in der passenden Drehwinkelstellung reibschlüssig festegelegt.
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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.
