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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Nockenwellenverstelleinrichtung,
insbesondere die nach einem Flügelzellentyp arbeitet, und
ein Ventil, das zur Einstellung der Relativlage der Nockenwellenverstelleinrichtung
benötigt wird.
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Stand der Technik
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Im
Rahmen der ständig fortschreitenden Integration gibt es
viele technisch vorteilhafte Argumente, möglichst ortsnah
zu einem Flügelzellenversteller das ihn steuernde Ventil
anzuordnen. Obwohl Ansätze hierzu bis zu der
US 3 109 417 (Anmelderin: General
Motors Corporation; Anmeldetag: 09.01.1962) zurückverfolgt
werden können, sind erst in den letzten Jahren vermehrt
Nockenwellenverstellergestaltungen, insbesondere nach einem schwenkmotorischen
Prinzip, in der Patentliteratur zu finden, bei denen auch gleichzeitig
im zunehmenden Maße weitere Funktionen zu integrieren sind.
Das Steuerventil wird dadurch ortsnah zum Nockenwellenversteller
angeordnet, dass das Ventil entweder unmittelbar in der Mitte des
Nockenwellenverstellers angeordnet wird (siehe z. B.
DE 103 46 448 A1 der Anmelderin
DaimlerChrysler AG vom 07.10.2003) oder alternativ in einem ortsnah
anzuordnenden, besonderen Steuergehäuse (siehe z. B.
DE 199 43 833 A1 der
Anmelderinnen Volkswagen AG und Hydraulik-Ring GmbH vom 13.09.1999).
Ein besonderes Augenmerk ist bei den diversen Gestaltungen auf die Führung
des Öls in die unterschiedlichen Kammern des Nockenwellenverstellers
zu legen. So ist z. B. aus der
DE 103 46 446 A1 (Anmelderin: DaimlerChrysler
AG; Anmeldetag: 07.10.2003) bekannt, besondere Leitbleche oder Ölführungshülsen
in der Nockenwelle vorzusehen. Eine Vereinfachung wird u. a. auch
darin gesucht, die beiden Arbeitskammeranschlüsse nebeneinander
anzuordnen, und vor den Arbeitsanschlüssen nebeneinander
die weiteren notwendigen Anschlüsse P und T vorzusehen
(siehe z. B.
DE
10 2004 038 252 A1 der Anmelderin INA-Schaeffler KG mit
einem Prioritätstag vom 14.05.2004). Eigentlich ist aber
auch dieses Prinzip, den Hohlkolben des Ventils zur Hydraulikölleitung
zu nutzen und die beiden Arbeitsanschlüsse unmittelbar
nebeneinander anzuordnen und einen daneben zu platzierenden P-Anschluss
vorzusehen, insbesondere bei schwenkmotorartigen Nockenwellenverstellern,
seit langem bekannt (siehe z. B.
FR
2 187 051 der Patentinhaberin: Ricardo & Co. mit einem Anmeldetag vom 25.05.1973).
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Weitere
Funktionen in ein Nockenwellenverstellerventil zu integrieren kann
z. B. darin gesucht werden, ein zusätzliches Sieb vorzusehen
oder auch günstige hydraulische Umladungsstrecken von einer Arbeitskammer
auf die andere Arbeitskammer gemäß der in der
DE 10 2006 012 733
A1 (Anmelderin: Hydraulik-Ring GmbH; Anmeldetag: 17.03.2006)
offenbarten hydraulischen Schaltkreise zu realisieren. Weitere vorteilhafte
Ventilgestaltungen können auch den Ausführungen
der
DE 10 2006
012 775 B4 (Patentinhaberin: Hydraulik-Ring GmbH; Anmeldetag: 17.03.2006)
entnommen werden.
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Aus
Lesbarkeitsgründen wird der Offenbarungsumfang der zuvor
zitierten Druckschriften, insbesondere diejenigen, die von der Anmelderin
Hydraulik-Ring GmbH stammen, vollumfänglich durch ihre
Referenzen in die vorliegende Beschreibung aufgenommen.
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Erfindungsbeschreibung
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Die
Erfinder der vorliegenden Erfindung waren also mit dem Wunsch verschiedener
Automobilproduzenten konfrontiert, die aus den beiden letztgenannten
Ständen der Technik gemachten grundsätzlichen
Erfahrungen so umsetzen zu müssen, dass ein Ventil für
eine Nockenwellenverstelleinrichtung geschaffen werden kann, das
auch als so genanntes Zentralventil, z. B. in der Mitte eines schwenkmotorartigen
Nockenwellenverstellers, verbaut werden kann, ohne zahlreiche Bypassleitungen,
Umlenkblech oder sonstige Ölführungsmittel vorzusehen.
Es wurden räumliche Grenzen gesetzt, in denen eine möglichst
einfache und kompakte variable Ventiltriebvorrichtung nach einem
Schnellumladeprinzip zu realisieren ist.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Nockenwellenverstelleinrichtung
nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen können
den abhängigen Ansprüchen entnommen werden.
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Die
Nockenwellenverstelleinrichtung ist mit einem flügelzellenartigen
Nockenwellenversteller gestaltet, der mindestens zwei gegenläufige
Hydraulikkammern als Arbeitskammern hat. Weiterhin weist die Nockenwellenverstelleinrichtung
ein Ventil, insbesondere ein Zentralventil auf. Das Ventil ist im
Zentrum eines Rotorkerns des flügelzellenartigen Nockenwellenverstellers
angeordnet. Durch Verstellen eines Kolbens des Ventils wird eine
hydraulische Verbindung von einer Druckmittelversorgung in Form
eines P-Anschlusses auf wenigstens eine der beiden Hydraulikkammern
in Form mindestens zweier Arbeitsanschlüsse, einen A-Anschluss
und einen B-Anschluss, sichergestellt. Als P-Anschluss wird der
Anschluss bezeichnet, über den der unter Druck stehende
Hydraulik- bzw. Druckmittelstrom einleitbar ist. Weiterhin weist
die Nockenwellenverstelleinrichtung mindestens einen T-Anschluss
auf, der als hydraulischer Rücklaufanschluss ausgestaltet
ist. Der T-Anschluss kann in weiterer Folge zum Beispiel in einen Tank
oder in einen Motorsumpf führen. Erfindungsgemäß weist
das Ventil weiterhin wenigstens einen Arbeitskammerumladungsanschluss,
einen A'-Arbeitskammerumladungsanschluss bzw. einen B'-Arbeitskammerumladungsanschluss,
für Übermengen eines Hydraulikmittels von einer
Arbeitskammer auf die nächste Arbeitskammer auf. Der Arbeitskammerumladungsanschluss,
d. h. der A'-Arbeitskammerumladungsanschluss bzw. der B'-Arbeitskammerumladungsanschluss,
ist entlang der Axialerstreckung des Ventils zwischen den beiden
Arbeitsanschlüssen, d. h. zwischen dem A-Anschluss und
dem B-Anschluss, platziert. Dadurch, dass die Umladefunktionalität durch
ein Zentralventil realisiert ist, ist vorteilhafterweise eine Nockenwellenverstelleinrichtung
zu schaffen, die das Druckmittel auf besonders kurzen Wegen innerhalb
der Nockenwellenverstelleinrichtung führt, was sich günstig
auf die Ansprechgeschwindigkeit und die Regelgüte der Nockenwellenverstelleinrichtung
auswirkt. Zudem ergibt sich durch die Druckmittelführung
durch das Zentralventil eine kompakte Baueinheit, wobei die Nockenwelle
im Wesentlichen frei von Druckmittelleitungen bzw. -leitungsblechen
gehalten werden kann.
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Der
Rotorkern des Nockenwellenverstellers ist fluchtend mit der Nockenwelle
verbunden. Die Nockenwelle ist, zumindest endseitig, wo der Nockenwellensteller
bzw. der Rotorkern mit ihr verbunden ist, als hohler rohrförmiger
Körper mit eine zentralen Längsmittelachse ausgebildet.
Man kann daher den Nockenwellenversteller als endseitig der Nockenwelle
längsaxial und bezogen auf die Längsmittelachse der
Nockenwelle radial von der Längsmittelachse der Nockenwelle
sich erstreckende Baueinheit betrachten.
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Zu
jedem Arbeitsanschluss ist vorteilhafterweise wenigstens ein Arbeitskammerumladungsanschluss
benachbart angeordnet, d. h., zu einem A-Anschluss ist ein A'-Arbeitskammerumladungsanschluss
und zu einem B-Anschluss ist ein B'-Arbeitskammerumladungsanschluss
benachbart angeordnet. Benachbart bedeutet, die Anschlüsse
liegen unmittelbar nebeneinander, wobei sie durch ein Dichtungsmittel
gegeneinander abgedichtet sein können. Vorzugsweise ist
zumindest jeder Arbeitskammerumladungsanschluss innwandig einer
Ventilhülse und außerhalb des Kolbens mit einem
Rückschlagsventil unterlegt. Wenn hier von innwandig die
Rede ist, so ist der den Außenmantel des Kolbens einhüllende
Innenwand-Bereich und die Innenwand der Ventilhülse gemeint.
Das Rückschlagsventil kann zum Beispiel in Form eines partiell
eindrückbaren Rückschlagsbandes ausgebildet sein.
Dadurch, dass jedem Arbeitsanschluss ein eigener, d. h. separat
ausgebildeter, Arbeitskammerumladeanschluss zugeordnet ist, lässt
sich günstigerweise das Schnellumladeprinzip einfach und
in einer besonders schnellen Ausbildung realisieren.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn jeder Arbeitsanschluss A, B in einer außerwandig
der Ventilhülse angeordneten Ringnut mündet. Außerwandig bezeichnet
einen Bereich nächst der Außenwand, d. h. der
dem Rotor bzw. der Nockenwelle zugewandten Seite, und die Außenwand
der Ventilhülse. Die Ringnut kann sowohl den jeweiligen
Arbeitsanschluss A, B als auch den Arbeitskammerumladungsanschluss A',
B' zusammenhängend bilden. Das Ventil kann durch eine Kolbenverschiebung
einzelne Anschlüsse hydraulisch abkoppeln. Bei einer hydraulischen
Abkopplung des einen Arbeitsanschlusses kann der ihm zugehörige
Arbeitskammerumladungsanschluss weiterhin hydraulisch genutzt werden.
Dazu hat der Arbeitskammerumladungsanschluss ein Rückschlagsventil.
Das entsprechend dem Arbeitskammerumladungsanschluss zugehörige
Rückschlagsventil dient zur einseitigen Durchleitung des
Hydraulik- bzw. Druckmittels bei Überdrücken,
insbesondere in die Rückflussrichtung. Durch diese Gestaltung kann
die Übermenge des Hydraulikmittels aus der angeschlossenen
Hydraulikkammer über einen zentralen P-Kanal des Ventils
weiterleitet werden. Durch die zentrale Führung des P-Kanals
ist der Kolben des Ventils möglichst druckausgeglichen.
Die Druckmittelbeaufschlagung steigert nicht die aufzuwendende elektrische
Energie zur Verstellung des Kolbens, sondern das unter Druck stehende
Hydraulikmittel wird einstellungsneutral an die jeweiligen Durchleitungskanäle,
wie Bohrungen, des Ventils zu den Arbeitsanschlüssen herangeführt.
In die drehende Nockenwelle hinein muss nur noch ein Hydraulikmittelanschluss
geführt werden, der durch das Schraubengewinde der Cartridgehülse
einseitig zur Hohlnockenwelle vorteilhaft abgedichtet werden kann.
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Günstigerweise
ist der T-Anschluss zweigeteilt ausgestaltet. Insbesondere ist es
günstig, wenn ein Teil, d. h. ein T2-Anschluss, durch eine
als Schraubkopf gestaltete Hülsenendung des Ventils radial
parallel der aus dem Rotorkern herausgehenden Flügelrichtung,
vorzugsweise mit offener Endung, verläuft. Durch die zweiteilige
längsaxial versetzte Ausbildung des T-Anschlusses gelingt
vorteilhafterweise die Ableitung des Druckmittels aus beiden Arten
von Hydraulikkammern, d. h. aus einer Hydraulikkammer und aus der
zu ihr gegenläufigen Hydraulikkammer.
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Bevorzugterweise
sind alle Arbeitskammerumladungsanschlüsse A', B' längsaxial
gesehen zwischen den Arbeitsanschlüssen (A, B) angeordnet.
Es ergibt sich durch diese Ausbildung somit eine Reihenfolge A-A'-B'-B
der Anschlüsse. Dadurch ergibt sich eine übersichtliche
spiegelsymmetrische Kanal- bzw. Anschlussaufteilung längs
des Ventils, wobei vorteilhafterweise die Anzahl der in den Kolben
eingeformten Nuten, welche die Anschlüsse mit dem P-Anschluss
verbinden können, und somit die längsaxiale Baulänge
des Ventils gering gehalten werden kann.
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Vorteilhaft,
wenn auch nicht so bevorzugt, ist auch eine Ausbildung, bei der
die Arbeitskammerumladungsanschlüsse A', B' und die Arbeitsanschlüsse (A,
B) längsaxial gesehen in abwechselnder Reihenfolge angeordnet
sind. Unter Nutzung der Dichtstrecken des Kolbens werden so die
Leckagen über das Ventil von einer Hydraulikseite zu den übrigen
hydraulischen Verbindungen reduziert.
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Das
Druckmittel gelangt auf einer Strecke von radial außen über
den P-Anschluss nach radial innen geführt in das als Zentralventil
ausgebildete Ventil. Insbesondere gelangt das Druckmittel in den mit
Ausnahme seiner Längsenden als durchgängig hohler
Cartridgekolben ausgebildeten Kolben. Vom Kolben gelangt das Druckmittel
nach einer axialen Wegstrecke, dem zentralen P-Kanal, innerhalb
des Kolbens nach radial außen. Die Ab- und Zuströmungen
erfolgen jeweils rechtwinklig zum zentralen P-Kanal des Hohlkolbens.
Schließlich gelangt das Druckmittel über die Arbeitsanschlüsse
und durch im Rotorkern ausgebildete Kammerzuleitungen geführt in
die Arbeitskammern. Der auf der Strecke von dem Druckmittel zurückzulegende
Weg weist eine einzige hydraulische Einleitung in die Nockenwelle
auf. Der Weg ist vorteilhafterweise in seiner Länge minimiert. Durch
die kompakte und kurze Ausbildung der Wege ergeben sich kurze Ansprechzeiten
der Nockenwellenverstelleinrichtung, was sich wiederum unter einem
regelungstechnischen Aspekt vorteilhaft auf die Regelgüte
auswirkt.
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Vorteilhafterweise
ist die Ventilhülse als in eine Nockenwelle einzusetzende
Cartridgehülse, insbesondere als Hohlschraube, ausgebildet.
Die Hülse erstreckt sich dabei längsaxial durch
den Rotorkern hindurch und ist mit der zumindest endseitig hohlen Nockenwelle
drehfest verbunden, beispielsweise in die Nockenwelle eingeschraubt.
Durch die Ausbildung als Schraube ist das Ventil besonders einfach und
zuverlässig, insbesondere im Sinne einer Verdrehsicherheit,
mit der Nockenwelle verbindbar.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn jeder Arbeitsanschluss, d. h. jeder A-Anschluss
und jeder B-Anschluss, radial innen in eine Ringnut mit einem gewölbten
Nutengrund der Hülse mündet. Die Ringnut erstreckt
sich günstigerweise längsaxial etwa über
zwei Drittel des Arbeitsanschlusses. Durch die Ringnut wird vorteilhafterweise
eine Ablaufkantensteuerung zur Vermeidung des Verlassens eines Solldrehwinkelbereiches
des Rotorkerns ausgebildet. Ein Über- bzw. Unterschwingen
aus dem Sollbereich einer vorgegebenen Drehwinkelstrecke kann damit
günstigerweise vermieden werden.
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Die
Anzahl der Arbeitskammerumladungsanschlüsse ist kleiner
oder gleich der Anzahl der Hydraulikkammern. Bei einer Anzahlengleichheit
gelingt die Realisierung einer besonders steifen und schnellen Folgecharakteristik
der Nockenwellenverstelleinrichtung. Bei einer kleineren Anzahl
von Arbeitskammerumladungsanschlüssen, wie beispielsweise
bevorzugt einer Anzahl von Arbeitskammerumladungsanschlüssen
von ein Halb oder ein Viertel der Anzahl der Hydraulikkammern, ist
die Folgecharakteristik zwar weicher, jedoch lässt sich
mit einer solchen Gestaltung eine längsaxial besonders
kurze Baueinheit schaffen.
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Vorteilhafterweise
ist der Arbeitsanschluss und der zugehörige Arbeitskammerumladungsanschluss,
d. h. beispielsweise ein A-Anschluss und der ihm zugeordnete A'-Arbeitskammerumladungsanschluss,
hydraulisch von dem längsaxial benachbarten Arbeitsanschluss
und dem zugehörigen Arbeitskammerumladungsanschluss, d.
h. dem benachbarten B-Anschluss und dem ihm zugeordneten B'-Arbeitskammerumladungsanschluss,
durch eine radial zwischen dem Rotorkern und der Ventilhülse
angeordnete erste Dichtung getrennt. Die Dichtung kann ein O-Ring,
beispielsweise aus einem elastischen Material, wie ein Gummiring,
sein. Die Dichtung kann jedoch auch als eine metallische Dichtung
ausgebildet sein. Eine metallische Dichtung ist insbesondere bei
besonders kurzen Bauformen der Nockenwellenverstelleinrichtung vorteilhaft.
Die metallische Dichtung kann beispielsweise durch eine präzise
Fertigung eines, insbesondere radial umfänglich sich erstreckenden,
Presssitzes zwischen Ventilhülse und Rotorkern ausgebildet
werden.
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Günstigerweise
weist die Nockenwelle zur Ausleitung von Lecköl ein Entlüftungsloch
auf. Auch trägt das Entlüftungsloch zum Druckausgleich
bei.
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Durch
die geschilderten Ausbildungen der Erfindung gelingt es, eine in
ihrer Folgecharakteristik nach einer Sollgröße
des relativen Verdrehwinkels schnell und dennoch nicht zu unerwünschten
relativen Drehschwingungen neigenden Nockenwellenverstelleinrichtung
zu schaffen. Die Druckseite der Hydraulikversorgung ist leckagereduziert,
dank der geringen Anzahl hydraulischer Drehdurchführungen.
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Figurenbeschreibung
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Weitere
vorteilhafte Eigenschaften und Ausbildungen der Erfindung werden
anhand der im Folgenden erläuterten Zeichnungen beschrieben.
In diesen Zeichnungen zeigt
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1 einen
Klapplängsschnitt einer ersten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Nockenwellenverstelleinrichtung;
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2 einen
Querschnitt entlang der Linie I-I (ein wenig gedreht) in 3 durch
den Nockenwellenversteller einer zweiten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Nockenwellenverstelleinrichtung;
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3 einen
Klapplängsschnitt der zweiten Ausführungsform
aus 2.
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Nachfolgend
werden zwei Ausführungsformen der Erfindung anhand der
Figuren näher beschrieben. Ähnliche Bauteile,
Funktionen und Bauteilgruppen werden zur Förderung des
leichteren Verständnisses des Lesers mit den gleichen Bezugszeichen
versehen, obwohl sie von Ausführungsbeispiel zu Ausführungsbeispiel
zueinander Abweichungen aufweisen können.
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Die
in 1 gewählte Darstellung der ersten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Nockenwellenverstelleinrichtung 1 ist
eine so genannte Klappschnittzeichnung, genauer eine Klapplängsschnittzeichnung.
Darunter ist zu verstehen, dass der Schnitt zwei Ebenen umfasst,
deren gemeinsame Schnittgerade die zentrale Längsmittelachse
L der Nockenwellenverstelleinrichtung 1 ist. Anschaulich kann
man sich den Klappschnitt so entstanden denken, dass aus der längsaxial
und radial sich erstreckenden Nockenwellenverstelleinrichtung ein
Stück ähnlich einem Tortenstück aus einer
Torte ausgeschnitten wird, und die Schnittflächen in die
Zeichnungsebene gelegt werden, wobei sich die Schnittflächen
von der gemeinsamen Längsmittelachse L wegstrebend erstrecken.
Dass es sich bei den Längsschnitten in 1 und 3 um
Klappschnitte handelt, ist beispielsweise daran ersichtlich, dass
die Windungen der Kolbenrückstellfeder 84, hier
eine Spiralfeder, welche den Kolben 20 in der Hülse 28 in eine
Vorzugsposition vorspannt, an der Längsmittelachse L nicht
paarweise stetig ineinander übergehen, sondern Brüche
aufweisen. Grundsätzlich lässt sich durch die
Arbeitskammerumladungsanschlüsse A', B' das von der Nockenwelle 24 in
den Rotorkern 16 und damit in die Flügel des schwenkmotorischen, flügelzellenartigen
Nockenwellenverstellers 2 eingeleitete, von den Rückstellfedern
der Gaswechselventile (nicht dargestellt) stammende, Drehmoment
zur Stabilisierung der Folgecharakteristik der Nockenwellenverstelleinrichtung 1 nutzen,
indem Druckmittel mittels der Umladeanschlüsse A', B' von
einer Hydraulikkammer bzw. Arbeitskammer 4 in eine zu ihr gegenläufige
Hydraulikkammer bzw. Arbeitskammer 8 umgeleitet wird.
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Durch
die Umladung baut sich in einer Arbeitskammer ein Druckpolster genau
entgegensetzt dem auf, das in der gegenläufigen Arbeitskammer eingeleitet
wurde und somit kann die Stabilisierung erreicht werden.
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Die
Nockenwellenverstelleinrichtung 1 weist ein Ventil 12 auf.
Mittels des Ventils 12 wird Druckmittel von einer Druckmittelversorgung
(nicht dargestellt) je nach längsaxialer Stellung des Kolbens 20 vom
P-Anschluss her in die Arbeitskammern zugeleitet bzw. von den Arbeitskammern über
einen T-Anschluss aus der Nockenwellenverstelleinrichtung 1 abgeleitet.
Der P-Anschluss ist mit einer Druckmittelversorgung verbunden (nicht
dargestellt). Der T-Anschluss kann mit einem Tank oder mit einem
Motorsumpf verbunden sein (nicht dargestellt). Das Ventil 12 ist
in beiden Ausführungsformen als cartridgeartiges Zentralventil
ausgebildet.
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Die
Anordnung zumindest eines Arbeitskammerumladungsanschlusses A',
B', man könnte kurz von einem Umladeport A', B' sprechen,
ist erfindungsgemäß zwischen den Arbeitsanschlüssen
A und B gewählt. Die Reihenfolge kann, wie in der ersten
Ausführungsform, A-A'-B'-B sein. Die Reihenfolge könnte
auch beispielsweise A-A'-B-B' sein. Die Bezeichnungen A und B sollen
lediglich die gegenläufigen Kammern auseinanderhalten helfen.
Daher könnte die Reihenfolge mit B-B'-A'-A bzw. B-B'-A-A' symbolisiert
werden.
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Die
Umladefunktionalität ist erfindungsgemäß durch
das Zentralventil realisiert. Wie insbesondere aus den Zeichnungen
ersichtlich ist, gelingt es durch die erfindungsgemäßen
Ausbildungen, kurze Wege für das Druckmittel zu realisieren.
Insbesondere sind Umleitbleche, zusätzliche Bypasskanäle
etc. auf ein Minimum reduziert.
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Das
Druckmittel wird vom achsgleich angeordneten Abschnitt des zentralen
P-Kanals 103 durch das Ventil 12, d. h. durch
den Kolben 20, hindurch, je nach dessen Verschiebestellung, über achsparallele
Abschnitte des zentralen P-Kanals 103, die zwischen Kolbenaußenwand
und Hülseninnenwand verlaufen, auf die einzelnen Arbeitskammern 4, 8 geleitet.
Von den Arbeitskammern wird das Druckmittel zum Umladen von einer
Kammer 4 auf die andere gegenläufige Kammer 8 geleitet.
In einer Kolbenstellung ähnlich der, wie sie in 1 gezeigt ist,
jedoch bei durch den Kolben 20 gänzlich sowohl vom
P-Anschluss als auch vom T-Anschluss abgeschlossenem A-Anschluss
kann beispielsweise die über den A-Anschluss vorher mit
Druckmittel aufgeladene Kammer 4 sich über den
Arbeitskammerumladungsanschluss A' und den B-Anschluss in die gegenläufige
Kammer 8 umladen. Zum Ablassen von Druckmittel aus einer
Kammer 4, 8 wird der Kolben 20 axial
so verschoben, dass ein Arbeitsanschluss A, B mit einem T-Anschluss
verbunden wird.
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Beide
Ausführungsformen weisen Rückschlagventile 32 auf.
Die Rückschlagventile 32 sind in Form von Rückschlagsbändern 36 ausgebildet. Die
Rückschlagsbänder 36 sind zumindest partiell eindrückbar.
Jedes Band 36 ist jeweils komplett umlaufend ausgebildet,
was im Zusammenhang mit der zweiten Ausführungsform insbesondere
aus 3 ersichtlich ist. Die Bänder 36 können
beispielsweise aus Blechstreifen bestehen. Die erste Ausführungsform
weist Rückschlagventile 32 auf, die jeweils den P-Anschluss
und die Arbeitskammerumladungsanschlüsse A', B' vor unerwünschten
Rückströmungen des Druckmittels schützen.
Die Rückschlagsventile können auch als Kugelventile,
insbesondere und weniger bevorzugt als zentrale, d. h. im Kolben 20 verbaute,
Kugelventile ausgebildet sein.
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Der
Kolben 20 ist als cartridgeartiger Hohlkolben ausgebildet,
der zusätzlich zu seiner im Zusammenwirken mit der Ventilhülse 28 ausgebildeten Ventilfunktion
als Druckmittelleitungselement genutzt wird.
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Der
P-Anschluss und ein T-Anschluss sind in beiden Ausführungsformen
nockenwellenseitig jenseits eines Kettenrades 72 angeordnet.
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Der
Kolben 20 ist in der Cartridgehülse 28 längsaxial
verschiebbar. Die Verschiebekraft könnte beispielsweise über
einen (nicht dargestellten) Elektro-Magneten erfolgen, der abgewandt
der Nockenwelle 24 angeordnet ist.
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Die
Ringnuten, wie beispielsweise die Ringnuten 64, durch die
das Druckmittel umfänglich innerhalb der Hülse 28 um
den Kolben 20 herumleitbar ist, setzen sich jeweils zusammen
aus einem in den Kolben 20 eingearbeiteten Teil und aus
einem in die Cartridgehülse 28 eingearbeiteten
Teil.
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In
der ersten Ausführungsform ist der zum P-Anschluss unmittelbar
benachbarte T-Anschluss mittels zweier längsaxial jeweils
links und rechts neben dem T-Anschluss angeordnete, umfänglich
sich erstreckende Dichtungen gegenüber dem P-Anschluss
und dem benachbarten A-Anschluss abgedichtet. Die Angaben „links” bzw. „rechts” beziehen sich
auf die Längsschnittdarstellungen in den 1 und 3.
Diese beiden Dichtungen, in 1 als zweite
Dichtung 76 und als dritte Dichtung 80 angezogen,
liegen radial zwischen der Innenwand der Nockenwelle 24 und
der Außenwand der Hülse 28. Der A-Anschluss
ist durch die erste Dichtung 60 gegen das längsaxial
links neben ihm platzierte Anschlusspaar B, B' abgedichtet. Die
erste Dichtung 60 liegt radial zwischen dem Rotorkern 16 und
der Hülse 28.
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Das
als klassisches Cartridgeventil ausgebildete Ventil 12 ist
gleichzeitig als Schraube ausgebildet. Die Schraube bildet die Ventilhülse 28.
Man könnte auch von einer Zentralschraube 28 sprechen. Die
Zentralschraube 28 sichert den Nockenwellenversteller 2 kraftschlüssig
und formschlüssig auf der Nockenwelle 24. Die
Sicherung könnte auch rein kraftschlüssig oder
rein formschlüssig ausgebildet sein. Die Zentralschraube 28 ist
gleichzeitig die cartridgeartige, innen hohl gestaltete Ventilhülse 28.
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Die
Schraube 28 weist einen Schraubkopf 48 auf. Durch
den Schraubkopf 48 ist radial von einer zwischen dem Kolben 20 und
der Hülse 28 angeordneten, ringförmigen
Ablassnut 88 ausgehend ein zweiter T-Anschluss T2 geführt.
Dieser T2-Anschluss dient zum Ablassen von Druckmittel aus der B-Kammer,
d. h. aus der Arbeitskammer 8, die über den B-Anschluss
befüll- bzw. entleerbar ist. Wegen der Gestaltung, dass
der zentrale P-Kanal 103 abschnittsweise achsgleich im
Inneren des Hohlkolbens entlang geführt ist, und längsaxial
zwischen den Schraubkopf 48 und dem ersten T-Anschluss,
welcher links unmittelbar benachbart neben dem P-Anschluss angeordnet
ist, eine Ab- und Rückleitung aus der B-Kammer zu diesem
ersten T-Anschluss ohne zusätzliche Bypassrückleitungen
bzw. separate Druckmittelführungskanäle nicht
möglich ist, ist der zweite T-Anschluss T2 günstig.
Durch die Ausbildung des T2-Anschlusses kann auf separate Bypassrückleitungen über
gesonderte Druckmittelführungskanäle zurück
zum T-Anschluss vorteilhafterweise verzichtet werden.
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Der
Klappschnitt in 1 ist in der oberhalb der Längsmittelachse
L liegenden Hälfte durch einen Statorflügel 93 des
Nockenwellenverstellers 2 durchgeführt. Der Raum
der vor dem Statorflügel 93 sich ausbreitenden
Arbeitskammer 4 ist daher nicht dargestellt und lediglich
das Bezugszeichen 4 angedeutet. In der unteren Klappschnitthälfte
von 1 ist hingegen der Schnitt durch die Arbeitskammer 8 gelegt.
Die Hydraulik- bzw. Arbeitskammern 4, 8 sind gestuft
gebaut, wodurch sich Dämpfungs- und Sammelfunktionen realisieren
lassen.
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Durch
den Rotorkern 16 sind Zuleitungen 52, 56 zu
den Kammern 4, 8 geführt. Die Zuleitungen 52, 56 dienen
sowohl der Zuleitung als auch der Ableitung von Hydraulikmittel
aus den Kammern 4, 8. Der Rotorkern 16 kann
gesintert sein und die Zuleitungen 52, 56 entsprechend
in diesen eingeformt. Die Zuleitungen könnten jedoch auch
beispielsweise in den Rotorkern 16 eingebohrt sein.
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Die
Arbeitskammer 4 wird in der ersten Ausführungsform
von einem A-Anschluss und die Kammer 8 von einem Anschluss
B gespeist.
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Der
Rotorkranz 16 mit den Rotorflügeln 94 ist um
die Längsmittelachse drehbar. Außen ist der Stator 92 mit
der Statorwand und dem Statorflügel 93, wobei
das Kettenrad 72 auf den Stator 92 mittels einer
oder mehrerer Verspannungsschrauben 96 aufgeschraubt ist,
sodass durch das Kettenrad 72 und den Stator 92 eine
dichte, druckautarke Hülle entsteht, die hydraulisches
Druckmittel aufnehmen kann.
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Der
Rotor 16 ist zum Stator 92 durch eine Spiralfeder 100 in
eine Vorzugsposition gedrückt. Die Vorzugsposition ist
bei niedrigen, unkontrollierten oder besonderen Druckverhältnissen,
z. B. während einer, Abschaltprozedur, einnehmbar.
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Der
Kolben 20 ist schraubkopfseitig mit einem Sicherungsring 101 im
Schraubenkopf 48 gesichert. Der Sicherungsring 101 ist
in der ersten Ausführungsform umfänglich durchgehend
ausgebildet. In der zweiten Ausführungsform 3 ist
der Sicherungsring 101 unterbrochen als Sprengring ausgebildet.
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Durch
die Ringnuten 40, 44, man könnte von einer
A/A'-Ringnut und von einer B/B'-Ringnut sprechen, entsteht jeweils
ein Raum, in den ein A-Anschluss und ein A'-Arbeitskammerumladungsanschluss
bzw. ein B-Anschluss und ein B'-Arbeitskammerumladungsanschluss
gemeinsam münden. Der im oberhalb der Längsmittelachse
L zwischen der ersten und zweiten Dichtung 60, 76 dargestellte Raum
bildet beispielsweise die durchgehende Ringnut 40, die
man auf der der ersten Dichtung 60 zugewandten Hälfte
als A'-Nut und auf der der zweiten Dichtung 76 zugewandten
Hälfte als A-Nut bezeichnen kann. Die Nut 40, 44 ist
somit eine doppelfunktionale Nut A, A' bzw. B, B'. Die Nut 40, 44 ist
eine zusammenhängende, in unterschiedliche Bohrungen mündende
Nut 40, 44. Die Nut 40, 44 ist
eine längsgestreckte, wenigstens zweifach angefahrene Nut.
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Der Übergang
vom einem in der Hülse 28 angeordneten Anschluss
A, B ist als Ringnut 64 mit einem gewölbten Nutengrund
gestaltet, wodurch eine Ablaufkantensteuerung realisiert ist, durch
welche zunächst die aufzuladende Arbeitskammer geöffnet wird,
bevor die abzulassende Arbeitskammer geöffnet wird. Auf
diese Weise kann ein „Unterschwingen”, wie im
nächsten Absatz erläutert, vermieden werden.
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Auf
den sehr leicht gängigen Rotor 16 werden von der
Nockenwelle 24, wie oben ausgeführt, wiederholt
Drehmoment-Rückschläge, hervorgerufen zum Beispiel
durch die Gaswechselventilrückstellfedern des Ventiltriebs,
eingeleitet. Einerseits sorgen die Rückschlagsbänder 36 für
eine Stabilisierung der Folgecharakteristik. Andererseits soll bei
einer Positionsänderung des Drehwinkels, der sich beispielsweise
in einem Bereich von ca. 0° und 22° bewegen kann,
ein Verlassen des erwünschten Drehwinkelbereichs, d. h.
startend mit einem IST-Drehwinkel, wie 10°, und endend
mit einem SOLL-Drehwinkel, wie 18°, vermieden werden. Insbesondere soll
das Durchlaufen vom IST- zum SOLL-Drehwinkel, wie von 10° auf
18°, ohne Absinken auf einen Wert unter 10°, wie
beispielsweise von 10° auf 9°, und dann erst Durchlaufen
des gewünschten Bereiches erfolgen. Die durch die Ablaufkantensteuerung realisierbare
hydraulische Vorspannung ermöglicht es, ein solches negatives Überschwingen
zu verringern. Wenn hier von einem Drehwinkel die Rede ist, so ist
der relative Verstellwinkel zwischen Stator 92 und Rotor 16 gemeint.
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Die
Nockenwelle 24 zeigt in der ersten Ausführungsform
in 1 in der Hälfte oberhalb der Längsmittelachse
L ein kleines Loch. Es handelt sich um ein Entlüftungsloch 68 zur
Ausleitung von Lecköl, welches in das hohle Endstück
der Nockenwelle 24 gelangt sein könnte. Durch
die beiden Federteller 85, 86, an denen sich die
Kolbenrückstellfeder 84 abstützt, ist
jedoch grundsätzlich eine vorteilhafte Dichtigkeit zum
Hohlraum der Nockenwelle geschaffen. Wie in 1 ersichtlich
ist ein kolbenseitiger Federteller 85 und ein hülsenseitiger
Federteller 86 vorhanden.
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Durch
eine Kolbenverstellung des Kolbens 20 können wahlweise
einer oder beide Arbeitsanschlüsse A, B von der Druckmittelversorgung
abgekoppelt werden. Das Hydraulikmittel wird über ein Rückschlagsband 36 bzw.
ein Rückschlagsventil 32 in die Mitte, d. h. nach
radial innen zur Außenwand des Kolbens 20, des
Ventils 12 geführt. Rückschlagsbänder
decken in beiden Ausführungsformen sowohl die Arbeitskammerumladungsanschlüsse
A', B' als auch den P-Anschluss ab. Wird über die Arbeitskammerumladungsanschlüsse
A', B' bei Drucküberschreitung gegenüber dem unter
Druck stehenden Hydraulikmittel des Versorgungskanals, das ist der achsgleiche
Abschnitt des zentralen P-Kanals 103, innerhalb des Ventils 12 eine
rückwärtige Drehmomenteinleitung ermöglicht,
so öffnet das entsprechend zugehörige Rückschlagsventil 32 und
lässt den pulsierenden Hydraulikstrom in Form von zusätzlichem
Hydraulikmittel in die gegenläufige Arbeitskammer strömen.
Das den P-Anschluss abdeckende Rückschlagsventil bzw. Rückschlagsband schützt
die Druckmittelversorgung, wie eine Pumpe, vor unerwünschten
Beaufschlagungen mit Druckrückschlägen aus dem
Nockenwellenversteller als Druckverbraucher.
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Die
zweite Ausführungsform, die in den 2 und 3 dargestellt
ist, weist längsaxial zwischen den Arbeitskammern 4, 8 lediglich
einen Umladeport A' bzw. B' auf. Daher ist hier auch nur ein Rückschlagsband 36 vorhanden,
das die Umladeports A', B' abdeckt. Die Reihenfolge der Anschlüsse ist
für die zweite Ausführungsform somit von rechts nach
links A-A'/B'-B. Diese Reihenfolge stellt quasi eine Grundkonfiguration
dar. In dieser Grundkonfiguration ist die Durchlöcherung
der Hülse 28 reduziert.
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Die
Rückschlagsfunktion des Bandes 36 ist in den beiden
Zeichnungshälften von 3 unterschiedlich
zugeteilt. Ein einziges Rückschlagsband 36 dient
als Rückschlagsventil 32 sowohl für den A'-Anschluss
als auch den B'-Anschluss. In der Hälfte oberhalb der Längsmittelachse
L ist das Rückschlagsband 36 dem A-Anschluss zugeteilt,
somit entspricht der durch das Band 36 in der oberen Hälfte abgedeckte
Anschluss einem Arbeitskammerumladungsanschluss A'. Auf der Unterseite
von 3 deckt das Rückschlagsband 36 demgegenüber
einen Arbeitskammerumladungsanschluss B' ab. In einer solchen Konfiguration
sind nicht alle Kammerzuleitungen A, B eines Kammertyps 4, 8 an
einem Arbeitskammerumladungsanschluss A', B' angeschlossen, sondern
es sind nur ausgewählte Kammern eines Typs, z. B. nur eine
einzige Kammer oder z. B. zwei von vier Kammern, hydraulisch mit
einem Arbeitskammerumladungsanschluss verbindbar.
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Die
Arbeitskammern sind mehrfach aufgebaut. Wenn, wie in den beiden
Ausführungsformen, vier Flügel, d. h. vier Statorflügel 93 und
vier Rotorflügel 94, vorhanden sind, so ergeben
sich vier A-Kammern 4, und vier B-Kammern 8. Es
können auch beispielsweise drei oder fünf Flügel
ausgebildet sein. Die Kammern folgen entlang des Statorumfanges aufeinander
und sind infolge des in ihnen befindlichen unter Druck gesetzten
Druckmittels paarweise gegenläufig wirkend. Jeder Rotorflügel 94 des
Nockenwellenverstellers 2 zerteilt sozusagen einen Hohlraum
in der Statorhülle, der von zwei Statorflügeln 93 und
der Statorwand 92 bewandet ist, in zwei Kammern, von denen
eine eine A-Kammer und die andere die gegenläufige B-Kammer
ist. Mehrere Kammern des gleichen Typs sind hydraulisch parallel verschaltet.
Die Flügel sind zwar innerhalb der Statorhülle
relativ zueinander drehbar, jedoch kann das Druckmittel in einem
durch ihn zweigeteilten Statorhohlraum nicht einen Flügel
passieren und somit ist ein unerwünschtes Hinübergelangen
von Druckmittel innerhalb eines Statorhohlraumes von einer A-Kammer
in die gegenläufige B-Kammer ausgeschlossen.
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Die
Anzahl der Kammern, auf die die Umladeports, d. h. die Arbeitskammerumladungsanschlüsse,
gehen, kann variiert werden. Beispielsweise können bei
einer vierflügeligen Ausbildung des Nockenwellenverstellers 2 zwei
A-Arbeitsanschlüsse bzw. zwei A-Kammern 4 jeweils
mittels einem Arbeitskammerumladungsanschluss A' verbunden sein.
Analog können zwei B-Kammern 8 auf jeweils einen
Arbeitskammerumladungsanschluss B' geführt sein und die
restlichen A- bzw. B-Anschlüsse haben keinen eigenen Umladeport
A' bzw. B'. Damit lässt sich eine kürzer bauende Schraube
bzw. Cartridge 28 schaffen, weil eine Lochreihe einsparbar
ist. Auch ist dadurch die Stabilisierungskraft einstellbar.
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Während
die zweite Ausführungsform besonders vorteilhaft in schmal
gestalteten Nockenwellenverstellern 2 ist, überzeugt
die erste Ausführungsform durch ihre gleichmäßige Überladung
der Übermengen aus allen Arbeitskammern 4, 8.
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Bei
der zweiten Ausführungsform ist der nockenwellenseitige
T-Anschluss analog zur ersten Ausführungsform durch eine
zweite und eine dritte Dichtung 76, 80 abgedichtet.
Anders als in der ersten Ausführungsform sind bei der zweiten
Ausführungsform jedoch die jeweils zusammenhängenden A/A'-Nut
und die B/B'-Nut 40, 44 metallisch abgedichtet.
Die metallische Dichtung 102 kann beispielsweise durch
einen Presssitz zwischen Hülse 28 und Rotorkern 16 realisiert
werden. Durch eine präzise Fertigung gelingt diese metallische
Abdichtung, mittels der ein besonders kurz bauendes Ventil 12 geschaffen
werden kann.
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Der
Rückstellfederraum 106 in dem die Spiralfeder 100 angeordnet
ist, kann offen ausgebildet sein, d. h. die Abdeckkappe 104 kann Öffnungen 105 aufweisen
(nicht dargestellt). In die Öffnungen 105 können
Teile der Spiralfeder 100 hineinragen. Die Spiralfeder 100 kann
auch teilweise durch die Öffnungen 105 hindurchragen.
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Der
zentrale P-Kanal 103 ist einerseits achsgleich im Hohlkolben 20 geführt,
andererseits auch achsparallel durch hydraulische Umladenuten, in
die zwei Rückschlagsbänder/-ventile münden,
begrenzt. Man könnte von hydraulischer, unterbrechungsfreier Kommunikation
sprechen, wobei die Hülse 28 außenwandig
weiterhin wenigstens zwei mehrfach angesteuerte (Axial)Längsnuten 40, 44 zur
Hydraulikdurchströmung in unterschiedliche Richtungen benötigen.
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Bei
der zweiten Ausführungsform ist eine antiparallele Durchströmung
von Kammerleitungen ausgebildet (3).
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So
ist nach einem weiteren Aspekt eine stückchenweise antiparallel
durchzuströmende Hydraulikstreckengestaltung entweder im
Nockenwellenversteller oder in der Hülse realisiert.
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Die
Zu- bzw. Ableitung erfolgt in allen gezeigten Ausführungsformen
rechtwinklig zum zentralen P-Kanal 103.
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In
allen Ausführungsformen ist eine ebenengleiche Mehrfachdurchstoßung
des Hohlkolbens 20 ausgebildet.
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Zusammenfassend
kann somit gesagt werden: Das Zentralventil ermöglicht
eine kompakte Bauform und das Umladen der Kammern auf kurzen Wegen
trägt dazu bei, dass der Nockenwellenversteller vorteilhafterweise
zügig und stetig den Sollbereich des Drehwinkels durchfährt.
Ein zweiter Aspekt ist die Ablaufkantensteuerung, durch die eine
hydraulische Vorspannung der Arbeitsseite bzw. -kammer gegenüber
der Ablaufseite bzw. -kammer erreicht wird. Beim Eintritt in eine
Positionsveränderungsphase, d. h. beim Verschieben des
Kolbens 20 so, dass die A-Kammer 4 größer
wird, bewirkt die hydraulische Vorspannung, dass zuerst in der A-Kammer 4 der
hydraulische Druck aufgebaut wird und erst dann der hydraulische
Druck aus der B-Kammer abgelassen wird. Diese Funktion wird durch
die Ringnuten 64 mit dem gewölbten Nutengrund,
die sich jeweils über ca. zwei Drittel der Breite eines
Arbeitsanschlusses A, B erstrecken, realisiert. Die Anzahl der hydraulischen
Leckagestellen auf dem Weg von der Hydraulikmittelpumpe bis zur
der Nockenwellenverstelleinrichtung ist minimiert.
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Die
exemplarisch dargestellten Ausführungsbeispiele zeigen
hochintegrierte Nockenwellenverstelleinrichtungen, die – neben
weiteren Funktionen – sowohl eine hydraulische Verstellvorspannung im
Sinne einer Ablaufkantensteuerung als auch eine Umladungsstabilisierungsfunktion
im Sinne einer Direktumladung von Übermengen des Hydraulikmittels in
einer als kraftschlüssiger bzw. formschlüssiger
Befestigungsschraube gestalteten Cartridgeventils integrieren.
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- 1
- Nockenwellenverstelleinrichtung
- 2
- flügelzellenartiger
Nockenwellenversteller
- 4
- Arbeitskammer
- 8
- gegenläufige
Arbeitskammer
- 12
- Ventil
- 16
- Rotorkern
- 20
- Kolben
- 24
- Nockenwelle
- 28
- Ventilhülse
- 32
- Rückschlagsventil
- 36
- Rückschlagsband
- 40
- A/A'-Ringnut
- 44
- B/B'-Ringnut
- 48
- Schraubkopf
- 52
- Kammerzuleitung
- 56
- Kammerzuleitung
- 60
- erste
Dichtung
- 64
- Ringnut
- 68
- Entlüftungsloch
- 72
- Kettenrad
- 76
- zweite
Dichtung
- 80
- dritte
Dichtung
- 84
- Kolbenrückstellfeder
- 85
- kolbenseitiger
Federteller
- 86
- hülsenseitiger
Federteller
- 88
- Ablassnut
- 92
- Stator
- 93
- Statorflügel
- 94
- Rotorflügel
- 96
- Verspannungsschraube
- 100
- Spiralfeder
- 101
- Sicherungsring
- 102
- metallische
Dichtung
- 103
- zentraler
P-Kanal
- 104
- Abdeckkappe
- 105
- Öffnung
- 106
- Rückstellfederraum
- L
- zentrale
Längsmittelachse
- A
- Arbeitsanschluss
A
- B
- Arbeitsanschluss
B
- A'
- Arbeitskammerumladungsanschluss
A'
- B'
- Arbeitskammerumladungsanschluss
B'
- P
- P-Anschluss
- T
- T-Anschluss
- zweiter
- T-Anschluss
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
-
- - US 3109417 [0002]
- - DE 10346448 A1 [0002]
- - DE 19943833 A1 [0002]
- - DE 10346446 A1 [0002]
- - DE 102004038252 A1 [0002]
- - FR 2187051 [0002]
- - DE 102006012733 A1 [0003]
- - DE 102006012775 B4 [0003]