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Die Erfindung betrifft einen Nockenwellenversteller zur Verstellung einer Phasenlage zwischen einer Kurbelwelle und einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine.
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Aus der
US 2003/0196623 A1 ist bereits ein Nockenwellenversteller zur Verstellung einer Phasenlage zwischen einer Kurbelwelle und einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine, mit einem Stator, der dazu vorgesehen ist, antriebstechnisch mit der Kurbelwelle verbunden zu werden, mit einem Rotor, der dazu vorgesehen ist, ein Drehmoment zu einem Antrieb der Nockenwelle auszuleiten, und mit einem Verriegelungsbolzen, der radial beweglich gelagert ist und dazu vorgesehen ist, den Rotor gegenüber dem Stator zu verriegeln, bekannt.
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Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, eine besonders verbrauchsarme und sicher zu betreibende Brennkraftmaschine bereitzustellen. Sie wird durch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung entsprechend dem Anspruch 1 und dem unabhängigen Anspruch 2 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Die Erfindung geht aus von einem Nockenwellenversteller zur Verstellung einer Phasenlage zwischen einer Kurbelwelle und einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine, mit einem Stator, der dazu vorgesehen ist, antriebstechnisch mit der Kurbelwelle verbunden zu werden, mit einem Rotor, der dazu vorgesehen ist, ein Drehmoment zu einem Antrieb der Nockenwelle auszuleiten, und mit einer Verriegelungsvorrichtung, die dazu vorgesehen ist den Rotor gegenüber dem Stator zu verriegeln.
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Es wird vorgeschlagen, dass die Verriegelungsvorrichtung (13a; 13b) selbsttätig ver- und/oder entriegelt. Unter selbsttätig ver- und/oder entriegeln soll dabei insbesondere verstanden werden, dass die Verriegelungsvorrichtung unabhängig von einer Ansteuerung eines Steuergeräts, zumindest im Wesentlichen unabhängig vom Druck eines Druckfluids, wie beispielweise einem Öldruck im Ölkreislauf einer Brennkraftmaschine, und zumindest im Wesentlichen unabhängig von einer Betätigung durch eine temperatursensierende Vorrichtung, wie beispielweise einem Bimetallelement, den Rotor gegenüber dem Stator mittelbar oder unmittelbar ver- und/oder entriegelt. Unter unmittelbar ver- oder entriegeln soll dabei insbesondere verstanden werden, dass der Stator mit dem Rotor beispielweise kraft- oder formschlüssig so miteinander verbunden wird, dass eine Relativbewegung zwischen diesen beiden Bauteilen zumindest in einer Richtung, wie beispielsweise einer Umfangsrichtung eingeschränkt oder verhindert oder das diese Verbindung aufgehoben wird. Unter mittelbar ver- oder entriegeln soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass eine Relativbewegung zwischen dem Rotor und dem Stator zumindest in einer Richtung, wie beispielsweise einer Umfangsrichtung eingeschränkt oder verhindert wird, indem ein oder zwei andere Bauteile des Nockenwellenverstellers, die mit dem Rotor und/oder mit dem Stator in Wirkverbindung stehen, beispielweise kraft- oder formschlüssig miteinander oder mit dem Rotor oder dem Stator verbunden werden oder dass eine solche Verbindung aufgehoben wird. Dadurch wird es möglich, dass den Nockenwellenversteller mit einem sehr großen Stellbereich auszuführen, was einen verbrauchsarmen Betrieb der Brennkraftmaschine ermöglicht. Auch bei einem Ausfall der Ansteuerung des Nockenwellenverstellers bleibt die Brennkraftmaschine sicher betriebsfähig, da die Verriegelungsvorrichtung des Nockenwellenverstellers den Nockenwellenversteller selbsttätig verriegelt. Die Verriegelungsposition kann so gewählt werden, dass die Brennkraftmaschine sicher betriebsfähig bleibt.
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Es wird auch vorgeschlagen, dass die Verriegelungsvorrichtung eine Hysterese aufweist. Dadurch wird zuverlässig verhindert, dass die Verriegelungsvorrichtung den Nockenwellenversteller unnötig häufig ver- und wieder entriegelt. Damit wird ein eventuell auftretender Verschleiß der Verriegelungsvorrichtung vermieden, was zu einem sicheren Betrieb der Brennkraftmaschine führt.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Verriegelungsvorrichtung zumindest eine Fliehmasse umfasst, die dazu vorgesehen ist, insbesondere unterhalb einer Verriegelungsdrehzahl den Rotor gegenüber dem Stator zu verriegeln und/oder die Verriegelung unabhängig von einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung zu lösen.
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Ebenso wird vorgeschlagen, dass die zumindest eine Fliehmasse die Verriegelung infolge einer Drehbewegung löst. Dadurch kann der Rotor unmittelbar nach einem Start der Brennkraftmaschine, d. h. nach vier, vorzugsweise nach drei und besonders bevorzugt nach zwei Arbeitstakten entriegelt und gegenüber dem Stator in eine für einen Verbrennungsprozess der Brennkraftmaschine verbrauchsoptimierte Phasenlage gebracht werden. Es kann eine besonders verbrauchsarme Brennkraftmaschine bereitgestellt werden. Unter einer „Verriegelung” soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein Zustand verstanden werden, in dem sich eine Phasenlage des Rotors relativ zum Stator nicht oder nur sehr eingeschränkt ändert. Bevorzugt fixiert die Verriegelung den Rotor gegenüber dem Stator in einer für einen Kaltstart der Brennkraftmaschine vorteilhaften Phasenlage. Unter einer „Drehbewegung” soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Drehbewegung der zumindest einen Fliehmasse um eine gemeinsame Drehachse des Rotors und des Stators verstanden werden. Unter „infolge einer Drehbewegung lösen” soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass infolge der Drehbewegung und/oder infolge einer Beschleunigung und/oder Verzögerung der Drehbewegung Kräfte auf die zumindest eine Fliehmasse einwirken und die Fliehmasse insbesondere in einer radialen Richtung bewegen, wodurch die zumindest eine Fliehmasse die Verriegelung des Rotors löst.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die zumindest eine Fliehmasse dazu vorgesehen ist, die Verriegelung unabhängig von einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung zu lösen. Dadurch kann ein von einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung angesteuerter Aktor vermieden werden, wodurch eine Teilezahl gering gehalten und eine hohe Zuverlässigkeit erreicht werden kann. Es kann eine kostengünstige und/oder zuverlässige Brennkraftmaschine bereitgestellt werden. Unter „unabhängig von einer Steuer- und/oder Regeleinheit” soll in diesem Zusammenhang insbesondere rein kinematisch, d. h. sich aus einer Bewegung ergebend, verstanden werden, insbesondere ohne Verwendung einer externen Aktorik, die beispielsweise mittels der Steuer- und/oder Regeleinheit angesteuert wird.
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In einer vorteilhaften Weise ist die zumindest eine Fliehmasse dazu vorgesehen, die Verriegelung unabhängig von einem Druck eines Druckfluids in der Brennkraftmaschine zu lösen. Dadurch kann die Verriegelung besonders schnell gelöst werden, und es kann ein geringer Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine erreicht werden. Unter einem „Druckfluid” soll insbesondere ein Fluid verstanden werden, das zu einem Energietransport, beispielsweise in einem hydraulischen Nockenwellenversteller vorgesehen ist, beispielsweise ein Hydrauliköl.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Verriegelungsvorrichtung zumindest ein Federelement auf, das dazu vorgesehen ist, eine radial auf die zumindest eine Fliehmasse wirkende Rückstellkraft bereitzustellen, die eine Verriegelungsdrehzahl definiert, unterhalb deren die Fliehmasse den Rotor gegenüber dem Stator verriegelt. Dadurch kann in vorteilhafter Weise eine von einer externen Energiequelle unabhängige Rückstellkraft für das zumindest eine Fliehelement bereitgestellt werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass das zumindest eine Federelement dazu vorgesehen ist, bei einer von der Verriegelungsdrehzahl verschiedenen Entriegelungsdrehzahl gespannt zu werden. Dadurch kann eine Hysterese in Bezug auf eine Verriegelung und/oder Entriegelung des Nockenwellenverstellers gegenüber einer Drehzahl erreicht werden. Es kann verhindert werden, dass die Verriegelungsvorrichtung den Nockenwellenversteller, beispielsweise in einem Leerlaufbetrieb mit geringen Drehzahlen, abwechselnd verriegelt und entriegelt. Eine damit verbundene Geräuschentwicklung und ein Verschleiß können vermieden werden. Es kann ein besonders zuverlässiger Nockenwellenversteller für einen Startvorgang der Brennkraftmaschine bereitgestellt werden.
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In einer vorteilhaften Ausführung umfasst die Verriegelungsvorrichtung zumindest ein Halteelement, das dazu vorgesehen ist, eine Haltekraft bereitzustellen, die in einer fliehkraftabhängigen Position auf die zumindest eine Fliehmasse wirkt. Dadurch kann auf besonders einfache Weise eine Hysterese in Bezug auf die Verriegelung und/oder Entriegelung gegenüber einer Drehzahl erreicht werden und die Brennkraftmaschine kann besonders verbrauchsarm in einem niedrigen Drehzahlbereich betrieben werden. Vorzugsweise weist die Verriegelungsvorrichtung einen Hysteresedrehzahlbereich von 400 Umdrehungen pro Minute, bevorzugt von 500 Umdrehungen pro Minute und besonders bevorzugt von 600 Umdrehungen pro Minute auf.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Verriegelungsvorrichtung zumindest zwei Fliehmassen aufweist, sowie ein Koppelelement, das dazu vorgesehen ist, die Fliehmassen mechanisch synchron zu führen. Dadurch kann erreicht werden, dass die Fliehmassen den Rotor gleichzeitig entriegeln und/oder verriegeln und es kann ein besonders zuverlässiger Nockenwellenversteller bereitgestellt werden. Bevorzugt ist das Koppelelement mittels Kulissenführungen und entsprechender Eingriffselemente mechanisch mit den Fliehmassen verbunden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass das Koppelelement dazu vorgesehen ist, eine Wirkung einer Schwerkraft auf die Fliehmassen zu kompensieren. Dadurch kann der Nockenwellenversteller in vorteilhafter Weise auch in einem Bereich niedriger Drehzahlen betrieben werden. Es kann eine besonders flexibel einsetzbare Verriegelungsvorrichtung bereitgestellt werden. Darunter, dass das Koppelelement eine Wirkung der Schwerkraft „kompensiert”, soll insbesondere verstanden werden, dass das Koppelelement auf die unterschiedlichen Fliehmassen wirkende Gewichtskräfte zur gegenseitigen Kompensation auf die Fliehmassen überträgt. Bevorzugt sind dazu die Fliehmassen gleichmäßig in einer Umfangsrichtung verteilt in Bezug auf die Drehachse angeordnet.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die zumindest eine Fliehmasse als ein Verriegelungsbolzen ausgebildet, der dazu vorgesehen ist, den Rotor gegenüber dem Stator zu verriegeln. Dadurch kann ein besonders kompakter Nockenwellenversteller bereitgestellt werden. Vorzugsweise ist der Verriegelungsbolzen dazu vorgesehen, den Rotor und den Stator formschlüssig miteinander zu verbinden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Verriegelungsvorrichtung eine Rasteinheit mit zumindest zwei Stufen aufweist, die dazu vorgesehen ist, die Verriegelung infolge einer Drehbewegung stufenweise zu lösen. Dadurch kann ein Zeitpunkt einer Entriegelung bei einem Start der Brennkraftmaschine besonders präzise festgelegt werden und es kann ein besonders zuverlässiger Nockenwellenversteller bereitgestellt werden. Vorzugsweise sind die Stufen dazu vorgesehen, die zumindest eine Fliehmasse in einer zeitlichen Abfolge zu verrasten.
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Ebenso wird vorgeschlagen, dass der Nockenwellenversteller eine Verriegelungsvorrichtung aufweist, die die Verriegelung infolge der intermittierenden Betriebskräfte der Brennkraftmaschine löst. Dadurch kann eine besonders einfache Verriegelungsvorrichtung bereitgestellt werden.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung. In den 1 bis 6 sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Figuren, die Figurenbeschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Dabei zeigen:
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1 eine perspektivische Darstellung eines Nockenwellenverstellers mit einer Verriegelungsvorrichtung,
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2 ein Diagramm eines Verlaufs einer auf eine Fliehmasse einwirkenden Kraft in Abhängigkeit von einer Drehzahl,
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3 ein weiteres Ausführungsbeispiel als einen Querschnitt durch einen Nockenwellenversteller mit einer Rasteinheit in einem stillstehenden, verriegelten Zustand,
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4 einen weiteren Querschnitt für einen verriegelten Zustand bei einer geringen Drehzahl,
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5 einen weiteren Querschnitt für einen verriegelten Zustand mit einer Verrastung in einer zweiten Stufe und
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6 einen weiteren Querschnitt für einen entriegelten Zustand.
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Die 1 zeigt einen Nockenwellenversteller 10a zur Verstellung einer Phasenlage zwischen einer Kurbelwelle und einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine. Der Nockenwellenversteller 10a umfasst einen Stator 11a, der dazu vorgesehen ist, antriebstechnisch mit der Kurbelwelle verbunden zu werden. Der Stator 11a umfasst ein Antriebsrad 30a, das zur antriebstechnischen Kopplung mit der Kurbelwelle vorgesehen ist. Das Antriebsrad 30a weist zu einem Antrieb mittels einer Kette eine Außenverzahnung 31a auf. Es ist auch denkbar, dass das Antriebsrad 30a zu einem Antrieb durch ein anderes geeignetes Antriebsmittel, beispielsweise einen Riemen oder ein mit dem Antriebsrad 30a kämmendes Zahnrad, vorgesehen ist.
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Der Nockenwellenversteller 10a umfasst ferner einen von dem Stator 11a verdeckten Rotor, der dazu vorgesehen ist, ein Drehmoment zu einem Antrieb der Nockenwelle auszuleiten. Der Rotor ist in einem montierten Zustand des Nockenwellenverstellers 10a drehfest mit der Nockenwelle verbunden. In einem montierten Zustand sind der Stator 11a, der Rotor und die Nockenwelle koaxial zueinander angeordnet und weisen eine gemeinsame Drehachse 32a auf. Der Nockenwellenversteller 10a ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als ein hydraulischer Nockenwellenversteller 10a ausgebildet und weist eine hydraulische Stelleinheit auf, die dazu vorgesehen ist, einen Druck eines Druckfluids in eine Drehbewegung des Rotors relativ zu dem Stator 11a umzusetzen. Das Druckfluid ist als Hydrauliköl ausgebildet. Es ist grundsätzlich auch denkbar, dass der Nockenwellenversteller 10a eine elektrische Stelleinheit oder eine in einer anderen zweckmäßigen Form ausgebildete Stelleinheit aufweist.
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Der Nockenwellenversteller 10a weist für den Rotor eine Verriegelungsposition auf, die einer Phasenlage entspricht, die für einen Start der Brennkraftmaschine vorgesehen ist.
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Der Nockenwellenversteller 10a weist eine Verriegelungsvorrichtung 13a auf. Sie ist dazu vorgesehen, insbesondere unterhalb einer Verriegelungsdrehzahl 18a den Rotor gegenüber dem Stator 11a zu verriegeln.
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Die Verriegelungsvorrichtung 13a umfasst drei Fliehmassen 14a, 15a, 16a, die dazu vorgesehen sind, die Verriegelung infolge einer Drehbewegung zu lösen. Die Fliehmassen 14a, 15a, 16a sind jeweils drehfest mit dem Stator 11a verbunden. Die Verriegelungsvorrichtung 13a weist für jede der Fliehmassen 14a, 15a, 16a eine Verriegelungsposition auf. In der Verriegelungsposition sind die Fliehmassen 14a, 15a, 16a mittels eines nicht näher dargestellten Verriegelungsbolzens mit dem Rotor des Nockenwellenverstellers 10a verrastet. Die Fliehmassen 14a, 15a, 16a sind in Form von Ringabschnitten ausgebildet.
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Der Stator 11a weist eine Führungsscheibe 33a auf, die dazu vorgesehen ist, die Fliehmassen 14a, 15a, 16a zu halten und zu führen. Die Führungsscheibe 33a ist koaxial auf dem Stator 11a angeordnet und drehfest mit dem Antriebsrad 30a des Stators 11a verbunden. Sie bildet jeweils eine Aufnahme 34a, 35a, 36a für je eine Fliehmasse 14a, 15a, 16a aus. Die Aufnahmen 34a, 35a, 36a sind als radial verlaufende Schlitze in die Führungsscheibe 33a eingebracht. Die Führungsscheibe 33a weist eine dreizählige Drehsymmetrie auf. Die Fliehmassen 14a, 15a, 16a sind in den Aufnahmen 34a, 35a, 36a der Führungsscheibe 33a in Umfangsrichtung um jeweils 120 Grad versetzt angeordnet. Die Fliehmassen 14a, 15a, 16a sind radial beweglich in den Aufnahmen 34a, 35a, 36a der Führungsscheibe 33a angeordnet. Die Aufnahmen 34a, 35a, 36a weisen jeweils eine innere Endposition und eine äußere Endposition der radialen Bewegung der Fliehmassen 14a, 15a, 16a auf. Die radiale Bewegung der Fliehmassen 14a, 15a, 16a wird jeweils durch einen Anschlagsteg 37a, 38a, 39a begrenzt. Die Anschlagstege 37a, 38a, 39a legen die äußere Endposition fest. Die Anschlagstege 37a, 38a, 39a sind einstückig mit dem Antriebsrad 30a ausgebildet. Es ist grundsätzlich denkbar, dass die Anschlagstege 37a, 38a, 39a von der Führungsscheibe 33a ausgebildet werden.
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Die Verriegelungsvorrichtung 13a umfasst drei Halteelemente 20a, 21a, 22a, die je für sich dazu vorgesehen sind, eine Haltekraft 23a bereitzustellen, die in einer fliehkraftabhängigen Position auf je eine Fliehmasse 14a, 15a, 16a wirkt. Die Halteelemente 20a, 21a, 22a sind als kunststoffgebundene Permanentmagnete ausgebildet und als Teil der Anschlagstege 37a, 38a, 39a ausgebildet. Die Halteelemente 20a, 21a, 22a sind jeweils in einer Umfangsrichtung mittig in jeweils einem Anschlagsteg 37a, 38a, 39a angeordnet. Die Halteelemente 20a, 21a, 22a sind dazu vorgesehen, mit den Fliehmassen 14a, 15a, 16a in Kontakt zu kommen, wenn die Fliehmassen 14a, 15a, 16a fliehkraftbedingt jeweils in der äußeren Endposition angeordnet sind. Die Halteelemente 20a, 21a, 22a sind dazu vorgesehen, jeweils eine Haltekraft 23a bereitzustellen, welche die Fliehmassen 14a, 15a, 16a in der äußeren Endposition hält.
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Die Verriegelungsvorrichtung 13a umfasst ein Koppelelement 24a, das dazu vorgesehen ist, eine Bewegung der Fliehmassen 14a, 15a, 16a zu einer gleichzeitigen Ent- und/oder Verriegelung mechanisch zu koppeln. Das Koppelelement 24a ist scheibenförmig ausgebildet und koaxial zu der Führungsscheibe 33a angeordnet. Das Koppelelement 24a ist einteilig ausgebildet. Das Koppelelement 24a ist drehbar gegenüber der Führungsscheibe 33a gelagert. Das Koppelelement 24a ist sternförmig ausgebildet und weist drei gebogene Arme 40a, 41a, 42a auf. Die Arme 40a, 41a, 42a weisen jeweils eine Kulissenführung 43a, 44a, 45a auf, die als ein Langloch ausgebildet ist. Jedes Langloch weist jeweils eine Haupterstreckungsrichtung auf. Die Haupterstreckungsrichtungen der Langlöcher schließen mit einem von der Drehachse 32a des Stators 11a ausgehenden Radius jeweils einen gleichen Winkel von etwa 50 Grad ein. Die Fliehmassen 14a, 15a, 16a weisen jeweils einen Führungszapfen 46a, 47a, 48a auf, der in einem montierten Zustand dauerhaft in die Kulissenführung 43a, 44a, 45a eingreift. Die Führungszapfen 46a, 47a, 48a sind jeweils in Umfangsrichtung mittig auf den Fliehmassen 14a, 15a, 16a angeordnet und in axialer Richtung ausgerichtet. Jeder Führungszapfen 46a, 47a, 48a ist jeweils einer Kulissenführung 43a, 44a, 45a des Koppelelements 24a zugeordnet. Die Führungszapfen 46a, 47a, 48a sind dazu vorgesehen, mit jeweils einer Kulissenführung 43a, 44a, 45a des Koppelelements 24a zusammenzuwirken, wodurch eine Drehbewegung des Koppelelements 24a relativ zu dem Stator 11a in eine Bewegung der Fliehmassen 14a, 15a, 16a in radialer Richtung umgesetzt wird und umgekehrt.
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Die Führungsscheibe 33a weist drei Anschlagzapfen 49a, 50a, 51a auf, die senkrecht aus einer Scheibenebene der Führungsscheibe 33a herausragen. Die Anschlagzapfen 49a, 50a, 51a sind jeweils einem Arm 40a, 41a, 42a des Koppelelements 24a zugeordnet und dazu vorgesehen, eine Drehbewegung des Koppelelements 24a relativ zu dem Stator 11a zu begrenzen. Die Verriegelungsvorrichtung 13a weist für das Koppelelement 24a eine Verriegelungsposition auf, die den Verriegelungspositionen der Fliehmassen 14a, 15a, 16a entspricht. In der Verriegelungsposition sind die Arme 40a, 41a, 42a des Koppelelements 24a in Kontakt mit den Anschlagzapfen 49a, 50a, 51a.
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In einem montierten Zustand ist eine Drehachse 32a des Nockenwellenverstellers 10a im Wesentlichen waagerecht angeordnet, wodurch die Fliehmassen 14a, 15a, 16a relativ zu der Drehachse 32a in unterschiedlicher Höhe angeordnet sind. Für eine unterhalb der Drehachse 32a angeordnete Fliehmasse 15a weist eine auf die Fliehmasse 15a wirkende Schwerkraft eine radial nach außen gerichtete Komponente auf. Für eine oberhalb der Drehachse 32a angeordnete Fliehmasse 14a, 16a weist die auf die Fliehmasse 14a, 16a wirkende Schwerkraft eine radial nach innen gerichtete Komponente auf. Das Koppelelement 24a ist starr ausgebildet, wodurch sich die Fliehmassen 14a, 15a, 16a nur gleichzeitig jeweils in radialer Richtung bewegen können. Insbesondere kann sich eine Fliehmasse 15a, auf die eine radial nach außen gerichtete Komponente der Schwerkraft wirkt, nicht allein aufgrund der Schwerkraft nach außen bewegen, da zumindest auf eine andere Fliehmasse 14a, 16a eine radial nach innen gerichtete Komponente der Schwerkraft wirkt, wodurch mittels des Koppelelements 24a eine Wirkung der Schwerkraft insgesamt kompensiert wird. Das Koppelelement 24a ist dazu vorgesehen, eine Wirkung der Schwerkraft auf die Fliehmassen 14a, 15a, 16a zu kompensieren.
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Die Verriegelungsvorrichtung 13a weist ein Federelement 17a auf, das dazu vorgesehen ist, eine radial auf die drei Fliehmassen 14a, 15a, 16a wirkende Rückstellkraft bereitzustellen, wodurch die Fliehmassen 14a, 15a, 16a den Rotor gegenüber dem Stator 11a verriegeln, sobald der Rotor eine Verriegelungsdrehzahl 18a unterschreitet. Das Federelement 17a ist als eine Schenkelfeder ausgebildet und weist einen ersten Schenkel 52a und einen zweiten Schenkel 53a auf. Das Federelement 17a ist wirkungstechnisch zwischen der Führungsscheibe 33a und dem Koppelelement 24a angeordnet. Das Koppelelement 24a ist wirkungstechnisch zwischen dem Federelement 17a und den Fliehmassen 14a, 15a, 16a angeordnet. Ein Ende des ersten Schenkels 52a ist in einem montierten Zustand in Kontakt mit der Führungsscheibe 33a. Ein Ende des zweiten Schenkels 53a ist in einem montierten Zustand in Kontakt mit einem Arm 40a des Koppelelements 24a. Es ist grundsätzlich auch denkbar, dass die Verriegelungsvorrichtung 13a eine Mehrzahl von Federelementen aufweist und/oder dass die Federelemente wirkungstechnisch zwischen dem Stator 11a und den Fliehmassen 14a, 15a, 16a angeordnet sind.
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In der Verriegelungsposition des Koppelelements 24a weist das Federelement 17a eine Vorspannung auf, die auf das Koppelelement 24a ein Drehmoment ausübt. Die Vorspannung hält bei einem Stillstand der Brennkraftmaschine das Koppelelement 24a in der Verriegelungsposition und übt auf die Fliehmassen 14a, 15a, 16a eine Rückhaltekraft 54a aus. Das Federelement 17a ist dazu vorgesehen, bei einer von der Verriegelungsdrehzahl 18a verschiedenen Entriegelungsdrehzahl 19a über die Vorspannung hinaus gespannt zu werden und eine auf die Fliehmassen 14a, 15a, 16a wirkende Rückstellkraft bereitzustellen.
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Der Nockenwellenversteller 10a weist in Bezug auf die Verriegelung und Entriegelung eine Hysterese auf. 2 zeigt ein Diagramm mit einem Verlauf einer auf eine Fliehmasse 14a, 15a, 16a wirkenden Gesamtkraft über einer Drehzahl des Nockenwellenverstellers 10a. Ein Verlauf der Gesamtkraft ist für alle drei Fliehmassen 14a, 15a, 16a analog ausgebildet. Die Gesamtkraft ist als eine Summe aus der Fliehkraft, der Rückstellkraft des Federelements 17a und der Haltekraft 23a der Halteelemente 20a, 21a, 22a gebildet. Das Diagramm weist eine Abszisse 55a auf, die einen Drehzahlbereich von 0 Umdrehungen pro Minute bis 1200 Umdrehungen pro Minute abbildet, sowie eine Ordinate 56a, die einen Wertebereich für die Kraft von –2 bis +4 Newton umfasst. Ein positives Vorzeichen entspricht einer radial nach außen gerichteten Kraft.
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An einem Beginn eines Startvorgangs der Brennkraftmaschine ist der Nockenwellenversteller 10a in der Verriegelungsposition. Die Fliehmassen 14a, 15a, 16a sind jeweils in der inneren Endposition in der Aufnahme 34a, 35a, 36a der Führungsscheibe 33a angeordnet. Ein nicht näher dargestellter Starter versetzt die Brennkraftmaschine und den Nockenwellenversteller 10a in eine Drehbewegung. Die Drehbewegung erzeugt eine Fliehkraft, die insbesondere auf die Fliehmassen 14a, 15a, 16a wirkt und radial nach außen gerichtet ist. Die Rückhaltekraft 54a des Federelements 17a wirkt der Fliehkraft entgegen. Die Gesamtkraft ist für eine Drehzahl unterhalb der Entriegelungsdrehzahl 19a kleiner null, wodurch die Fliehmassen 14a, 15a, 16a in der jeweils inneren Endposition verbleiben.
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In einer folgenden Phase des Startvorgangs stellt die Brennkraftmaschine ein Drehmoment bereit, wodurch der Stator 11a und die Fliehmassen 14a, 15a, 16a beschleunigt werden. Eine Drehzahl des Stators 11a und der Fliehmassen 14a, 15a, 16a erhöht sich. Die Fliehkraft wächst quadratisch mit der Drehzahl und überschreitet bei einer Entriegelungsdrehzahl 19a den Wert der Rückhaltekraft 54a, wodurch sich die Fliehmassen 14a, 15a, 16a nach außen bewegen. Die Führungszapfen 46a, 47a, 48a der Fliehmassen 14a, 15a, 16a wirken mit den Kulissenführungen 43a, 44a, 45a des Koppelelements 24a zusammen und drehen das Koppelelement 24a. Dadurch wird das Federelement 17a über die Vorspannung hinaus gespannt und stellt eine Spannkraft bereit, die der Drehung des Koppelelements 24a entgegenwirkt. Die Fliehkraft wächst proportional mit einem Abstand der Fliehmassen 14a, 15a, 16a von der Drehachse 32a, d. h. es ergibt sich eine zusätzliche Fliehkraft 57a gegenüber einer Fliehkraft für die innere Endposition (vgl. 2).
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Die Fliehmassen 14a, 15a, 16a werden durch die Fliehkraft in die äußere Endpositionen innerhalb der Aufnahme 34a, 35a, 36a bewegt und lösen die Verriegelung des Rotors gegenüber dem Stator 11a. Die Fliehmassen 14a, 15a, 16a sind dazu vorgesehen, die Verriegelung rein kinematisch und/oder unabhängig von einer Steuereinrichtung der Brennkraftmaschine zu lösen. Die Fliehmassen 14a, 15a, 16a sind dazu vorgesehen, die Verriegelung unabhängig von dem Druck des Druckfluids in der Brennkraftmaschine zu lösen. Die Fliehmassen 14a, 15a, 16a kommen mit den Anschlagstegen 37a, 38a, 39a und den Halteelementen 20a, 21a, 22a in Kontakt und die Halteelemente 20a, 21a, 22a üben eine Haltekraft 23a auf die Fliehmassen 14a, 15a, 16a aus. Eine nicht näher dargestellte Freilaufstelleinheit bringt den Rotor unabhängig von dem Druck des Druckfluids in eine für eine Verbrennung in der Brennkraftmaschine verbrauchsoptimierte Phasenlage gegenüber dem Stator 11a. Sobald ein Druck des Druckfluids in der Brennkraftmaschine einen Arbeitsdruck erreicht hat, bringt die hydraulische Stelleinheit den Rotor in eine jeweils vorgegebene Phasenlage.
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Die Verriegelungsvorrichtung 13a weist einen Hysteresedrehzahlbereich 58a auf, der von der Verriegelungsdrehzahl 18a und der Entriegelungsdrehzahl 19a begrenzt wird. In einer Leerlaufphase der Brennkraftmaschine weist der Stator 11a zumindest zeitweise eine Drehzahl innerhalb des Hysteresedrehzahlbereichs 58a auf. Die Gesamtkraft weist aufgrund der auf die Fliehmassen 14a, 15a, 16a in der äußeren Endposition wirkenden Fliehkraft und aufgrund der Haltekraft 23a einen positiven Wert auf. Die Fliehmassen 14a, 15a, 16a verbleiben in der äußeren Endposition und der Nockenwellenversteller 10a bleibt entriegelt. In einem Abschaltvorgang der Brennkraftmaschine fällt die Drehzahl des Stators 11a unter die Verriegelungsdrehzahl 18a und die Gesamtkraft wird aufgrund der abnehmenden Fliehkraft negativ. Dadurch lösen sich die Fliehmassen 14a, 15a, 16a von den Halteelementen 20a, 21a, 22a. Die Rückstellkraft des Federelements 17a bewegt die Fliehmassen 14a, 15a, 16a mittels des Koppelelements 24a radial nach innen. Die Fliehmassen 14a, 15a, 16a erreichen die innere Endposition in der Aufnahme 34a, 35a, 36a und verriegeln den Rotor gegenüber dem Stator 11a.
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In den 3 bis 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die nachfolgenden Beschreibungen beschränken sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen, wobei bezüglich gleich bleibender Bauteile, Merkmale und Funktionen auf die Beschreibung des Ausführungsbeispiels der 1 und 2 verwiesen werden kann. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a in den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in den 1 und 2 durch den Buchstaben b in den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels der 3 bis 6 ersetzt. Bezüglich gleich bezeichneter Bauteile, insbesondere in Bezug auf Bauteile mit gleichen Bezugszeichen, kann grundsätzlich auch auf die Zeichnungen und/oder die Beschreibung des Ausführungsbeispiels der 1 und 2 verwiesen werden.
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Die 3 bis 6 zeigen einen Nockenwellenversteller 10b zur Verstellung einer Phasenlage zwischen einer Kurbelwelle und einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine. Der Nockenwellenversteller 10b umfasst einen Stator 11b, der dazu vorgesehen ist, antriebstechnisch mit der Kurbelwelle verbunden zu werden.
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Der Nockenwellenversteller 10b umfasst ferner einen Rotor 12b, der dazu vorgesehen ist, ein Drehmoment zu einem Antrieb der Nockenwelle auszuleiten. Der Rotor 12b ist in einem montierten Zustand des Nockenwellenverstellers 10a drehfest mit der Nockenwelle verbunden. In einem montierten Zustand sind der Stator 11b, der Rotor 12b und die Nockenwelle koaxial zueinander angeordnet. Der Nockenwellenversteller 10b weist einen Querschnitt auf, in dem der Rotor 12b in radialer Richtung innerhalb des Stators 11a angeordnet ist. In dem Querschnitt umschließt der Stator 11b den Rotor 12b. Der Nockenwellenversteller 10b ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als ein hydraulischer Nockenwellenversteller 10b ausgebildet und weist eine hydraulische Stelleinheit auf.
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Der Nockenwellenversteller 10b weist für den Rotor 12b eine Verriegelungsposition relativ zu dem Stator 11b auf, die einer Phasenlage entspricht, die für einen Start der Brennkraftmaschine vorgesehen ist. Der Nockenwellenversteller 10b weist eine Verriegelungsvorrichtung 13b auf. Sie ist dazu vorgesehen, insbesondere unterhalb einer Verriegelungsdrehzahl den Rotor 12b gegenüber dem Stator 11b zu verriegeln.
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Die Verriegelungsvorrichtung 13b umfasst eine Fliehmasse 14b, die dazu vorgesehen ist, die Verriegelung infolge einer Drehbewegung zu lösen. Die Fliehmasse 14b ist drehfest mit dem Stator 11b verbunden. Die Fliehmasse 14b ist als ein Verriegelungsbolzen ausgebildet, der dazu vorgesehen ist, den Rotor 12b gegenüber dem Stator 11b zu verriegeln. Die Fliehmasse 14b weist einen Schaft 59b und ein fest mit dem Schaft 59b verbundenes Rastelement 60b auf. Das Rastelement 60b ragt in einer Umfangsrichtung bezogen auf die Drehachse des Stators 11a auf zwei Seiten über einen Außenumfang des Schafts 59b hinaus. Es ist denkbar, dass das Rastelement 60b einstückig mit dem Schaft 59b ausgebildet ist. Die Verriegelungsvorrichtung 13b weist eine Aufnahme 34b für die Fliehmasse 14b auf. Die Aufnahme 34b ist als eine in einer radialen Richtung in einen Innenumfang des Stators 11a eingebrachte Bohrung ausgebildet. Die Aufnahme 34b weist einen Innendurchmesser auf, der einem Außendurchmesser des Rastelements 60b entspricht. Die Fliehmasse 14b ist in der Aufnahme 34b radial beweglich gelagert. Die Verriegelungsvorrichtung 13b weist für die Fliehmasse 14b eine innere Endposition und eine äußere Endposition auf.
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Die Verriegelungsvorrichtung 13b weist ferner eine Ausnehmung 61b auf, die als eine Bohrung in radialer Richtung in einen Außenumfang des Rotors 12b eingebracht ist. Ein Innendurchmesser der Ausnehmung 61b entspricht einem Außendurchmesser des Schafts 59b. Die Ausnehmung 61b ist dazu vorgesehen, den Schaft 59b der Fliehmasse 14b zu einer Verriegelung des Rotors 12b gegenüber dem Stator 11b teilweise aufzunehmen. In der Verriegelungsposition des Rotors 12b ist die Fliehmasse 14b in der inneren Endposition angeordnet. Der Schaft 59b ragt nach innen über die Aufnahme 34b der Fliehmasse 14b in dem Stator 11b hinaus und greift in die Ausnehmung 61b im Rotor 12b ein.
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Die Verriegelungsvorrichtung 13b weist eine Rasteinheit 25b auf. Die Rasteinheit 25b weist eine erste Stufe 26b, eine zweite Stufe 27b, eine dritte Stufe 28b und eine vierte Stufe 29b auf und ist dazu vorgesehen, die Verriegelung infolge einer Drehbewegung stufenweise zu lösen. Die Rasteinheit 25b umfasst außerdem das mit der Fliehmasse 14b verbundene Rastelement 60b. Das Rastelement 60b ist als ein Konus ausgebildet. Es ist denkbar, dass das Rastelement 60b eine andere Form aufweist, die auf zwei Seiten über einen Außenumfang des Schafts 59b der Fliehmasse 14b hinausragt. Das Rastelement 60b ist koaxial auf dem Schaft 59b angeordnet und weist einen minimalen Außendurchmesser auf, der dem Außendurchmesser des Schafts 59b entspricht. Das Rastelement 60b weist an einem Rand einen maximalen Außendurchmesser auf. Der Rand ragt über einen Außenumfang des Schafts 59b hinaus. In einem montierten Zustand der Fliehmasse 14b verbreitert sich das Rastelement 60b mit einer zunehmenden Entfernung von der Drehachse des Rotors. Das Rastelement 60b und die Stufen 26b, 27b, 28b, 29b sind dazu vorgesehen, zu einer Verrastung der Fliehmasse 14b zusammenzuwirken.
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Die Aufnahme 34b für die Fliehmasse 14b in dem Stator 11b weist einen Rastbereich auf, in dem in einen Außenumfang der Aufnahme 34b die Stufen 26b, 27b, 28b, 29b eingebracht sind. Sie sind in radialer Richtung unmittelbar benachbart zueinander angeordnet. In einer Richtung radial von innen nach außen folgt die zweite Stufe 27b auf die erste Stufe 26b, die dritte Stufe 28b auf die zweite Stufe 27b und die vierte Stufe 29b auf die dritte Stufe 28b. Ein Querschnitt durch die Aufnahme 34b für die Fliehmasse 14b in dem Rotor 12b weist in dem Rastbereich eine Sägezahnstruktur auf. Die Stufen 26b, 27b, 28b, 29b weisen jeweils eine Höhe auf, die einer Höhe des Rastelements 60b entspricht.
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Die Verriegelungsvorrichtung 13b weist ein Federelement 17b auf, das wirkungstechnisch zwischen dem Stator 11b und der Fliehmasse 14b angeordnet ist. Das Federelement 17b ist als eine Schraubenfeder ausgebildet. Der Schaft 59b der Fliehmasse 14b weist eine Aufnahme 62b für das Federelement 17b auf. Die Aufnahme 62b für das Federelement 17b ist als eine koaxial zu dem Schaft 59b angeordnete Bohrung in den Schaft 59b der Fliehmasse 14b eingebracht. Das als eine Schraubenfeder ausgebildete Federelement 17b weist eine Achse auf, die in einem montierten Zustand des Federelements 17b radial ausgerichtet ist. Das Federelement 17b stützt sich an einem Boden 63b der Aufnahme 62b für die Fliehmasse 14b einerseits und an einem Boden 64b der Aufnahme 62b für das Federelement 17b in dem Schaft 59b des Fliehmasse 14b andererseits ab. Das Federelement 17b ist dazu vorgesehen, eine radial nach innen auf die Fliehmasse 14b wirkende Rückstellkraft bereitzustellen, wodurch die Fliehmasse 14b den Rotor 12b gegenüber dem Stator 11b verriegelt, sobald der Rotor 12b die Verriegelungsdrehzahl unterschreitet. Das Federelement 17b ist ferner dazu vorgesehen, bei einer von der Verriegelungsdrehzahl verschiedenen Entriegelungsdrehzahl gespannt zu werden.
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An einem Beginn eines Startvorgangs der Brennkraftmaschine ist der Rotor 12b gegenüber dem Stator 11b in der Verriegelungsposition angeordnet. Das Federelement 17b stellt eine Vorspannung bereit, welche als eine Rückhaltekraft in radialer Richtung nach innen auf die Fliehmasse 14b wirkt. Ein Ende der Fliehmasse 14b ist in Kontakt mit einem Boden 65b der Ausnehmung 61b für die Fliehmasse 14b im Rotor 12b. Das Rastelement 60b der Rasteinheit 25b ist in der ersten Stufe 26b der Rasteinheit 25b angeordnet. Ein nicht näher dargestellter Starter versetzt die Brennkraftmaschine und den Nockenwellenversteller in eine Drehbewegung. Die Drehbewegung erzeugt eine Fliehkraft, die insbesondere auf die Fliehmasse 14b wirkt und radial nach außen gerichtet ist. Die Fliehkraft wirkt der Rückhaltekraft des Federelements 17b entgegen. Die Fliehmasse 14b bewegt sich infolge der Fliehkraft nach außen und das Rastelement 60b kommt an einer ersten Seite der Aufnahme 34b im Stator 11b in Kontakt mit der ersten Stufe 26b. Der Rotor 12b verbleibt in der Verriegelungsposition (vgl. 4).
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In einer folgenden Phase des Startvorgangs stellt die Brennkraftmaschine in einem Arbeitstakt als intermittierende Betriebskraft ein Drehmoment bereit, wodurch der Stator 11b beschleunigt wird. In der Folge wechselt die Fliehmasse 14b innerhalb der Aufnahme 34b in dem Stator 11b auf eine zweite Seite und erfährt in Bezug auf die Seiten der Aufnahme 34b einen Anlagenwechsel. Gleichzeitig bewegt die Fliehkraft die Fliehmasse 14b weiter nach außen bis das Rastelement 60b in Kontakt kommt mit der zweiten Stufe 27b (vgl. 5). Vor einem weiteren Arbeitstakt bremst die Brennkraftmaschine den Stator 11b ab, wodurch die Fliehmasse 14b innerhalb der Aufnahme 34b in dem Stator 11b zurück auf die erste Seite wechselt. Gleichzeitig bewegt die Fliehkraft die Fliehmasse 14b weiter nach außen, bis das Rastelement 60b in Kontakt kommt mit der dritten Stufe 28b. Analog zu dem ersten Arbeitstakt wiederholt sich in dem weiteren Arbeitstakt infolge eines Drehbeschleunigungswechsels der Anlagenwechsel der Fliehmasse 14b und das Rastelement 60b kommt in Kontakt mit der vierten Stufe 29b und schließlich löst sich das Rastelement 60b aus dem Rastbereich der Aufnahme 34b in dem Stator 11b.
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Die Brennkraftmaschine erreicht eine Entriegelungsdrehzahl. Das Federelement 17b ist dazu vorgesehen, bei der Entriegelungsdrehzahl über die Vorspannung hinaus gespannt zu werden. Die Fliehmasse 14b erfährt aufgrund der erhöhten Drehzahl eine zusätzliche Fliehkraft und bewegt sich in die äußere Endposition der Aufnahme 34b im Stator 11b (vgl. 6). Die Fliehmasse 14b ist jetzt vollständig innerhalb der Aufnahme 34b im Stator 11b angeordnet und löst die Verriegelung des Rotors 12b gegenüber dem Stator 11b. Die Fliehmasse 14b ist dazu vorgesehen, die Verriegelung rein kinematisch zu lösen. Die Fliehmasse 14b ist dazu vorgesehen, die Verriegelung unabhängig von einer Steuereinrichtung der Brennkraftmaschine zu lösen. Die Fliehmasse 14b ist dazu vorgesehen, die Verriegelung unabhängig von einem Druck eines Druckfluids in der Brennkraftmaschine zu lösen. Eine nicht näher dargestellte Freilaufstelleinheit bringt den Rotor 12b unabhängig von dem Druck des Druckfluids in eine für eine Verbrennung in der Brennkraftmaschine verbrauchsoptimierte Phasenlage gegenüber dem Stator 11b. Sobald der Druck des Druckfluids in der Brennkraftmaschine einen Arbeitsdruck erreicht, bringt die hydraulische Stelleinheit den Rotor 12b in eine jeweils vorgegebene Phasenlage.
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Durch eine zusätzliche Fliehkraft aufgrund eines vergrößerten Abstands der Fliehmasse 14b von der Drehachse weist der Nockenwellenversteller 10b einen Hysteresedrehzahlbereich unterhalb der Entriegelungsdrehzahl auf, in dem die radial nach außen gerichtete Fliehkraft größer ist als die radial nach innen gerichtete Rückstellkraft des Federelements 17b. Grundsätzlich ist es denkbar, dass die Verriegelungsvorrichtung 13b analog zu dem vorangehenden Ausführungsbeispiel zumindest ein Halteelement aufweist. Der Hysteresedrehzahlbereich wird von der Verriegelungsdrehzahl nach unten begrenzt. Wenn eine Drehzahl der Brennkraftmaschine die Verriegelungsdrehzahl unterschreitet, bewegt die Rückstellkraft des Federelements 17b die Fliehmasse 14b radial nach innen. Der Schaft 59b der Fliehmasse 14b greift in die Ausnehmung 61b im Rotor 12b ein und die Fliehmasse 14b erreicht die innere Endposition in der Aufnahme 34b und verriegelt den Rotor 12b gegenüber dem Stator 11b.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Nockenwellenversteller
- 11
- Stator
- 12
- Rotor
- 13
- Verriegelungsvorrichtung
- 14
- Fliehmasse
- 15
- Fliehmasse
- 16
- Fliehmasse
- 17
- Federelement
- 18
- Verriegelungsdrehzahl
- 19
- Entriegelungsdrehzahl
- 20
- Halteelement
- 21
- Halteelement
- 22
- Halteelement
- 23
- Haltekraft
- 24
- Koppelelement
- 25
- Rasteinheit
- 26
- Stufe
- 27
- Stufe
- 28
- Stufe
- 29
- Stufe
- 30
- Antriebsrad
- 31
- Außenverzahnung
- 32
- Drehachse
- 33
- Führungsscheibe
- 34
- Aufnahme
- 35
- Aufnahme
- 36
- Aufnahme
- 37
- Anschlagsteg
- 38
- Anschlagsteg
- 39
- Anschlagsteg
- 40
- Arm
- 41
- Arm
- 42
- Arm
- 43
- Kulissenführung
- 44
- Kulissenführung
- 45
- Kulissenführung
- 46
- Führungszapfen
- 47
- Führungszapfen
- 48
- Führungszapfen
- 49
- Anschlagzapfen
- 50
- Anschlagzapfen
- 51
- Anschlagzapfen
- 52
- Schenkel
- 53
- Schenkel
- 54
- Rückhaltekraft
- 55
- Abszisse
- 56
- Ordinate
- 57
- zusätzliche Fliehkraft
- 58
- Hysteresedrehzahlbereich
- 59
- Schaft
- 60
- Rastelement
- 61
- Ausnehmung
- 62
- Aufnahme
- 63
- Boden
- 64
- Boden
- 65
- Boden
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2003/0196623 A1 [0002]
