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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Nockenwellenversteller.
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Hintergrund der Erfindung
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Nockenwellenversteller werden in Verbrennungsmotoren zur Variation der Steuerzeiten der Brennraumventile eingesetzt, um die Phasenrelation zwischen einer Kurbelwelle und einer Nockenwelle in einem definierten Winkelbereich, zwischen einer maximalen Früh- und einer maximalen Spätposition, variabel gestalten zu können. Die Anpassung der Steuerzeiten an die aktuelle Last und Drehzahl senkt den Verbrauch und die Emissionen. Zu diesem Zweck sind Nockenwellenversteller in einen Antriebsstrang integriert, über welche ein Drehmoment von der Kurbelwelle auf die Nockenwelle übertragen wird. Dieser Antriebsstrang kann beispielsweise als Riemen-, Ketten- oder Zahnradtrieb ausgebildet sein.
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Bei einem hydraulischen Nockenwellenversteller bilden das Abtriebselement und das Antriebselement ein oder mehrere Paare gegeneinander wirkende Druckkammern aus, welche mit Hydraulikmittel beaufschlagbar sind. Das Antriebselement und das Abtriebselement sind koaxial angeordnet. Durch die Befüllung und Entleerung einzelner Druckkammern wird eine Relativbewegung zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement erzeugt. Die auf zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement rotativ wirkende Feder drängt das Antriebselement gegenüber dem Abtriebselement in eine Vorteilsrichtung. Diese Vorteilsrichtung kann gleichläufig oder gegenläufig zu der Verdrehrichtung sein.
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Eine Bauart der hydraulischen Nockenwellenversteller ist der Flügelzellenversteller. Der Flügelzellenversteller weist einen Stator, einen Rotor und ein Antriebsrad mit einer Außenverzahnung auf. Der Rotor ist als Abtriebselement meist mit der Nockenwelle drehfest verbindbar ausgebildet. Das Antriebselement beinhaltet den Stator und das Antriebsrad. Der Stator und das Antriebsrad werden drehfest miteinander verbunden oder sind alternativ dazu einteilig miteinander ausgebildet. Der Rotor ist koaxial zum Stator und innerhalb des Stators angeordnet. Der Rotor und der Stator prägen mit deren, sich radial erstreckenden Flügeln, gegensätzlich wirkende Ölkammern aus, welche durch Öldruck beaufschlagbar sind und eine Relativdrehung zwischen dem Stator und dem Rotor ermöglichen. Die Flügel sind entweder einteilig mit dem Rotor bzw. dem Stator ausgebildet oder als „gesteckte Flügel” in dafür vorgesehene Nuten des Rotors bzw. des Stators angeordnet. Weiterhin weisen die Flügelzellenversteller diverse Abdichtdeckel auf. Der Stator und die Abdichtdeckel werden über mehrere Schraubenverbindungen miteinander gesichert.
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Eine andere Bauart der hydraulischen Nockenwellenversteller ist der Axialkolbenversteller. Hierbei wird über Öldruck ein Verschiebeelement axial verschoben, welches über Schrägverzahnungen eine Relativdrehung zwischen einem Antriebselement und einem Abtriebselement erzeugt.
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Eine weitere Bauform eines Nockenwellenverstellers ist der elektromechanische Nockenwellenversteller, der ein Dreiwellengetriebe (beispielsweise ein Planetengetriebe) aufweist. Dabei bildet eine der Wellen das Antriebselement und eine zweite Welle das Abtriebselement. Über die dritte Welle kann dem System mittels einer Stelleinrichtung, beispielsweise ein Elektromotor oder eine Bremse, Rotationsenergie zugeführt oder aus dem System abgeführt werden. Eine Feder kann zusätzlich angeordnet werden, welche die Relativdrehung zwischen Antriebselement und Abtriebselement unterstützt oder zurückführt.
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Die
DE 100 62 148 A1 zeigt eine Torsionsschraubenfeder eines Nockenwellenverstellers. Beide Enden der Schraubenfeder sind radial nach außen gebogen. Das erste gebogene Ende liegt an einem fixen Stift an, der von dem Kettenrad vorsteht, und das zweite gebogene Ende liegt an einem Stift an, der von einem Flügeltor vorsteht. Die Schraubenfeder drängt den Flügelrotor, derart, dass der Flügelrotor voreilt bezüglich dem Kettenrad. Das heißt, dass die Schraubenfeder den Flügelrotor derart drängt, dass eine Nockenwelle voreilt bezüglich einer Motorkurbelwelle.
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Die
DE 10 2006 004 760 A1 zeigt zwei Federn in zwei Druckkammern eines Nockenwellenverstellers, wobei pro Druckkammer eine Feder vorhanden ist, die auf den Flügel drückt und dementsprechend eine Verstellung aus Richtung „Früh” oder „Spät” bewirkt.
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Die
EP 2 302 177 A1 zeigt mit
16A und
16B eine Feder, die bei Druckabfall in den Druckkammern, den Rotor gegenüber dem Stator in eine für die Brennkraftmaschine startfähige Winkelposition drücken kann.
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Die
WO 92/03 637 A1 zeigt einen Nockenwellenversteller mit einer Bremse, die ein Moment in Richtung „Spät” und eine entsprechende Verstellung in Richtung „Spät” erzeugen soll.
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Die
US 2001/0 032 606 A1 zeigt eine federbelastete Kupplung zwischen einem E-Motor zum Verstellern einer Welle und der Welle selbst.
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Die
EP 2 199 548 B1 zeigt eine Einrichtung zum Rückstellen eines Phasenverstellers einer Nockenwelle, mit einem auf das freie Ende einer Nockenwelle aufgeschobenen Phasenversteller, in dessen mit einer Öffnung versehener Gehäuseboden ein am Gehäuseboden befestigter zur Nockenwelle drehfester Deckel einliegt, und mit einer zwischen Nockenwelle und Deckel wirkenden Feder zur Erzeugung eines Rückstellmoments. Es ist als Feder ein Omega-Federpaar vorgesehen, dessen Einzelfedern symmetrisch um die Drehachse der Nockenwelle in der Ebene des Deckels mit jeweils einem inneren, koaxial zur Drehachse der Nockenwelle festgelegten Verankerungspunkt und einem nahe am äußeren Umfanges des Deckels festgelegten Verankerungspunkt angeordnet sind, so dass jeweils ein maximales Rückstellmoment und eine maximale Zugspannung der beiden Einzelfedern im entferntesten Querschnitt zwischen den inneren Verankerungspunkten und den äußeren Verankerungspunkten bei Drehung der Nockenwelle zum Rückstellen des Phasenverstellers anliegt.
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Die
JP 2015-124 754 A zeigt einen Nockenwellenversteller mit einer Feder, wobei durch die Feder ein Verriegelungselement betätigt wird.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Nockenwellenversteller anzugeben, der eine Feder aufweist, die den Rotor, allgemeiner ein Abtriebselement, gegenüber dem Stator, allgemeiner einem Antriebselement, in eine beliebige Position bewegt, wobei eine besonders zuverlässige und einfache Positionierung sowohl aus „Früh” als auch aus „Spät” ermöglicht werden soll.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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So wird ein erfindungsgemäßer Nockenwellenversteller mit einem Antriebselement und einem Abtriebselement, wobei das Antriebselement zum Abtriebselement innerhalb eines definierten Winkelbereichs zwischen einer Früh- und einer Spätposition verdrehbar ist, wobei eine Feder das Antriebselement mit dem Abtriebselement verspannt, die Feder eine einzige Feder des Nockenwellenverstellers ist, die das Antriebselement zum Abtriebselement in eine beliebige Position innerhalb des Winkelbereichs verdrehen kann, wobei die einzige Feder eine Winkelverstellung sowohl aus einer Früh- als auch aus einer Spätposition in Richtung der beliebigen Position bewirken kann, vorgeschlagen, wobei die beliebige Position durch ein Anschlagelement festgelegt ist, welches mit beiden Federenden der einzigen Feder in Kontakt steht.
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Die beliebige Position kann eine Zwischenposition zwischen „Früh” und „Spät” sein, im Speziellen kann dies die Mittenposition sein.
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Das Abtriebselement kann im Speziellen ein Rotor, mit Flügeln zur Verwendung in einem hydraulischen Flügelzellenversteller, mit oder ohne einem Adapterteil sein. Das Abtriebselement wird mit einer Nockenwelle drehfest, insbesondere durch eine Zentralschraube oder ein Zentralventil, verbunden.
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Das Antriebselement weist eine Verzahnung zum Eingriff mit einem Zugmittel des Steuertriebs auf. Die Verzahnung kann unmittelbar mit dem Antriebselement oder mittelbar, bspw. von einem Deckelelement, welches mit dem Antriebselement drehfest verbunden ist, ausgebildet sein. Das Antriebselement kann als Stator mit Flügeln zur Verwendung in einem hydraulischen Flügelzellenversteller ausgebildet sein.
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Bei hydraulisch betätigten Nockenwellenverstellern weist das Antriebselement zumindest ein Deckelelement zur Abdichtung der Druckkammern auf, damit das unter Druck stehende Hydraulikmittel nicht aus den Druckkammern austritt.
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Das Antriebselement und das Abtriebselement können selbstverständlich auch die Elemente eines elektromechanischen Nockenwellenverstellers sein.
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Allen Typen von Nockenwellenverstellern, auch die hier nicht explizit genannten, gemein ist die Verwendung einer Feder, um in einem kontrollierten oder vorzugsweise unkontrollierten Betriebszustand des Nockenwellenverstellers und auch der Brennkraftmaschine eine sichere Winkelverstellung in eine „startfähige” und/oder zu verriegelnde Position zu gewährleisten, damit die Brennkraftmaschine erneut startbar ist.
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Vorteilhafterweise kann durch die Anlage beider Federenden an einem Anschlagelement zugleich, welches bevorzugt ein einziges Anschlagelement sein kann, eine zuverlässige beliebige Position innerhalb des Winkelbereichs sowohl erreicht als auch gehalten wird. Schwingungen zwischen dem Abtriebselement und dem Antriebselement in der beliebigen Position bzw. um die beliebige Position herum, bspw. hervorgerufen durch Nockenwellenwechselmomente oder übertragen aus dem Steuertrieb auf den Nockenwellenversteller, die zu einer Auslenkung um diese beliebige Position führen, werden durch die gleichzeitige und insbesondere spielfreie Anlage zweier Federenden der einzigen Feder an dem Anschlagelement unmittelbar bekämpft und das Abtriebselement wird im Fall einer schwingungsbedingten Auslenkung um die beliebige Position unverzüglich und sicher in die beliebige Position zurückgeführt und beruhigt. Der zugleiche Kontakt beider Federenden der einzigen Feder mit dem Anschlagelement reduziert im Nockenwellenversteller die erforderlichen strukturellen Maßnahmen zur zuverlässigen Anlage der einzigen Feder auf ein Minimum. Der gleichzeitige Kontakt in der beliebigen Position jedes Federendes mit dem Anschlagelement reduziert die Fertigungstoleranzen, insbesondere am Anschlagelement, welche auf die beliebige Position einwirken ebenfalls auf ein Minimum, wodurch vorteilhafterweise ein Verriegelungsmechanismus die beliebige Position besonders zuverlässig mechanisch fixieren kann. Dadurch ist das Spiel zwischen einem Verriegelungselement, welches in eine Verriegelungskulisse einriegeln kann, um die Winkellage zu fixieren, in beide Umfangsrichtungen reduzierbar, wodurch Geräusche, insbesondere beim Starten der Brennkraftmaschine ebenfalls reduziert werden können.
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Erfindungsgemäß wird erreicht, dass mittels einer einzigen Feder im Nockenwellenversteller eine Zwischen-, idealerweise eine Mittenposition, angefahren werden kann, wobei durch die Anlage beider Federenden an einem Anschlagelement diese Position zuverlässiger und exakter für das Verriegeln eines Verriegelungsmechanismus gehalten werden kann. Abgesehen von der Möglichkeit des zuverlässigen Verriegelns ist erfindungsgemäß gewährleistet, dass bei Motorstopp diese beliebige Position erreicht wird. Dies ist ein besonderer Vorteil, da bei Motorstopp, insbesondere bei ungeplanten Motorstopp, die für eine Verstellung notwendige Energie und Betriebsmittel ausfallen, wonach diese Aufgabe von der Feder in unabhängiger Weise übernommen werden kann und übernommen wird.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Anschlagelement vom Antriebselement oder vom Abtriebselement ausgebildet. Das Anschlagelement kann zwischen den beiden Federenden der einzigen Feder angeordnet sein. Alternativ kann das Anschlagelement die beiden Federenden flankieren, so dass die Federenden von dem Anschlagelement umragt werden bzw. die Federenden innerhalb des Anschlagelements angeordnet sind. Alternativ kann das Anschlagelement auf derselben Seite der Federenden angeordnet sein, wobei das Anschlagelement beide Federenden einseitig flankiert.
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Zusätzlich zu dem Anschlagelement kann zumindest ein Anlageelement vorhanden sein, welches zumindest ein Federende der einzigen Feder aus der beliebigen Position auslenken kann. Das vorhandene Anschlagelement kann in diesem Fall für die Auslenkung des anderen Federendes vorgesehen sein, wobei in der Ruhelage (beliebige Position) beide Federenden an dem Anschlagelement zur Anlage kommen. Vorteilhafterweise kann die beliebige Position auch im Bereich der „Früh” oder „Spät” Position zwischen Antriebselement und Abtriebselement festgelegt sein.
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So liegt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung vor, nämlich dass das Anschlagelement zugleich Anlageelement eines Federendes ist, wobei für das andere Federende zusätzlich ein Anlageelement zur Auslenkung des Federendes aus der Ruhelage vorgesehen ist. Folglich wird das andere Federende seine Anschlagsposition an dem Anlageelement des einen Federendes finden.
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Alternativ kann vorteilhaft sein, dass zu dem einen Anschlagelement zusätzlich zwei Anlageelemente vorhanden sind, wobei pro Federende jeweils ein Anlageelement zugeordnet ist, das die Auslenkung des jeweils zugehörigen Federendes bewerkstelligen kann. Beim Erreichen der Ruheposition (beliebige Position) können die Federenden ihre jeweiligen Anlageelemente verlassen und zugleich, idealerweise zeitgleich, Kontakt mit dem Anschlagelement finden.
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Denkbar ist auch, dass ein Federende seinen Kontakt vom Anlageelement auf das Anschlagelement wechselt. Beim Erreichen der Ruheposition (beliebige Position) kann das Federende sein jeweiliges Anlageelement verlassen und Kontakt mit dem Anschlagelement finden. Dabei kann das andere Federende bereits sowohl am Anlageelement als auch am Anschlagelement in Kontakt stehen oder ausschließlich am Anschlagelement oder am Anlageelement anliegen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Anschlagelement zwei Anlageelemente auf, mittels der die einzige Feder gespannt wird, womit eine Position zwischen der beliebigen Position und der Position Früh- oder Spät erreicht werden soll.
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Das Anschlagelement selbst kann aus zwei Anlageelementen bestehen, wobei mittels der Anlageelemente die Feder gespannt wird und zugleich über die Anlageelemente ein Anschlagelement realisiert ist. Vorteilhafterweise kann so die Anzahl der Bauteile reduziert werden.
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Die vorgenannten Ausführungen der Aufteilung des Anschlagelements und des/der Anlageelements/Anlageelemente auf die Federenden im Zusammenhang mit den Kontaktsituationen in der Ruhelage lassen sich beliebig untereinander und mit dem gesamten Offenbarungsgehalt kombinieren und sind hiermit ausdrücklich offenbart.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das erste Anlageelement mit dem Antriebselement drehfest verbunden und das zweite Anlageelement mit dem Abtriebselement drehfest verbunden ist. Die drehfeste Anbindung kann unmittelbar oder mittelbar, bspw. durch ein zwischengeschaltetes Deckelelement, ausgebildet sein.
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Die Form der Anlageelemente insbesondere die für das Federende vorgesehene Anlagefläche kann zylinderförmig, ballig, polygonal, kugelförmig sein. Die Anlageelemente können separate Bauteile, wie bspw. Schrauben, Schraubenköpfe, Nadeln, Stifte, sein, welche mit dem Antriebselement bzw. Abtriebselement gefügt werden. Die Anlageelemente können auch vom Antriebselement bzw. Abtriebselement oder von Teilen des Antriebselements bzw. Abtriebselements integral ausgebildet sein. Dabei kann das Antriebselement bzw. Abtriebselement an der Stelle des Anlageelements aus Blech, Sinter oder Kunststoff ausgebildet sein.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Anlageelemente als Pins ausgebildet, wobei die Pins in radialer Richtung fluchtend angeordnet sind. Die Pins können einteilig vom jeweiligen Antriebselement oder Abtriebselement ausgebildet sein, wobei es sich vorteilhafterweise anbietet, Stifte zu verwenden, welche in entsprechende Aufnahmen des Antriebselements bzw. Abtriebselements eingesetzt sind. Da die Stifte eine äußerst geringe Durchmessertoleranz besitzen, kann so eine sehr symmetrische Anlage der Federenden an den Anlageelementen ausgebildet werden.
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Die Pins können unterschiedliche oder gleiche Durchmesser besitzen. Auch kann das Anschlagelement, sofern getrennt von den Anlageelementen ausgebildet, eine pinförmige Gestalt aufweisen.
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In einer bevorzugten Ausbildung berühren die beiden Federenden der einzigen Feder die beiden Anlageelemente in der beliebigen Position. Somit wird bei der beliebigen Position ein Übergabezustand des einen Federendes über die beiden Anlageelemente an das andere Federende ohne Spiel realisiert. Bevorzugterweise ist zumindest eines der Anlageelemente ein Anschlagelement. Vorteilhafterweise werden so Unstetigkeitsstellen im Kennlinienverlauf der einzigen Feder, die zu einer negativen Geräuschentwicklung führen könnte, vermieden.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung liegen die beiden Federenden unter einer Vorspannung an den beiden Anlageelementen an. Somit sind die Federenden derart geformt und an den Anlageelementen sowie Anschlagelement angelegt, dass diese unabhängig von der Vorspannung der Federkörper eine Vorspannung aufweisen. Bevorzugterweise ist zumindest eines der Anlageelemente ein Anschlagelement. Diese Vorspannung bewirkt, dass die auftretenden Schwingungen um die Ruhelage (beliebige Position) von dieser Vorspannung reduziert werden können. Gleichenfalls können die Federenden unterschiedliche Vorspannungen aufweisen, welche den auftretenden unsymmetrischen Schwingungen um die beliebige Position angepasst sind.
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In einer Ausbildung der Erfindung weist die einzige Feder zwei voneinander unterschiedliche Kennlinien auf, wobei jeweils eine Kennlinie jeweils einem Federkörper der einzigen Feder zugeordnet ist, wobei jeder Federkörper jeweils bei einer Bewegung aus der beliebigen Position in Richtung der Position Früh- oder Spät gespannt wird. Es kann sich das Drehmoment in einer ersten Winkelposition des einen Federkörpers von dem Drehmoment in einer zweiten Winkelposition des anderen Federkörpers unterscheiden. Die Kennlinie des einen Federkörpers kann sich von der Kennlinie des anderen Federkörpers unterscheiden, um bspw. einem Nockenwellenreibmoment entgegenzuwirken. Die Verläufe der Kennlinien können ebenfalls unterschiedlich gewählt werden. So sind progressive oder degressive Verläufe denkbar. Progressive Verläufe der Kennlinien können vorteilhaft sein, um die Verstellgeschwindigkeit insbesondere in der Nähe der Positionen „Früh” und/oder „Spät” zu erhöhen. Degressive Verläufe der Kennlinien können vorteilhaft sein, um eine Dämpfung bzw. ein sanftes Anschlagen in der Position „Früh” und/oder „Spät” zu erzielen. Der Verlauf der Kennlinie ist aus Sicht der beliebigen Position in Richtung der Position „Früh” oder „Spät” zu verstehen. Weist der eine Federkörper einen degressiven und der andere einen progressiven Verlauf seiner Kennlinie auf, so kann gezielt das Verhalten beim ungeplanten Ausfall von Energie und Betriebsmitteln, die eine Verstellung bewirken, beeinflusst werden. Denkbar ist auch ein weitestgehend linearer Verlauf der Kennlinie, um bspw. eine gleichbleibende Winkelgeschwindigkeit bei der Verstellung, mit oder ohne Betriebsmittel und Energie, zu erzeugen. Progressive und degressive Verläufe der Kennlinien können mit dem Betriebsverhalten der Betriebsmittel, bspw. Öl der Ölpumpe, abgestimmt werden um ein besseres Ansprechverhalten des Nockenwellenverstellers oder ein ruhigeres Betriebsverhalten oder ein verbessertes Verriegelungsverhalten des Nockenwellenverstellers zu erzeugen.
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Alternativ können beide Kennlinienverläufe entweder progressiv oder degressiv oder weitestgehend linear sein.
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In einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist die einzige Feder an einem Lagerelement aufgenommen, welcher die zwei Federkörper der einzigen Feder räumlich voneinander trennt. Zusätzlich kann das Lagerelement eine gelenkige Verbindung zur Feder ausbilden, wobei die Feder ferner durch das Anschlagelement und/oder den Anlageelementen gehalten werden kann. Das Lagerelement kann eine axiale Sicherung der Feder übernehmen, so dass die Feder auch in axialer Richtung verliersicher gehalten ist und somit vorzugsweise kein Deckelelement zum Abdecken der Feder notwendig ist. Ein verliersicheres Halten durch das Lagerelement kann zudem gewährleistet werden, wenn der Federdraht der Feder das Lagerelement umschlingt. Die Umschlingung sollte bevorzugt im Bereich von 180° bis 360° vorliegen, kann jedoch auch ein Vielfaches von 360° sein (mehrfach umwickelt). Die Umschlingung kann einer Vorspannung unterliegen, die bewirkt, dass ein axiales Verrutschen und/oder ein radiales Verrutschen der einzigen Feder verhindert ist und die einzige Feder zuverlässig ihre Position behält. Die Umschlingung kann bei Montage aufgeweitet werden, so dass ein Fügen oder Aufstecken der einzigen Feder mit dem bzw. auf das Lagerelement möglich wird.
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In einer vorteilhaften Ausbildung ist das Lagerelement mit dem Antriebselement oder dem Abtriebselement drehfest verbunden. Das Lagerelement kann als Pin oder Stift separat vom Antriebselement bzw. Abtriebselement ausgebildet sein und mit diesem in einem Montagevorgang gefügt werden. Es ist auch eine einteilige Ausbildung des Lagerelementes mit dem Antriebselement oder dem Abtriebselement denkbar. Hierbei bieten sich Herstellungsverfahren wie Sintern oder Blechumformung an, bei der das Lagerelement als angesinterte Konsole oder als gebogene Lasche ausgebildet ist.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung einer einzigen Feder und dem Anschlagelement, wobei die Feder in der Lage ist, sowohl aus Richtung „Früh” oder aus Richtung „Spät” in eine beliebige Position zwischen „Früh” und „Spät” zu drücken oder zu ziehen, wird eine sichere und äußerst einfache Positionierung in der beliebigen Position insbesondere zum zuverlässigen Einriegeln eines Verriegelungsmechanismus erreicht.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt.
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Es zeigen:
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1 einen erfindungsgemäßen Nockenwellenversteller mit einer ersten Ausführungsform der Feder,
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2 eine perspektivische Ansicht des Nockenwellenverstellers nach 1,
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3 den Nockenwellenversteller nach 1 mit einer durch einen Verstellvorgang gespannten Feder,
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4 die perspektivische Ansicht des Nockenwellenverstellers nach 3,
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5 einen erfindungsgemäßen Nockenwellenversteller mit einer zweiten Ausführungsform der Feder,
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6 eine perspektivische Ansicht des Nockenwellenverstellers nach 5,
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7 einen erfindungsgemäßen Nockenwellenversteller mit einer dritten Ausführungsform der Feder,
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8 eine perspektivische Ansicht des Nockenwellenverstellers nach 7,
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9 einen ersten Kennlinienverlauf einer Feder des erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers und
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10 einen zweiten Kennlinienverlauf einer Feder des erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Nockenwellenversteller 1 mit einer ersten Ausführungsform der Feder 4. Der Nockenwellenversteller 1 weist ein Antriebselement 2 und ein Abtriebselement 3 auf. Das Antriebselement 2 weist den aus dem Stand der Technik bekannten Aufbau mit einer Verzahnung und mindestens einem Deckelelement für einen hydraulischen Nockenwellenversteller auf. Das Abtriebselement 3 weist ebenfalls den aus dem Stand der Technik bekannten Aufbau mit bspw. gesteckten Flügeln für einen hydraulischen Nockenwellenversteller auf.
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Der erfindungsgemäße Nockenwellenversteller 1 weist an einer seiner Stirnseite eine einzige Feder 4 auf, welche auf einem Lagerelement 15 gelagert ist. Das Lagerelement 15 ist als mit dem Antriebselement 2 drehfest verbundener Pin ausgebildet. Die einzige Feder 4 hat im Bereich des Lagerelements 15 einen ösenförmigen Federdrahtverlauf, welcher das Lagerelement 15 umschlingt, so dass eine Fixierung der einzigen Feder 4 in radialer Richtung gewährleistet ist. Die Umschlingung kann dabei unter Vorspannung stehen, so dass ein Spiel zwischen dem umschlingenden Federdraht und dem Lagerelement 15 eliminiert ist. Dennoch kann eine Drehbarkeit zwischen der einzigen Feder 4 und dem Lagerelement 15 gegeben sein. Die beiden bogenförmigen Federkörper 11, 12 der einzigen Feder 4 laufen bei dem Lagerelement 15 zusammen.
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Ferner ist vom Nockenwellenversteller 1 ein Anschlagelement 5 ausgebildet, welches auf zwei pinartige Anlageelemente 6 und 7 aufgeteilt ist. Das Anschlagelement 5 hat die Aufgabe, die Federkraft eines der Federkörper 11 oder 12 derart abzufangen, dass bei einer Bewegung aus „Früh” oder „Spät” das Antriebselement 2 relativ zum Abtriebselement 3 in der beliebigen Position 16 gestoppt und gehalten wird. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der einzigen Feder 4 ist dazu lediglich ein Anschlagelement notwendig, da die Feder 4 gespannt wird, wenn eine Änderungen aus der beliebigen Position erfolgt. In den Ausführungsformen gemäß den 1 bis 8 ist jedoch das Anschlagelement 5 auf die zwei Anlageelemente 6 und 7 aufgeteilt. Die Federenden 9, 10 schlagen mit ihren einander zugewandten Seiten am Anschlagelement 5 an. Das Anschlagelement 5 befindet sich somit zwischen den beiden Federenden 9, 10.
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Das Anlageelement 6 ist mit dem Antriebselement 2 drehfest verbunden und das Anlageelement 7 ist mit dem Abtriebselement 3 drehfest verbunden. Eines der Anlageelemente 6 oder 7 ist innerhalb einer Aussparung 21 des Antriebselements 2 oder Abtriebselements 3 bewegbar. In dieser Ausführungsform ist das Anlageelement 7 in einer Aussparung 21 des Antriebselements 2 bewegbar, da das Anlageelement 7 mit dem Abtriebselement 3 drehfest verbunden ist. Die Anlageelemente 6 und 7 haben die Funktion, bei einer Bewegung des Antriebselements 2 zum Abtriebselement 3 aus der beliebigen Position 16, je nach dem ob in Richtung „Früh” oder „Spät”, den jeweiligen Federkörper 11, 12 zu spannen. Bei abgeschalteter Brennkraftmaschine bewirkt dann die Feder 4 eine Verstellung aus „Früh” oder „Spät” zurück in Richtung der beliebigen Position 16. Alternativ können die Anlageelemente 6, 7 bei einer Bewegung des Antriebselement 2 zum Abtriebselement 3 aus Richtung „Früh” oder „Spät” den jeweiligen Federkörper 11, 12 in Richtung der beliebigen Position 16 spannen. Bei abgeschalteter Brennkraftmaschine bewirkt dann die Feder 4 eine Verstellung zurück in Richtung „Früh” oder „Spät”. Zumindest liegt ein Federende 10 an dem Anlageelement 6 oder 7 an. Das Federende 10 kann jedoch auch an beiden Anlageelementen 6 und 7 zugleich anliegen. Das Federende 9, 10 ist als gerader Abschnitt ausgebildet, welcher sich dem bogenförmig ausgebildeten Federkörper 11, 12 anschließt. Die Federenden 9, 10 flankieren die zwischen den beiden Federenden 9, 10 angeordneten Anlageelemente 6, 7.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Nockenwellenverstellers 1 nach 1. Gut erkennbar ist die Nockenwelle 8, mit der das Abtriebselement 3 drehfest verbunden ist. Die einzige Feder 4 ist auf der nockenwellenabgewandten Seite des Nockenwellenverstellers 1 angeordnet. Vorteilhafterweise kann so in der Montage des Nockenwellenverstellers 1 mit der Nockenwelle 8 der korrekte Sitz der Feder 4 am Nockenwellenversteller 1 leichter kontrolliert werden. Ebenfalls gut zu erkennen ist, dass das Anlageelement 6 drehfest mit einem vom Antriebselement 2 ausgebildeten Deckelelement verbunden ist. So kann vorteilhafterweise beim Verschrauben des Deckelelementes mit dem Rest des Antriebselements 2 eine umfangsseitige Ausrichtung über das Anlageelement 6 und die beiden anliegenden Federenden 9, 10 erfolgen, wobei die Ausrichtung idealerweise in einer radial fluchtenden Position beider Anlageelemente 6, 7 erfolgreich ist.
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3 zeigt den Nockenwellenversteller 1 nach 1 mit einer durch einen Verstellvorgang gespannten Feder 4. In diesem Ausführungsbeispiel sei angenommen, dass die Antriebsrichtung des Antriebselements 2 im Uhrzeigersinn erfolgt. Da das Antriebselement 2 dem Abtriebselement 3 in seiner Winkellage vorrauseilt – gut zu erkennen an der Position der Anlageelemente 6, 7 – bzw. das Abtriebselement 3 in seiner Winkellage relativ zum Antriebselement 2 hinterher läuft, ist hier eine Verstellung des Nockenwellenverstellers 1 in Richtung „Spät” erfolgt. Da die beiden Anlageelemente 6, 7 in radialer Richtung nicht mehr fluchten, werden die Federkörper 11, 12 gespannt. Die beiden Federenden 9, 10 entfernen sich in Umfangsrichtung voneinander. Dabei kann sich der Umschlingungswinkel des Federdrahtes um das Lagerelement 15 erhöhen. Die Aussparung 21 ist drehfest mit dem Antriebselement 2 ausgebildet, somit läuft das pinförmige Anlageelement 7 innerhalb der Aussparung in Umfangsrichtung solange bis es an den ersten Anschlag 17 anschlägt oder bis im Nockenwellenversteller 1 bspw. die Flügel des Antriebselements 2 und des Abtriebselement 3 aneinander anschlagen. Vorteilhafterweise sollte die Winkelbegrenzung des maximal zulässigen Verstellbereichs durch die Aussparung 21 realisiert sein, da ein Anschlagen der Flügel aneinander Probleme wie Haltbarkeit und Überdeckung der Mündungen der Ölversorgung in die Druckkammern mit sich bringt.
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4 zeigt die perspektivische Ansicht des Nockenwellenverstellers 1 nach 3. Hier ist derselbe Zustand abgebildet, wie bereits in 3 beschrieben worden ist. Die strukturelle Anordnung der Feder 4 entspricht der Beschreibung der 2.
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5 zeigt einen erfindungsgemäßen Nockenwellenversteller 1 mit einer zweiten Ausführungsform der Feder 4. Der Aufbau entspricht weitestgehend dem in den 1 bis 4 beschriebenen Aufbau. Im Folgenden werden die Unterschiede zur ersten Ausführungsform herausgestellt. Die 5 zeigt eine zweite Ausführungsform der Feder 4, welche sich im Bereich der Federenden 9, 10 von der ersten Ausführungsform der Feder 4 unterscheidet. Gemäß den 1 bis 4 beginnen die Federenden 9, 10 ausgehend vom jeweiligen Federkörper 11, 12 bei einem größeren Durchmesser als das tatsächliche Ende des Federdrahtes der Federenden 9, 10. Mit anderen Worten verlaufen die Federenden 9, 10 in den 1 bis 4 radial nach innen, also zur Drehachse des Nockenwellenverstellers 1 gerichtet. In den 5 und 6 hingegen verlaufen die Federenden 9, 10 ausgehend von den Federkörpern 11, 12 in radialer Richtung nach außen, also von der Drehachse des Nockenwellenverstellers 1 weg. Dies hat den Vorteil, dass die Federkörper 11, 12 zum Einen in möglichst kurzer Distanz zur Drehachse des Nockenwellenverstellers 1 angeordnet und ausgebildet werden können, um den Zugang zu einer Verschraubung des Deckelelementes mit dem Rest des Antriebselements 2 zu erleichtern. Zugleich wird der Biegebalken vom jeweiligen Anlageelement 6, 7 zum Lagerelement 15 verkürzt und so die Federrate und das Federmoment erhöht. Sollte die Federrate gesenkt werden, so kann mehr biegsames Material (Federdraht) in die jeweiligen Federkörper 11, 12 eingebracht werden, bspw. durch die Ausbildungen von mehreren federnden Windungen. In dieser zweiten Ausführungsform der Feder 4 wird am Anlageelement 6 durch das ebenfalls in gewisser Weise federfähige Federende 9, 10 Einfluss auf die Federrate genommen. Im Vergleich zu der ersten Ausführungsform der Feder 4 ist dieser Effekt bei dem Anlageelement 7, welches einen geringeren radialen Abstand als das Anlageelement 6 aufweist, vorhanden. Die Ausbildung der Federenden 9, 10, der Federkörper 11, 12 und die radialen Abstände der Anlageelemente 6, 7 sowohl zur Drehachse des Nockenwellenverstellers 1 als auch untereinander haben somit Einfluss auf die Federkennlinie der einzigen Feder 4. Um ein möglichst kongruente Federkennlinien der Federkörper 11 und 12 zu erhalten, können bspw. die beiden Anlageelemente 6, 7 einen sehr geringen Abstand zueinander aufweisen. Ferner kann durch die radiale Anordnung der pinförmigen Anlageelemente 6, 7 Einfluss auf die Dimensionierung und Dauerhaltbarkeit der Anlageelement 6, 7 genommen werden, wobei ein geringer radialer Abstand beider Anlageelemente 6, 7 zueinander zu einer ähnlichen Dimensionierung der pinförmigen Anlageelemente 6, 7 führt.
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6 zeigt eine perspektivische Ansicht des Nockenwellenverstellers 1 nach 5. Die einzige Feder 4 ist auf der nockenwellenabgewandten Seite des Nockenwellenverstellers 1 angeordnet. Dabei weist die Feder 4 genug Freiraum im Bereich der Drehachse des Nockenwellenverstellers 1 auf, damit eine Zentralschraube, mit oder ohne Ventilfunktion, montiert werden kann, um den Nockenwellenversteller 1 mit der Nockenwelle 8 drehfest zu befestigen.
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Wie auch in den vorhergehenden Figuren weist der Federdraht der Feder 4 einen rechteckigen Querschnitt auf, wodurch vorteilhafterweise bei der Anlage an einen zylinderförmiges Anlageelement 6, 7 ein Linienkontakt ausgebildet wird, wodurch sich die Lebensdauer dieses Kontaktes erhöht. Selbiger Effekt stellt sich an dem Lagerelement 15 ein, wobei hier durch die Umschlingung des Federdrahtes der Feder 4 die Lebensdauer in dieser Lagerstelle signifikant erhöht ist. Zwischen dem Anlageelement 7, welches zylinderförmig ausgebildet ist und in der Aussparung 21 angeordnet ist und dem ersten sowie zweiten Anschlag 17, 18 stellt sich ebenfalls im Kontaktfall eine Linienbelastung ein, wobei Deformationen des Anlageelementes 7 reduziert und die Lebensdauer sowie die Genauigkeit des Anschlags erhöht wird.
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7 zeigt einen erfindungsgemäßen Nockenwellenversteller 1 mit einer dritten Ausführungsform der Feder 4. Im Gegensatz zur ersten und zweiten Ausführungsform der Feder 4 werden die Anlageelemente 6, 7 von dem Federdraht der Feder 4 umschlungen, wobei sich die Belastungen im Kontakt weiter verringern. Ferner werden die Federenden 9, 10 in radialer Richtung an den Anlageelementen 6, 7 fixiert, so dass einem Verrutschen, insbesondere des Anlageelementes 7 mit dem Federdraht, vermieden wird. Ein Verrutschen kann beim Spannen des Federkörpers 11, 12 durch das Anlageelement 7 entstehen, wobei der Kontakt zwischen dem Federende 9 bzw. 10 und dem Anlageelement 7 auf dem Federdraht wandern kann. Sollte die Länge des Federdrahts des Federendes 9, 10 nicht ausreichend vorliegend sein oder der Federkörper 11, 12, welcher gespannt wird, Schwingungen im Betrieb der Brennkraftmaschine unterliegen, so besteht die Gefahr des Kontaktverlusts und des Ausfalls des Nockenwellenverstellers 1. Durch die Umschlingung an zumindest einem Elementepaar – Anlageelement 6, 7 mit Federende 9, 10 – kann ein Kontaktverlust vermieden werden. Ferner kann auf das Lagerelement 15 verzichtet werden und die beiden Federkörper 11, 12 können über die beiden gewellt ausgebildeten Federenden 9, 10 fliegend gelagert werden.
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8 zeigt eine perspektivische Ansicht des Nockenwellenverstellers 1 nach 7. Analog zu den 2, 4 und 6 ist die Feder 4 auf der nockenwellenabgewandten Seite des Nockenwellenverstellers 1 angeordnet. Eine Anordnung der Feder 4 auf der nockenwellenzugewandten Seite des Nockenwellenverstellers 1 ist alternativ auch denkbar, wobei in dem Fall die Feder 4 sowie mit den Federenden 9, 10 als auch mit den Federkörper 11, 12 ausreichend Platz zur Durchdringung der Feder 4 durch die Nockenwelle 8 haben sollte – die Feder 4 umragt in dem Fall die Nockenwelle 8.
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9 zeigt einen ersten Kennlinienverlauf einer Feder 4 des erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers 1. In der beliebigen Position 16 befinden sich die Federmomente, welche durch die Federkörper 11, 12 erzeugt werden, im Gleichgewicht. Die beliebige Position 16 ist eine Winkelposition, bei der sich das Antriebselement 2 relativ zum Abtriebselement 3 innerhalb des maximal möglichen Winkelbereichs in etwa auf der Winkelhalbierenden befindet. Alternativ sind auch Positionen für die beliebige Position 16 denkbar, bei der zumindest die Startfähigkeit der Brennkraftmaschine verbessert bzw. erst ermöglicht wird. Die erste und die zweite Verstellrichtung 19, 20 entsprechen einer Verdrehung des Antriebselements 2 gegenüber des Abtriebselements 3 im bzw. entgegen dem Uhrzeigersinn in den vorhergehenden Figuren. Die vertikalen gestrichelten Linien 17, 18 symbolisieren jeweils den ersten bzw. den zweiten Anschlag 17, 18. Über diese Linien hinaus hat die Feder 4 keine Wirkung mehr, da das Anlageelement 7 innerhalb der Aussparung 21 entweder an dem ersten Anschlag 17 oder am zweiten Anschlag 18 anliegt. Der erste und der zweite Anschlag 17, 18 bestimmen somit den maximalen Winkelbereich für einer Verstellung zwischen Antriebselement 2 und Abtriebselement 3. Alternativ kann dieser maximale Winkelbereich auch über einen nockenwellenverstellerinternen Anschlag realisiert sein, bspw. über die Flügel von Antriebselement 2 und Abtriebselement 3 in der Bauform des Nockenwellenverstellers 1 als Flügelzellenversteller.
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Auffallend ist der weitestgehend lineare Verlauf der ersten und zweiten Kennlinie 13, 14 wobei jeweils eine Kennlinie 13 oder 14 einem Federkörper 11 bzw. 12 zugeordnet ist. Die Kraft bzw. das Drehmoment steigt bei steigendem Verstellwinkel aus der beliebigen Position 16 stetig und monoton steigend an.
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10 zeigt einen zweiten Kennlinienverlauf einer Feder 4 des erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers 1. Dieser Kennlinienverlauf unterscheidet sich von dem in 9 gezeigt, dadurch, dass ein nichtlinearer Verlauf, insbesondere ein degressiver Verlauf dargestellt ist. Ein degressiver Verlauf hat den Vorteil, dass im Bereich des ersten bzw. zweiten Anschlags 17, 18 die Änderung in der Winkelgeschwindigkeit abnimmt und so das Anlageelement 7 in einen sanften Kontakt mit dem ersten bzw. zweiten Anschlag 17, 18 kommt. Alternativ ist ein progressiver Kennlinienverlauf denkbar, wodurch insbesondere die Verstellgeschwindigkeit im Bereich der Anschläge 17, 18 hoch ist. Dies ist vorteilhaft, sofern bspw. in der beliebigen Position 16 eine Verriegelung zwischen Antriebselement 2 und Abtriebselement 3 stattfinden soll, wobei diese aus den Anschlagspositionen 17, 18 heraus möglichst schnell erreicht jedoch im Bereich der beliebigen Position 16 sehr zuverlässig verriegeln soll. Bei dem in 10 dargestellten degressiven Kennlinienverlauf ist es denkbar, dass eine Vernegelung in einer oder beider Anschlagspositionen 17, 18 vorhanden sein kann, welche zuverlässig verriegeln soll, jedoch die beliebige Position 16, insbesondere bei Motorstopp, möglichst schnell und zuverlässig für einen kurzzeitig sich anschließenden Neustart der Brennkraftmaschine, erreicht werden soll. Vorteilhafterweise begünstigt die erfindungsgemäße Anordnung der Anlageelemente 6, 7 und des Anschlagelements 5 diesen voran beschriebenen Effekt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Nockenwellenversteller
- 2
- Antriebselement
- 3
- Abtriebselement
- 4
- einzige Feder
- 5
- Anschlagelement
- 6
- erste Anlageelement
- 7
- zweite Anlageelement
- 8
- Nockenwelle
- 9
- erstes Federende
- 10
- zweites Federende
- 11
- erster Federkörper
- 12
- zweiter Federkörper
- 13
- erste Kennlinie
- 14
- zweite Kennlinie
- 15
- Lagerelement
- 16
- beliebige Position
- 17
- erster Anschlag
- 18
- zweiter Anschlag
- 19
- erste Verstellrichtung
- 20
- zweite Verstellrichtung
- 21
- Aussparung
