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Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Nockenwellenversteller des Flügelzellentyps zum Verstellen einer Phasenlage zwischen einer Kurbelwelle und einer Nockenwelle eines Kraftfahrzeugs, mit einem Stator und einem konzentrisch zu diesem Stator drehbar angeordneten Rotor, wobei der Rotor über eine Verriegelungsvorrichtung drehfest mit dem Stator verbindbar ist, und wobei die Position der Verriegelungsvorrichtung über ein Steuerventil einstellbar ist.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits Nockenwellenversteller mit Steuerventilen für Verriegelungsvorrichtungen bekannt. Unter anderem offenbart die
WO 2015 / 039 571 A1 einen bidirektionalen Nockenwellenversteller-Verriegelungs-Mechanismus und eine Ölzufuhr, wobei der Verriegelungsmechanismus mindestens enthält: einen Rotor, einen Stator, ein Kettenrad, eine Abdeckplatte, einen Verriegelungspin, eine Verriegelungspinfeder, ein Differenzdruckventil, das am Rotor angeordnet ist, und ein externes Magnetventil, das die Druckdifferenz zwischen einer Beschleunigungskammer und einer Verzögerungskammer steuert, um ein Schieberventil in das Differenzdruckventil so zu verschieben, dass eine elastische Bewegung einer linken Feder oder einer rechten Feder überwunden wird, sodass Motoröl in die Rotorölzufuhr gelangen kann, um einen bidirektional einstellbaren Versteller leichtgängig zu entriegeln; und zwei Rückstellfedern sind so angeordnet, dass ein Nockenwellenversteller leichtgängig und genau zu einer anfänglichen Position während einer abnormalen Maschinenabstellung zurückkehrt.
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Der Stand der Technik hat jedoch immer den Nachteil, dass eine Mittenposition des Kolbens, also eine Position in der die Ölzufuhr gesperrt wird, nicht einstellbar ist. Außerdem ist die Position des Kolbens stark abhängig von der Differenz der beiden Federkräfte und kann nur schwierig eingestellt werden. Da die Federn gegeneinander wirken, nimmt in Richtung Mittenposition die resultierende Federkraft so sehr ab, dass die Reibung nicht mehr überwunden werden kann. Als Folge davon bleibt der Kolben auf der Strecke hängen. In dem zitierten Stand der Technik werden die beiden Federn innerhalb einer Kapsel angeordnet. Beim Einsetzen der Kapsel in die Rotorbohrung wird der Kolben geklemmt, da die Kapsel in radiale Richtung deformiert wird. Weiterhin ist es schwierig, einen Ringkanal rund um die Kapsel für eine Ölverteilung in der Rotorbohrung auszubilden, da der Ringkanal als Hinterschnitt ausgebildet werden muss. Ein weiterer Nachteil der Verwendung von zwei Federn ist, dass durch die zwei Federn ein anregbares System geschaffen wird, und somit eine höhere Vibrationslast auf den Kolben wirkt. Außerdem sind die Kosten verhältnismäßig hoch für die zwei Federn, da zusätzlich für jede Feder eine Federaufnahme ausgebildet werden muss.
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Es ist also die Aufgabe der Erfindung die Nachteile aus dem Stand der Technik zu vermeiden oder wenigstens zu verringern. Insbesondere soll ein Nockenwellenversteller mit einem Steuerventil entwickelt werden, wobei das Steuerventil eine möglichst genaue Positionierung des Kolbens bei geringem Kostenaufwand sicherstellen soll.
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Die Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Erfindung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Steuerventil als ein Kolben, der entgegen der Vorspannung von genau einer Feder verschieblich/verlagerbar ist, ausgebildet ist.
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Dies hat den Vorteil, dass nicht mehr zwei Federn gegeneinander wirken und ein Verklemmen des Kolbens in der Rotorbohrung ausgeschlossen wird. Außerdem werden weniger Bauteile benötigt, was sich in einem geringeren Kostenaufwand niederschlägt.
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Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
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Außerdem ist es von Vorteil, wenn das Steuerventil in eine längliche Aussparung in den Rotor eingesetzt ist und die Aussparung an dem einen Ende und/oder an dem anderen Ende verstemmt ist. So wird vorteilhafterweise ein Endanschlag für den Kolben gebildet.
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Zusätzlich ist es zweckmäßig, wenn der Kolben zwischen einer ersten Endposition und einer zweiten Endposition verlagerbar ist, und an der ersten Endposition und/oder an der zweiten Endposition ein axialer Anschlag vorhanden ist. Dadurch wird der Kolben durch die Vorspannkraft der Feder in die Endposition geschoben und dort über die Federvorspannung festgehalten. Die Position des Kolbens kann also nur unter Druckwirkung eines Steueröls geändert werden, wobei das Steueröl entgegen der Vorspannung der Feder den Kolben aus der Endposition verschieben muss.
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Vorzugsweise ist der Anschlag als eine abgesetzte Stufenbohrung ausgebildet. So kann der Anschlag also einfach zusammen mit der Herstellung der Rotorbohrung, in der der Kolben und die Feder angeordnet sind, ausgebildet werden. Es ist kein separater Fertigungsschritt erforderlich, um den Anschlag herzustellen.
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Außerdem kann der Anschlag als ein Einlegeteil, das heißt als ein separates Bauteil, das in den Rotor eingesetzt ist, ausgebildet sein. Das Einlegeteil wird also in die als Durchgangsbohrung ausgebildete Rotorbohrung eingelegt und beispielsweise durch Verstemmen dort fixiert. Das Einlegeteil dient also entweder als axialer Anschlag für die Begrenzung der Axialbewegung der Feder oder für die Begrenzung der Axialbewegung des Kolbens.
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Ein günstiges Ausführungsbeispiel zeichnet sich dadurch aus, dass das Einlegeteil als Hülse oder als Patrone ausgebildet ist. Je nach Ausbildung der Rotorbohrung eignet sich eine Hülse oder eine Patrone besser.
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Außerdem kann das Einlegeteil mit dem Rotor verstemmt oder eingewalzt sein. Durch die plastische Verformung der Rotorbohrung wird das Einlegeteil also in seiner axialen Position fixiert und kann somit als Anschlag für den Kolben und/oder die Feder dienen.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn das Steuerventil mit dem Kolben und der Feder von einer Kapsel umgeben ist. Durch die Kapselung des Steuerventils wird die Montage erleichtert.
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Wenn die Kapsel mit radialem Spiel in der Aussparung angeordnet ist, dann kann das Steueröl in den Bereich des radialen Spiels fließen, ohne dass eine separate Ölverteilungsringnut in die Rotorbohrung eingebracht werden muss.
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Ferner ist es zweckmäßig, wenn der Kolben eine Trennwand zwischen einer ersten Druckkammer, insbesondere einer Beschleunigungskammer, und einer zweiten Druckkammer, insbesondere einer Verzögerungskammer, ausgebildet ist. Dadurch wird sichergestellt, dass sich das Steueröl der beiden Druckkammern nicht vermischen kann, das heißt, dass kein Druckausgleich zwischen den Druckkammern stattfindet und der jeweilige Druckkammerdruck beibehalten wird. Weiterhin kann der Kolben somit also durch das Steueröl aus der ersten Druckkammer oder durch das Steueröl aus der zweiten Druckkammer in Axialrichtung verschoben werden.
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Das Steuerventil ist so ausgelegt, dass der Kolben immer in einer Position gehalten wird, in der der Verriegelungskanal geöffnet ist, also mit einer der beiden Druckkammern verbunden ist. Wenn also eine der beiden Druckkammern mit Druck beaufschlagt wird, dann wird auch der Verriegelungskanal mit Öl beaufschlagt und somit die Verriegelungsvorrichtung entriegelt. Nur wenn kein Öldruck auf die Druckkammern wirkt, ist die Verriegelungsvorrichtung verriegelt, das heißt, dass der Stator mit dem Rotor in einer vorbestimmten Position verbunden ist, da die Verriegelungsvorrichtung durch die Vorspannung einer Verriegelungsfeder durch den Öldruck entspannt werden muss.
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Vorteilhaft ist es auch, wenn der Kolben als Stift, Scheibe oder Kugel ausgebildet ist, weil diese Ausführungsbeispiele sich besonders für eine ölabdichtende Trennung in einem Kanal eignen und zudem kostengünstig herstellbar sind.
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Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn das Steuerventil Bauteile aus Stahl, Leichtmetall, Sinterstahl oder Kunststoff umfasst. Diese genannten Werkstoffe weisen besonders gute Eigenschaften hinsichtlich der Robustheit und der Abdichtungsfähigkeit auf.
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Auch kann an der anschlagenden Fläche des Kolbens eine Phase ausgebildet sein, damit der Verschleiß der Feder, insbesondere der Federwindungen, an einer scharfen Kolbenkante vermieden wird. Außerdem wird die Verklemmung/Klemmung des Kolbens an dem Wälzradius des Einlegeteils durch die ausgebildete Phase ausgeschlossen.
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Das Steuerventil ist vorzugsweise so ausgelegt, dass der Kolben in der ersten Endposition ist, wenn der Druck in der ersten Druckkammer größer ist als in der zweiten Druckkammer. Außerdem ist der Kolben vorzugsweise in der der zweiten Endposition, wenn der Druck in der zweiten Druckkammer größer ist als in der ersten Druckkammer. Sowohl in der ersten Endposition als auch in der zweiten Endposition wird der Kolben also mit Steueröl beaufschlagt, so dass die Verriegelungsvorrichtung entriegelt wird.
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Außerdem ist es vorteilhaft, wenn der Kolben sich in der ersten Endposition befindet, wenn kein Öldruck auf das Steueröl wirkt. Die erste Endposition wird also auch eingenommen, wenn der Motor ausgeschaltet ist und somit kein Steueröl auf den Kolben wirkt. Auch wenn der Kanal zu der Verriegelungsvorrichtung somit geöffnet ist, bleibt die Verriegelungsvorrichtung geschlossen, da kein Steueröl zum Überwinden einer Verriegelungsfedervorspannungskraft vorhanden ist.
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Die Feder kann axial anschlagend an das Einlegeteil, innerhalb oder außerhalb des Einlegeteils angeordnet sein. In jedem dieser Fälle wird die Feder geführt, sodass ein sauberer Endanschlag für den Kolben und eine saubere Federführung hergestellt wird.
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Mit anderen Worten betrifft die Erfindung ein Steuerventil für eine Mittenverriegelung eines hydraulischen Nockenwellenverstellers. Das Steuerventil dient dazu, den Verriegelungspin zur Verriegelung des Rotors mit dem Stator durch Öldruck aus einer ersten Druckkammer oder einer zweiten Druckkammer unabhängig entriegeln zu können. Dabei ist es unabdingbar, dass ein hydraulischer Kurzschluss zwischen den beiden Druckkammern ausgeschlossen wird. Auch ist zu vermeiden, dass der Kolben im Gehäuse durch eine radiale Deformation beim Einpressen einer Kapsel in die Rotorbohrung verformt wird.
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Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird der Steuerkolben in der Rotorbohrung vorgespannt eingebaut. Jedoch wird der Kolben nur mittels einer Feder vorgespannt und nicht mehr wie bisher mit zwei gegeneinander wirkenden Federn. Die Mittenposition des Kolbens ist für die Schaltfunktion des Ventils nicht erforderlich, da in einem unbestromten Zustand automatisch kein Öldruck auf den Verriegelungskanal wirkt, und somit die Verriegelungsvorrichtung geschlossen bleibt. Der Kolben wird an eine der beiden Endpositionen durch die Vorspannkraft einer Feder vorgeschoben und in dieser Endposition durch die Federvorspannung gehalten, sodass die Position des Kolbens nur bei einer Druckwirkung eines Hydrauliköls beeinflusst werden kann. Die Rotorbohrung ist direkt mit der Verriegelungsbohrung verbunden. Je nach Stellung des Kolbens wird also die erste Druckkammer oder die zweite Druckkammer mit dem Verriegelungsbohrungskanal verbunden. Der Kolben stellt also immer eine Trennwand zwischen den beiden Druckkammern dar, sodass ein Kurzschluss zwischen den beiden Kammern nicht möglich ist.
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Auch bei einem Druckabfall in einer der beiden Druckkammern wird der Kolben durch die wirkende Federkraft zurück in seine Ausgangslage verschoben, sodass der Ölweg zu einer Druckkammer geöffnet ist. Für die Montage wird die Rotorbohrung nach dem Einlegen des Kolbens und der Feder an einem der beiden Enden zum Fixieren des Kolbens und der Feder verstemmt. Es wird also eine Kraft und formschlüssige Verbindung durch plastische Verformung der Rotorbohrung erzeugt. Es ist auch möglich, die Rotorbohrung als abgesetzte Stufenbohrung auszuführen, damit gleichzeitig ein axialer Anschlag für den Kolben erzeugt wird. In diesem Fall wird nur ein Ende der Rotorbohrung verstemmt.
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Alternativ zu einer abgesetzten Stufenbohrung kann die Rotorbohrung als Durchgangsbohrung ausgeführt werden, in die Einlegeteile, zum Beispiel in einer Hülsenform/Ringform oder in einer Patronenform zum Abstützen des Kolbens und für die Federführung eingesetzte werden. Die Einlegeteile dienen dann als Axialanschlag für den Kolben und zur positiven Beeinflussung der Federführung. Der Kolben und die Feder können entweder als Einzelteile in die Rotorbohrung eingesetzt werden oder aber auch umkapselt eingesetzt werden. Die Kapsel wird dann jedoch nicht eingepresst, sondern mit einem kleinen Radialspiel axial eingelegt. Die Rotorbohrung wird für die axiale Fixierung der Kapsel an einem der beiden Rotorenden verstemmt. Vorzugsweise wird die Bohrung auch in diesem Beispiel als abgesetzte Stufenbohrung ausgebildet, damit ein Ringkanal gebildet wird und der Absatz der Stufenbohrung als axialer Anschlag dienen kann.
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Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe einer Zeichnung erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers mit einem in einer Rotorbohrung eingesetzten Steuerventil in einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 2 eine Querschnittsansicht des Steuerventil in einem zweiten Ausführungsbeispiel,
- 3 eine Querschnittsdarstellung des Steuerventils in einem dritten Ausführungsbeispiel,
- 4 eine Querschnittsdarstellung des Steuerventils in einem vierten Ausführungsbeispiel,
- 5 eine zu 4 vergleichbare Darstellung des Steuerventils,
- 6 eine Querschnittsdarstellung des Steuerventils in einem fünften Ausführungsbeispiel, und
- 7 eine Querschnittsdarstellung des Steuerventils in einem sechsten Ausführungsbeispiel.
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Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen dem Verständnis der Erfindung. Dieselben Elemente sind mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Die Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele können untereinander ausgetauscht werden.
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Nockenwellenversteller 1 zum Verstellen einer Phasenlage zwischen einer Kurbelwelle und einer Nockenwelle. Der Nockenwellenversteller 1 weist einen Stator 2 und einen konzentrisch zu diesem Stator 2 drehbar angeordneten Rotor 3 auf. Der Rotor 3 ist über eine nicht dargestellt Verrieglungsvorrichtung drehfest mit dem Stator 2 verbindbar. Dabei kann die Position der Verriegelungsvorrichtung, nämlich geöffnet oder geschlossen, über ein Steuerventil 4 eingestellt werden. Das Steuerventil 4 besteht aus einem Kolben 5 und aus genau einer Feder 6. Das Steuerventil 4 ist in einer Aussparung 7, die als orthogonal zur Radialrichtung ausgerichtete Rotorbohrung in einem der Flügel des Rotors 3 ausgebildet ist, so angeordnet, dass der Kolben 5 entgegen der Vorspannung der Feder 6 axial verschieblich gelagert ist.
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Die Aussparung 7 dient als Ölkanal 8 zur Versorgung eines Verriegelungskanals 9. Der Ölkanal 8 ist so angeordnet, dass er eine erste Druckkammer 10 und eine zweite Druckkammer 11 so miteinander verbindet, dass der Kolben 5 eine Trennung zwischen den beiden Druckkammer 10, 11 darstellt. Je nach Position des Kolbens 5 wird also die Ölzufuhr des Verriegelungskanals 9 durch die erste Druckkammer 10 oder die zweite Druckkammer 11 sichergestellt. Wird der Verriegelungskanal 9 mit Öl beaufschlagt, so wird die Verriegelungsvorrichtung entriegelt. Wirkt kein Öldruck auf den Verriegelungskanal 9, ist die Verriegelungsvorrichtung geöffnet. In 1 befindet sich der Kolben 5 in einer ersten Endposition 12, das heißt, dass der Verriegelungskanal 9 mit der ersten Druckkammer 10 verbunden ist, da der Druck in der ersten Druckkammer 10 größer ist als in der zweiten Druckkammer 11 oder die beiden Druckkammern 10, 11 unbestromt sind, zum Beispiel bei ausgeschaltetem Motor. Zum Verlagern des Kolbens 5 in eine zweite Endposition 13 wird der Kolben 5 durch das Steueröl aus der zweiten Druckkammer 11 entgegen der Vorspannung der Feder 6 verlagert. In der zweiten Endposition 13 ist also der Verriegelungskanal 9 fluidverbindend mit der zweiten Druckkammer 11 verbunden.
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In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel werden die erste Endposition 12 und die zweite Endposition 13 durch einen axialen Anschlag 14 begrenzt. In diesem Ausführungsbeispiel wird der axiale Anschlag 14 durch jeweils ein Einlegeteil 15 ausgebildet. Das Einlegeteil 15 wird mit der Aussparung/Rotoraussparung 7 verstemmt, sodass es nicht mehr axial verschieblich ist. Das Einlegeteil 15 ist als Hülse 16, also als rohrförmiges Bauteil, ausgebildet. Der Verriegelungskanal 9 ist so angeordnet, dass er in der Mitte des Ölkanals 8 orthogonal, also in Axialrichtung des Rotors 3, abzweigt.
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2 stellt ein zweites Ausführungsbeispiel des Steuerventils 4 dar. Wie in dem ersten Ausführungsbeispiel ist ein axialer Anschlag 14 zur zweiten Druckkammer 11 hin als eingepresstes oder eingestemmtes Einlegeteil 15 ausgebildet. Der axiale Anschlag 14 auf der Seite der ersten Druckkammer 10 ist als abgesetzte Stufenbohrung 17 ausgebildet, gegen die der Kolben 5 in der zweiten Endposition 13 anschlägt. Der Kolben 5 weist eine Fase 18 an der Seite auf, an der er gegen den axialen Anschlag 14, der durch die abgesetzte Stufenbohrung 17 ausgebildet wird, anschlägt. Die Feder 6 ist in diesem Ausführungsbeispiel in einem Teil der Aussparung 7 angeordnet, in dem der Durchmesser im Gegensatz zu dem Teil, in dem der Kolben 5 angeordnet ist, verringert ist. Die Feder 6 schlägt wiederum axial gegen das eingepresste Einlegeteil 15 an.
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3 stellt ein drittes Ausführungsbeispiel des Steuerventils 4 dar. Der Kolben 5 ist in einer zweiten Endposition 13 angeordnet. Er schlägt axial gegen das als Hülse 16 ausgebildete Einlegeteil 15 an, wobei das Einlegeteil 15 mit der Aussparung 7 verstemmt ist. Der axiale Anschlag 14 auf der Seite der zweiten Druckkammer 11, also der axiale Anschlag 14 für die erste Endposition 12, ist durch einen Absatz 19 der abgesetzten Stufenbohrung 17 ausgebildet. Der Kolben 5 ist in einer zweiten Endposition 13 dargestellt, also muss der Druck in der zweiten Druckkammer 11 größer sein als in der ersten Druckkammer 10.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Steuerventils 4. In diesem Beispiel ist das Einlegeteil 15 als eine Patrone 20 ausgebildet. Das heißt, dass das Einlegeteil 15 als Hohlkörper ausgebildet ist, wobei die Patrone 20 in einem Bereich einen größeren Außendurchmesser aufweist als in einem anderen Bereich. Der Innendurchmesser der Patrone 20 ist über die Länge konstant. Der Bereich mit dem größeren Außendurchmesser wird mit der Aussparung 7 verstemmt oder eingewalzt. Zwischen dem Bereich mit dem kleineren Außendurchmesser der Patrone 20 und der Innenwand der Aussparung 7 ist die Feder 6 angeordnet. Das axiale Ende der Patrone 20 dient als axialer Anschlag 14 für den Kolben 5 in der zweiten Endposition 13. Auf der Seite der zweiten Druckkammer 11 ist der axiale Anschlag 14 wieder als Absatz 19 der abgesetzten Stufenbohrung 17 ausgebildet.
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5 stellt eine zu 4 äquivalente Darstellung des Steuerventils 4 dar. Der Kolben 5 befindet sich jedoch in der ersten Endposition 12, sodass der Verriegelungskanal 9 mit der ersten Druckkammer 10 verbunden ist. Die Vorspannung der Feder 6 drückt den Kolben 5 in diese erste Endposition 12.
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6 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Steuerventils 4 dar. Der Kolben 5 und die Feder 6 werden durch eine Kapsel 21 umgeben. Die Kapsel 21 ist so in die Aussparung 7 eingesetzt, dass zwischen der Innenwand der Aussparung 7 und der Außenwand der Kapsel 21 radiales Spiel verbleibt. Die Kapsel 21 in 6 wird auf beiden axialen Seiten mit der Aussparung 7 verstemmt. Diese Verstemmung 22 legt also die Position der Kapsel 21 fest. Der Kolben 5 kann innerhalb der Kapsel 21 entgegen der Vorspannung der Feder 6 verschoben werden, um zwischen den beiden Endpositionen 12, 13 verlagert zu werden. Die Kapsel 21 ist so ausgestaltet, dass sie für den Kolben 5 in beide axiale Richtungen den axialen Anschlag 14 ausbildet.
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7 stellt eine zu 6 ähnliche Darstellung des Steuerventils 4 dar. Die Kapsel 21 ist an der einen axialen Seite mit der Aussparung 7 verstemmt. Auf der anderen axialen Seite der Aussparung 7 ist ein Vorsprung 23, der die Verstemmung 22 ersetzt, ausgebildet, der verhindert, dass die Kapsel 21 zu dieser Seite aus der Aussparung 7 herausrutschen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Nockenwellenverstärker
- 2
- Stator
- 3
- Rotor
- 4
- Steuerventil
- 5
- Kolben
- 6
- Feder
- 7
- Aussparung
- 8
- Ölkanal
- 9
- Verriegelungskanal
- 10
- Erste Druckkammer
- 11
- Zweite Druckkammer
- 12
- Erste Endposition
- 13
- Zweite Endposition
- 14
- Axialer Anschlag
- 15
- Einlegeteil
- 16
- Hülse
- 17
- Abgesetzte Stufenbohrung
- 18
- Fase
- 19
- Absatz
- 20
- Patrone
- 21
- Kapsel
- 22
- Verstemmung
- 23
- Vorsprung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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