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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 10 2009 042 202 A1 zeigt einen Nockenwellenversteller mit einem Volumenspeicher, wobei im Fall eines Unterdruckes beziehungsweise einer Mangelversorgung einer Kammer ausgehend von der Ölpumpe aufgrund der auftretenden Nockenwellenwechselmomente während des Betriebs dieser Unterdruck das Rückschlagventil zum Volumenspeicher öffnet und diesen Mangel ausgleicht.
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Die
DE 10 2012 201 560 A1 zeigt einen Nockenwellenversteller umfassend einen Stator und einen im Stator aufgenommenen Rotor, der über eine Druckkammer gegenüber dem Stator verdrehbar ist, eine Druckschnittstelle zum Versorgen der Druckkammer mit einer Hydraulikflüssigkeit und eine Ablaufschnittstelle zum Ableiten der Hydraulikflüssigkeit aus der Druckkammer, wobei der Nockenwellenversteller eine dritte Schnittstelle zum Füllen der Druckkammer mit Hydraulikflüssigkeit über einen Volumenspeicher aufweist.
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Die
DE 10 2012 201 551 A1 zeigt ein Wegeventil zum Steuern eines Hydraulikölflusses von einem Druckanschluss über Arbeitskammern eines Nockenwellenverstellers zu einem Tankanschluss, umfassend einen Speicheranschluss zum Leiten wenigstens eines Teils des aus einer Arbeitskammer ablaufenden Hydrauliköles in einen Volumenspeicher vor dem Ablauf in den Tankanschluss, wobei der Speicheranschluss über einen Kanal mit dem Druckanschluss verbunden ist.
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Die
DE 696 01 916 T2 zeigt eine Ventilsteuerzeitenregelvorrichtung, die folgendes umfasst: einen Rotor, der an einer Nockenwelle fixiert ist, die drehbar gestützt ist auf einem Zylinderkopf eines Motors, ein Gehäuseelement, das drehbar montiert ist an der Nockenwelle, um den Rotor zu umschließen, eine Vielzahl von Kammern, die zwischen dem Gehäuseelement und dem Rotor definiert sind, von denen jede ein Paar in Umfangsrichtung gegenüberliegender Wände hat, eine Vielzahl von Flügeln, die an dem Rotor montiert sind und von denen sich jeder von diesem nach außen erstreckt in der radialen Richtung in eine der Kammern hinein, um jede Kammer in eine erste Druckkammer und eine zweite Druckkammer zu teilen, und eine Fluidzufuhreinrichtung für die Zufuhr von druckbeaufschlagtem Fluid zu zumindest einer gewählten aus der ersten Druckkammer und der zweiten Druckkammer, wobei die Ventilsteuerzeitenregelvorrichtung in dem Zylinderkopf des Motors untergebracht ist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Nockenwellenversteller mit einem Volumenspeicher zu verbessern.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Hierdurch wird erreicht, dass bei Motorstart das vom vorhergehenden Betrieb des Nockenwellenverstellers aufgesammelte Öl an den Rückschlagventilen zur Verfügung steht.
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Der Volumenspeicher ist erfindungsgemäß innerhalb des Nockenwellenverstellers angeordnet, so dass bei Drehung des Nockenwellenversteller im Betrieb das aus der Arbeitskammer austretende Öl in dem Volumenspeicher aufgefangen und durch die Zentrifugalkraft in einem radial von der Drehachse entfernten Bereich des Volumenspeichers angesammelt wird. Von dort aus wird das Öl derjenigen Arbeitskammer zu Verfügung gestellt, welche einer Mangelversorgung im Betrieb unterworfen ist. Dazu öffnet der in der Arbeitskammer auftretende Unterdruck ein Rückschlagventil, welches in einem Kanal zum Volumenspeicher angeordnet ist, um das im Volumenspeicher gesammelte Öl anzusaugen und den Mangel auszugleichen.
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Die mit Öl bedruckbaren Arbeitskammern des Nockenwellenverstellers sind Frühverstellkammern und Spätverstellkammern. Das Druckmittel zum Bedrucken der Arbeitskammern ist vorzugsweise Öl. Eine Frühverstellkammer und eine benachbarte Spätverstellkammer bilden ein Arbeitskammerpaar.
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Durch die Ölrückhaltevorrichtung werden die Mündungen der Druckmittelkanäle zum Volumenspeicher zumindest teilweise mit Öl bedeckt, wobei das Öl nach Einstellen des Betriebs in der Ölrückhaltevorrichtung bevorratet ist und für die erneute Betriebsaufnahme unverzüglich und auf kurzem Weg zur Verfügung steht. Ein Ansaugen von Luft durch die Montagespalte oder aufgrund mangelnder Bevorratung ist somit minimiert und die bedruckte Arbeitskammer kann mit möglichst unverschäumten Öl auf dem Volumenspeicher befüllt werden.
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Insbesondere bei Neustart der Brennkraftmaschine und einem zumindest teilweise befüllten Volumenspeicher bzw. deren Ölrückhaltevorrichtung wird genug Öl bevorratet sein, so dass die auftretende Zentrifugalkraft den aufgesammelten Ölvorrat radial nach außen befördert und so die Mündungen der Druckmittelkanäle mit Öl bedeckt sind und diese Öl im Bedarfsfall eingesaugt werden kann.
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Erfindungsgemäß weist die Ölrückhaltevorrichtung eine Labyrinthform zum Speichern des Öls auf. Das Öl kann während des Betriebs den Zugang zur Ölrückhaltevorrichtung passieren und wird innerhalb der Ölrückhaltevorrichtung gefangen. Ein Auslaufen des Öls wird zuverlässig vermieden.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung grenzt die Ölrückhaltevorrichtung an die Mündungen der Druckmittelkanäle an.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Ölrückhaltevorrichtung des Volumenspeichers zumindest ein Minimalvolumen speichern, um im erneuten Betrieb der Brennkraftmaschine den auftretenden Ölmangel der Frühverstellkammer oder der Spätverstellkammer auszugleichen.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der Volumenspeicher axial benachbart zu den Frühverstellkammern und den Spätverstellkammern angeordnet. Vorteilhafterweise kann so das Ölvolumen mit der darauf einwirkenden Zentrifugalkraft möglichst weit entfernt von der Drehachse des Nockenwellenversteller verteilt werden und sich vor den Mündungen zu den Arbeitskammern ansammeln.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Rückschlagventile axial zwischen dem Volumenspeicher und den Frühverstellkammern bzw. den Spätverstellkammern angeordnet. Dies erlaubt eine besonders platzsparende Anordnung. Die Rückschlagventile können vorteilhafterweise als Blechlaschen eines gemeinsamen Bleches zwischen dem Antriebselement/Abtriebselement und einem Dichtdeckel angeordnet werden.
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In einer bevorzugten Ausbildung ist der Volumenspeicher von einem an die Verstellkammern angrenzenden Deckel ausgebildet. So ist bevorzugt der Volumenspeicher besonders nah an den Verstellkammern angeordnet und der Weg zur Leitung des Öls aus dem Volumenspeicher zur Arbeitskammer ist minimiert, was eine sehr hohe Reaktionsgeschwindigkeit zur Folge hat.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Volumenspeicher von einem Deckel ausgebildet, der an dem an die Verstellkammern angrenzenden Deckel befestigt ist. Der unmittelbar an die Verstellkammern angrenzende Deckel kann zur Abdichtung der Verstellkammern bzw. Arbeitskammern zur Umwelt genutzt werden, die Druckmittelkanäle zum Transport des Öls aus dem Volumenspeicher zu den Arbeitskammern sowie zur Bereitstellung einer Verriegelungskulisse. Der an den Deckel angrenzende Deckel ist als Volumenspeicher ausgebildet. Dieser kann besonders einfach ausgebildet sein und zum Auffangen des austretenden Öls gestaltet sein.
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In einer vorteilhaften Ausbildung ist die Labyrinthform eine Spiralform. Die verhindert auf besonders zuverlässige Weise ein Auslaufen des Öls aus dem Volumenspeicher.
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In einer besonders bevorzugten Ausbildung wird der Volumenspeicher von einem Tankanschluss eines den Nockenwellenversteller steuernden Steuerventils befüllt. Das Öl wird aus einer Stirnseite des Steuerventils ausgeleitet und vom Volumenspeicher aufgefangen. Aufgrund der Zentrifugalkraft im Betrieb wird das Öl zu den Mündungen der Druckmittelleitungen befördert und steht dort zum Verbrauch für die entsprechende Arbeitskammer zur Verfügung.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird ein Auslaufen des Volumenspeichers vermieden und eine zuverlässige Bereitstellung des nutzbaren Ölvolumens erreicht.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt.
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Es zeigen:
- 1 einen Nockenwellenversteller mit einem Volumenspeicher ohne Ölrückhaltevorrichtung außer Betrieb,
- 2 einen Nockenwellenversteller mit einem Volumenspeicher ohne Ölrückhaltevorrichtung im Betrieb,
- 3 einen Nockenwellenversteller mit einem Volumenspeicher mit Ölrückhaltevorrichtung,
- 4 einen Nockenwellenversteller mit einem Volumenspeicher mit Ölrückhaltevorrichtung im Betrieb,
- 5 einen Nockenwellenversteller mit einem Volumenspeicher mit Ölrückhaltevorrichtung außer Betrieb,
- 6 ein Einsatzelement mit einer Ölrückhaltevorrichtung,
- 7 einen Nockenwellenversteller mit einem Volumenspeicher mit Ölrückhaltevorrichtung im Schnitt und
- 8 ein Einsatzelement mit einer Ölrückhaltevorrichtung und zusätzlicher Abdichtung.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt einen Nockenwellenversteller 1 mit einem Volumenspeicher 2 ohne Ölrückhaltevorrichtung 9 außer Betrieb. Der hydraulisch betriebene und im grundsätzlichen Aufbau aus dem Stand der Technik bekannte Nockenwellenversteller 1 weist einen Volumenspeicher 2 auf, der als Deckel 12 auf einen die Arbeitskammern abdichtenden Deckel 11 aufgesetzt ist. Durch den Deckel 11 erstrecken sich in axialer Richtung als Druckmittelkanäle 7a, 7b ausgebildete Bohrungen vom Volumenspeicher 2 zu den Arbeitskammern, um der Arbeitskammer, die einen kurzzeitige auftretenden Unterdruck aufgrund eines Nockenwellenwechselmoments aufweist, genügend Druckmittel in Form von Öl bereitzustellen, so dass ein Versorgungsmangel der Ölpumpe beim Betreiben/Befüllen dieser Arbeitskammer ausgeglichen werden kann. Damit das Öl nicht aus dieser von der Ölpumpe bedruckten Arbeitskammer in den Volumenspeicher 2 abfließt, ist bzw. sind in den Druckmittelkanälen 7a, 7b Rückschlagventile angeordnet, die einen Fluss aus dem Volumenspeicher 2 in die Arbeitskammer zulassen und einen Fluss aus der Arbeitskammer in den Volumenspeicher 2 durch den Druckmittelkanal 7a bzw. 7b verhindert oder blockiert. Geöffnet wird das der entsprechenden Arbeitskammer zugeordnete und in dem entsprechenden Druckmittelkanal angeordnete Rückschlagventil durch den oben erwähnten Unterdruck in der Arbeitskammer selbst.
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War der Nockenwellenversteller 1 in Betrieb bzw. war die Brennkraftmaschine in Betrieb und befindet sich nun im Stillstand, so verbleibt ein Rest an Öl im Volumenspeicher 2 gemäß des grau schattierten Bereichs. Je nach Dichtheit der Fuge zwischen dem Deckel 12 und dem Deckel 11 sinkt dieser Flüssigkeitsspiegel 6 bei fortschreitender Zeit ab. So ist es insbesondere im Start-Stop-Betrieb der Brennkraftmaschine möglich, dass eine nicht ausreichende Anzahl von Mündungen 10a, 10b von diesem Flüssigkeitsspiegel 6 überdeckt sind und folglich beim Neustart der Brennkraftmaschine die Ansaugfunktion durch die Nockenwellenwechselmoment für eine Anzahl von Arbeitskammern derselben Wirkrichtung das benötigte Mangelausgleichsöl nicht zur Verfügung steht.
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2 zeigt den Nockenwellenversteller 1 nach 1 mit einem Volumenspeicher 2 ohne Ölrückhaltevorrichtung 9 im Betrieb. Im Betrieb sammelt sich das Öl (grau schattiert dargestellt) im Volumenspeicher 2 an dem von der Drehachse radial am weitesten entfernten Innenumfang, wobei sich vom Innenumfang ausgehend ein ringförmiger Flüssigkeitsspiegel 6 aufbaut, welcher in radialer Richtung zur Drehachse anwächst, sofern der Betrieb ausreichend lang andauert, damit das Öl, welches durch ein (hier nicht dargestelltes) Zentralventil zum Tank abfließen soll, vom trichterförmigen Volumenspeicher 2 aufgefangen und aufgesammelt wird. Deutlich zu erkennen ist, dass im Betrieb die Mündungen 10a, 10b nicht ausreichend mit Öl bedeckt werden bzw. ein Totvolumen im Volumenspeicher 2 vorhanden ist, welches ungenutzt bleibt.
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3 zeigt einen Nockenwellenversteller 1 mit einem Volumenspeicher 2 mit Ölrückhaltevorrichtung 9. Die Ölrückhaltevorrichtung 9 unterteilt den Volumenspeicher 2 in dieser Ausführungsform in drei schneckenförmige Abschnitte. Jeder schneckenförmige Abschnitt umrandet zwei Mündungen, 10a und 10b. Somit hat jedes Arbeitskammerpaar einen eigenen Volumenspeicher 2 in Form eines schneckenförmigen Abschnittes. Durch diese Aufteilung wird das zur Verfügung gestellte Ölvolumen aufgeteilt und reduziert. Somit wird das Totvolumen (nach 2) minimiert und der Nockenwellenversteller 1 kann nach Neustart der Brennkraftmaschine zügiger einen Ölmangel ausgleichen, da weniger Öl zur Befüllung des bzw. der Volumenspeicher 2 benötigt wird. Die Mündungen 10a und 10b werden von dem jeweiligen schneckenförmigen Abschnitt derart umrandet, dass die Mündungen 10a und 10b nahezu unmittelbar an die Wandung des schneckenförmigen Abschnittes angrenzen, um das Totvolumen möglichst gering zu halten.
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4 zeigt einen Nockenwellenversteller 1 mit einem Volumenspeicher 2 mit Ölrückhaltevorrichtung 9 im Betrieb. In der linken Ansicht ist der Volumenspeicher 2 maximal befüllt (grau schattiert) und von dem Deckel 12 abgedeckt. In der rechten Ansicht ist der Deckel 12 ausgeblendet. Damit ist der Blick auf das Innere des Volumenspeichers 2 frei und die Verteilung des Öls (grau schattiert) gut zu sehen. Durch die schneckenförmige oder labyrinthförmige Ausbildung der drei Abschnitte wird das Öl, ausgehend vom (hier nicht dargestellten) Zentralventil bzw. eines koaxial zur Drehachse angeordneten Tankkanals, durch die Zentrifugalkraft im Betrieb von der Drehachse weg geschleudert, vom trichterförmigen Deckel 12 aufgefangen und durch die Schnecken- bzw. Labyrinthform zu den Volumenspeichern 2 geleitet. Die Mündungen 10a und 10b sind ausreichend mit Öl bedeckt, so dass über die Rückschlagventile nur Öl und keine Luft in die Arbeitskammern eingesaugt werden kann.
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5 zeigt einen Nockenwellenversteller mit einem Volumenspeicher mit Ölrückhaltevorrichtung außer Betrieb. Die Schnecken- bzw. Labyrinthform verhindert ein Ausfließen des gesammelten Öls außer Betrieb. Die Flüssigkeitsspiegel 6 in den Abschnitten bzw. der Volumenspeicher 2 bleiben derart erhalten, dass die Mündungen 10a und 10b auch außer Betrieb mit Öl bedeckt sind (grau schattiert). Ein Leerlaufen der Volumenspeicher 2 durch die Gravitationskraft g kann nicht erfolgen. So kann bei einem Neustart der Brennkraftmaschine und startender Rotation des Nockenwellenverstellers 1 das gesammelte Öl unverzüglich den Arbeitskammern durch das auftretende Nockenwellenwechselmoment zugeführt werden. Insbesondere bei (Neu-)Start der Brennkraftmaschine braucht die Ölpumpe eine gewisse Zeit, bis die Ölgalerie der Brennkraftmaschine und sämtliche Verbraucher versorgt sind. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Nockenwellenverstellers 1 wird die Ölpumpe in dieser Zeit vom Verbrauch des Nockenwellenverstellers 1 entlastet. Leistet die Ölpumpe ihr maximales Fördervolumen, so kann der Nockenwellenversteller 1 ausreichend versorgt werden.
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6 zeigt ein Einsatzelement 4 mit einer Ölrückhaltevorrichtung 9. Das Einsatzelement 4 weist die drei schneckenförmigen Abschnitte auf, die als Ölrückhaltevorrichtung 9 dienen. Das Einsatzelement 4 kann in den trichterförmigen Deckel 12 eingesetzt oder eingelegt werden (siehe 7). Das Einsatzelement 4 weist eine zentrale Öffnung 8 auf, damit ein zentrales Befestigungsmittel (beispielsweise eine Zentralschraube oder ein Zentralventil) hindurchgeführt und der Nockenwellenversteller 1 mit der Nockenwelle verbunden werden kann. Durch diese Öffnung 8 wird das zum Tank abfließende Öl abgefangen und den Volumenspeichern 2 zugeführt. Die Zuführung erfolgt über die Zentrifugalkraft entlang der Wandung der schneckenförmigen Abschnitte 9.
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7 zeigt einen Nockenwellenversteller 1 mit einem Volumenspeicher 2 mit Ölrückhaltevorrichtung 9 im Schnitt. Gut zu erkennen ist der Verbau des Einsatzelementes 4 im Deckel 12. Der Deckel 12 wird mit dem Deckel 11 derart gefügt, dass das Einsatzelement 4 an der Stirnseite des Deckels 11 und an der Innenseite des Deckels 12 zum Anliegen kommt und weitestgehend dicht ist. So kann der Deckel 12 mit dem Deckel 11 unter Vorspannung stehen bzw. das Einsatzelement 4 zwischen den beiden Deckeln 11, 12 geklemmt sein.
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8 zeigt ein Einsatzelement 4 mit einer Ölrückhaltevorrichtung 9 und zusätzlicher Abdichtung. Um die Dichtheit der Volumenspeicher 2 weiter zu erhöhen, kann auf der axialen Stirnseite der Wandung der schneckenförmigen Abschnitte eine Dichtung 3 aufgebracht werden bzw. sein. Damit wird die Dichtheit zwischen dem Einsatzelement 4 und dem Deckel 11 erhöht.
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Bezugszeichenliste
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- 1)
- Nockenwellenversteller
- 2)
- Volumenspeicher
- 3)
- Dichtung
- 4)
- Einsatzelement
- 5)
- Druckmittelleitungen
- 6)
- Flüssigkeitsspiegel
- 7a)
- Druckmittelkanal
- 7b)
- Druckmittelkanal
- 8)
- zentrale Öffnung
- 9)
- Ölrückhaltevorrichtung
- 10a)
- Mündung
- 10b)
- Mündung
- 11)
- Deckel
- 12)
- Deckel
