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Die Erfindung betrifft einen (hydraulischen) Nockenwellenversteller des Flügelzellentyps, mit einem Stator und einem relativ zu diesem verschwenkbaren Rotor, innerhalb dessen ein (vorzugsweise axial) verstellbarer Steuerkolben, bspw. ausgebildet als Teil eines Zentralventils, vorzugsweise als 3-Wegeventil, weiter vorzugsweise als 5/3-Wegeventil, angeordnet ist, um in Abhängigkeit seiner Stellung vordefinierte Kanäle zum Durchleiten von Hydraulikfluid, wie Öl, mit einer Druckquelle, wie einer Pumpe, oder einer Drucksenke, wie einem Tank, zu verbinden.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits Nockenwellenversteller bekannt, so bspw. aus der
JP 2013-104384 A . Dort ist eine Vorrichtung offenbart, betreffend einen hydraulisch betätigten, variablen Ventilmechanismus, der einen Flügel besitzt, der von einer Nockenwelle angetrieben wird und mit dieser verbunden ist, und einen Gehäuserotor besitzt, der von einer Kurbelwelle angetrieben wird und mit dieser verbunden ist sowie relativ dreht, um die Ventilsteuerung eines Motorventils zu ändern. Die Vorrichtung umfasst ferner einen Verriegelungsmechanismus, der eine relative Drehposition des Flügels in einer Zwischenverriegelungsposition zwischen der am meisten verzögerten Position und der am meisten vorgeschobenen Position fixiert, und zwar durch Eingriff zwischen einem Verriegelungsstift, der in einem normal vorgespannten Zustand an dem Flügel in einer vorstehenden Richtung vorgesehen ist, und einem Verriegelungsloch, das in dem Gehäuserotor ausgebildet ist. Ferner ist ein Vorsprung vorhanden, zum Erhöhen des Reibungswiderstandes, der bei einer relativen Drehung zwischen einer Schaufel / einem Flügel und dem Gehäuserotor erzeugt wird, wobei an einer Innenstelle des Gehäuserotors dieser speziell ausgebildet ist, wobei ferner der Reibungswiderstand erhöht wird, wenn die relative Drehposition der Schaufel / des Flügels innerhalb eines vorbestimmten vorgeschriebenen Drehpositionsbereichs einschließlich der Zwischenverriegelungsposition liegt, insbesondere im Vergleich zu der Position außerhalb des vorgeschriebenen Drehbereichs.
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Ferner ist die
EP 1 008 729 B1 bekannt, die ein hydraulisches Stellglied des Flügelzellentyps umfassend ein Gehäuse mit mehreren Schuhen, das auf der Nockenwelle eines Motors derart angebracht ist, dass er unabhängig davon drehbar ist, offenbart, wobei ein Rotor vorhanden ist, aufweisend mehrere Flügel, wobei der Rotor in dem Gehäuse aufgenommen ist, wobei der Rotor an der Nockenwelle des Motors befestigt ist und relativ zu dem Gehäuse in einem vorbestimmten Winkelbereich drehbar ist, wobei Öldruck, zur Zeitverzögerung und zum Zeitvorlauf vorhanden sind, die zwischen den Flügeln des Rotors und den Schuhen des Gehäuses angeordnet sind, ferner umfassend einen Halteverriegelungsstift zum Festlegen des Rotors an dem Gehäuse, sodass die Relativdrehung zwischen dem Gehäuse und dem Rotor verhindert ist. Als besonders ist dort herausgestellt, dass das hydraulische Stellglied des Flügeltyps ferner umfasst, einen Führungsverriegelungsstift zum Führen des Rotors in eine vorbestimmte Eingriffsposition, um den Rotor mittels des Halteverriegelungsstifts mit dem Gehäuse zu verriegeln.
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Ferner ist auch eine benachbarte Vorrichtung aus der
JP 3705029 B2 bekannt. Diese Druckschrift beschäftigt sich mit der Bereitstellung einer Ventilsteuerungsvorrichtung, die in der Lage ist, eine Fehlfunktion einer Zwischenposition des Sperrstifts zu verhindern. In einer Verbrennungskraftmaschine ist dabei ein Mechanismus zur variablen Ventilsteuerung vom Flügelzellentyp vorgesehen, wobei ferner ein Zwischenpositionssperrstift in einem Flügelradkörper vorhanden ist. Weiterhin ist eine Zwischenposition der Verriegelungsbohrung an einer Position vorgesehen, die mit dem Zwischenpositionsverriegelungsstift in einen Ventilzeitpunkt zwischen der langsamsten / frühesten Winkelposition und der schnellsten / weitesten Winkelposition des Gehäuses des Mechanismus ausgerichtet ist. Hydraulikkanäle sind vorgesehen, etwa Hubhydraulikkanäle, die einen Verriegelungsstift anheben, nur dann mit der Verriegelungsbohrung zu verbinden, wenn sich ein Lamellenkörper / ein Flügel in der Zwischenstellung befindet. Wenn der Verriegelungsstift angehoben wird, wird dem Verriegelungsloch über die Hydraulikkanäle dann Hydraulikdruck zugeführt, nämlich dann, wenn der Lamellenkörper die Zwischenposition durchläuft, wodurch verhindert wird, dass der Verriegelungsstift durch Fehlfunktion in das Verriegelungsloch eingreift.
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In Dokumenten des Standes der Technik werden Verriegelungen in einer bestimmten Position diskutiert, nämlich um Oszillationen im Arbeitsbereich geschaltet zu verhindern bzw. zu reduzieren und bei Bedarf geschaltet frei zu geben.
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Grundsätzlich ist es nämlich die Aufgabe des Nockenwellenverstellers, die Phasenlage des maximalen Ventilhubs so genau wie möglich einzustellen und zu halten. Dazu wird eine Drehmomentenübertragung vom Stator bspw. über ein Ölpolster auf den Rotor und somit auf die Nockenwelle übertragen.
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Die bekannten Lösungen aus dem Stand der Technik haben jedoch Nachteile. Beispielsweise können Leckagen auftreten. Durch Leckagen im System ist es den Wechselmomenten aus dem Ventiltrieb jedoch möglich, den Stator relativ zum Rotor zu verdrehen. Dies ist unerwünscht. Dieser Richtungswechsel der Verdrehung verringert nämlich die Genauigkeit der Phasenlage. Es können bspw. Abweichungen von bis zu ± 2° auftauchen. In besonderen Fällen ist sogar eine größere Abweichung möglich. Untersuchungen an Vierzylindermotoren haben jedoch gezeigt, dass dies zu starken Füllungsabweichungen in den Zylindern führt. So zeigen Untersuchungen, dass schon ein halbes Grad an der Nockenwelle an Abweichung zu einer Füllungsabweichung im Zylinder von ca. 4% führen kann. Auf diese Weise sind Füllungsabweichungen von um die 16% zu beklagen.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung die Nachteile aus dem Stand der Technik zu beseitigen oder wenigstens zu mildern. Insbesondere sollen Ungenauigkeiten bzw. Oszillationen im Arbeitsbereich des Verstellers geschaltet reduziert werden.
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Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Nockenweller erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass Mittel vorhanden sind, um bei Vorliegen von Druck von der Druckquelle in Abhängigkeit von der Stellung des Steuerkolbens den Druck zum Stellen oder Beseitigen von Bremskraft zwischen dem Stator und dem Rotor gezielt zu nutzen. Damit wird verstanden, dass Druck von der Druckquelle im Nockenwellenversteller vorliegt und aktiv genutzt wird.
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Um die wechselnde Relativbewegung / Oszillation zu reduzieren, wird somit eine Komponente vorgeschlagen, die mittels eines Zentralventils (OCV) geschaltet ein Haltemoment / Bremsenmoment zwischen dem Stator und dem Rotor hervorruft. Als Bremskomponenten können axial und/oder radial bewegliche Bauteile, welche mittels Öldruck beaufschlagt und an den Stator oder Statordeckel gedrückt werden, eingesetzt werden. Alternativ kann die Anpresskraft durch eine Feder erzeugt werden bzw. durch Öldruck deaktiviert werden. Zusätzlich oder alternativ können auch elektromechanische oder pneumatische Schalteinheiten eingesetzt werden.
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Auch können Dichtleisten in radialer Richtung durch hydraulischen Öldruck bspw. aus einem „D-Kanal“ des Zentralventils gegen die Lauffläche mit Druck beaufschlagt werden, um Bremsmoment zu verstärken oder hervorzurufen. Die Bremselemente können bspw. mit einer reibungserhöhenden Beschichtung oder Struktur versehen werden.
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Die Bremsmomente werden vorzugsweise durch Reibschluss und/oder Formschluss zwischen dem Stator und der Komponente und durch Formschluss und/oder Reibschluss am Rotor erzeugt. Eine Umkehr der Anordnung ist auch denkbar.
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Als Schaltkraft wird vorzugsweise der am Versteller zur Verfügung stehende Öldruck eingesetzt, der durch einen zusätzlichen Kanal im Zentralventil (OCV) zur Verfügung gestellt wird. Alternativ ist eine Verwendung einer elektromechanischen oder pneumatischen Schalteinheit denkbar. Dies ist genauso auch kumulativ denkbar.
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Je nach Gestaltung der Komponente ist es notwendig, ein Rückstellelement vorzusehen.
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Die Vorteile der Lösung sind u. a. in einer Oszillationsreduktion durch Bremsmomenterzeugung in beliebiger Verstelllage zu sehen, in einer Unterstützung der Mittenverriegelung durch eine Bewegungsgeschwindigkeitsreduktion und dem Nutzen eines kleineren Bauraums im System durch Integration der Bremse in den Rotor. Eine Anwendung kann bei allen hydraulischen Nockenwellenverstellern erfolgen. Gegenüber dem Stand der Technik zeigt sich nun ein Vorteil bei der vollvariablen Regelbarkeit der mechanischen Bremse im gesamten Verstellbereich statt nur einer festen, lokal eingebauten Bremse. Ein Entfall einer Reibungsüberwindung beim Verstellen aus der verriegelten Position, z. B. aus der Verriegelungsposition mit Abschaltung der Bremsfunktion stellt sich erfreulicherweise ein. Diese Vorteile stellen sich insbesondere vor dem eingangs zitierten ersten Stand der Technik ein.
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Gegenüber dem als zweiten diskutierten Stand der Technik stellt sich nun der Vorteil eines unabhängig vom Verriegelungssystem bei stillstehendem Motor erzeugten positionsunabhängigen Haltemoments im Betrieb bei Entkopplung vom Verriegelungssystem ein.
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Gegenüber dem als dritten diskutierten Stand der Technik stellt sich der Vorteil des Verwendens einer Reibkraft anstelle einer Magnetkraft ein. Eine positionsunabhängige vollvariable Bremssteuerung zur Momentenerzeugung ist dann darstellbar. Zwar ist eine Magnetbremse vermeidbar, aber optional zusätzlich einsetzbar. Auch dann kann die Bremskraft durch Magnetkraft eines Magneten im Rotor / Flügel hervorgerufen werden. Allerdings ist dies nur als Unterstützung der (aktiven) Mittel gemäß der Erfindung zu sehen.
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Mit anderen Worten wird nun das Ventiltiming von seinen Varianzen befreit. Oszillationen zwischen dem Rotor und dem Stator im geregelten Betrieb des Nockenwellenverstellers werden ausgeschlossen. Eine Bremse zwischen dem Rotor und dem Stator ist im geregelten Betrieb schaltbar bzw. steuerbar.
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Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
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So ist es von Vorteil, wenn die Mittel eine Bremseinrichtung / eine Bremse und einen dieser Bremseinrichtung bzw. dieser Bremse zugeordneten Bremsaktivierungskanal / D-Kanal umfassen, wobei der Bremsaktivierungskanal / D-Kanal zum Hydraulikfluidverbringen bei entsprechender Stellung des Steuerkolbens von der Druckquelle zur Bremseinrichtung vorbereitet ist. Ein Erzeugen oder Beseitigen von Bremskraft kann dann mit hydraulischen Mitteln effizient bewirkt werden.
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Es hat sich bewährt, wenn die Mittel so ausgebildet und angeordnet sind, dass eine Bremskraft zwischen einer Stirnfläche des Rotors und vorzugsweise einer Stirnfläche bspw. eines statorfesten Deckels oder dem Stator zwangshervorgerufen oder zwangsaufgehoben wird. Eine solche Ausbildung ist besonders einfach zu montieren.
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Ausreichend Bremskraft kann dann zur Verfügung gestellt werden, wenn alternativ oder kumulativ die Mittel so ausgebildet und angeordnet sind, dass eine Bremskraft zwischen einer Mantelfläche des Rotors und einer (Zylinder-)Innenfläche des Stators zwangshervorgerufen oder zwangsaufgehoben wird.
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Eine solche Unterstützung ist besonders in extremen Situationen von Vorteil. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Bremseinrichtung (wenigstens) eine Bremsscheibe, ein Bremsscheibensegment, einen Bremsring, ein Bremsringsegment und/oder eine Dichtleiste umfasst.
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Dabei hat es sich besonders bewährt, wenn die Dichtleiste radial beweglich in dem Rotor oder in wenigstens einem rotorfesten Flügel in einer Arbeitskammer oder allen Flügeln des Rotors in den Arbeitskammern gelagert ist.
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Um die Effizienz zu erhöhen, hat es sich darüber hinaus bewährt, wenn die Bremseinrichtung einen bei Ölbenetzung höheren Reibbeiwert als 0,08 oder 0,12 besitzt.
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Um solch große Reibbeiwerte zu erreichen, ist es von Vorteil, wenn eine Beschichtung / Bedampfung und/oder eine Außenkonturstrukturierung, wie eine Riffelung, eine Riefung oder Aufrauung, bspw. unter Lasereinsatz und/oder eine gezielte Werkstoffwahl / Werkstoffpaarung, einsetzend bspw. Sintermaterial oder Keramik, zur Reibwerterhöhung eingesetzt ist.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform ist auch dadurch gekennzeichnet, dass ein Rückstellelement der Bremseinrichtung zugeordnet ist, um jenes die Bremskraft aufbringende Element zum Aufheben der Bremskraft zurückzustellen.
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In Weiterbildung dieser Idee ist es von Vorteil, wenn das Rückstellelement entweder einerseits mechanischer Natur ist, etwa nach Art einer Feder, wie einer Blattfeder oder einer Schraubenfeder oder einem Elastomer, oder andererseits hydraulischer Natur ist, etwa nach Art eines Kanals, wie eines Sack(gassen)kanals oder eines Stichkanals, bspw. verbunden mit einem Arbeitskanal, wie einem A-Kanal oder einem B-Kanal oder in Ausnahmefällen beiden unter Einsatz von zusätzlichen Elementen.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Steuern oder Regeln eines Nockenwellenverstellers insbesondere der erfindungsgemäßen Art, wobei der Steuerkolben so verlagert wird, dass Druck einer Pumpe zum Aufbringen von Bremskraft oder Aufheben von Bremskraft zwischen dem Stator und dem Rotor zwangsgenutzt wird.
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Da dieses Verfahren üblicherweise auf computerlesbaren Medien zwischengespeichert und genutzt wird, betrifft die Erfindung auch ein computerlesbares Medium mit Anweisungen zum Erzwingen des genannten Verfahrens.
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Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe einer Zeichnung näher erläutert.
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Dabei ist eine erste Ausführungsform näher beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine erste Ausführungsform nach Art einer gesteuerten Verstellerbremse im teilweise dargestellten Längsschnitt,
- 2 eine Längsschnittdarstellung durch den Zentralventilteil des erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers aus 1, wobei ein D-Kanal als „Bremsport“ genutzt ist und als Bremsaktivierungskanal wirkt,
- 3 die Schaltsystematik des Zentralventils aus 2, und
- 4 das resultierende Volumenstromverhalten in Relation zum Ventilkolbenhub, wobei im linken Teil des Diagramms die erste Schaltstellung, im mittleren Teil die zweite Schaltstellung und im rechten Teil die dritte Schaltstellung eingenommen ist.
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Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen nur dem Verständnis der Erfindung.
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In 1 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers 1 dargestellt. Es ist ein hydraulischer Nockenwellenversteller 1 des Flügelzellentyps und besitzt einen Stator 2 mit einem Rotor 3 darin. Der Rotor 3 ist für das Umschalten in unterschiedliche Betriebszustände relativ zum Stator 2 (frei) beweglich, nämlich verdrehbar / verschwenkbar. Innerhalb des Rotors 3 sitzt ein axial verschieblicher, also längs verschieblicher Steuerkolben 4, der in der 1 nur angedeutet ist. Der Steuerkolben 4 ist gut in 2 zu erkennen. Der Steuerkloben 4 ist für das Übergehen des einen Betriebszustanden in den nächsten verantwortlich.
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Zurückkommend auf 1 sei weiter erläutert, dass es Kanäle 5 gibt, die zum Führen von Hydraulikfluid, wie Öl vorbereitet sind. Die Kanäle 5 führen u. a. von einer Druckquelle 6, nämlich einer Pumpe 7 in einer bestimmten Schaltstellung zu einer Drucksenke 8, nämlich einem Tank 9.
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Unter Vorgriff auf 2 sei erläutert, dass der Steuerkolben 4 innerhalb eines Zentralventils 10 angeordnet ist. Das Zentralventil 10 weist ein Ventilgehäuse 11, konzentrisch innerhalb darin eine Ölverteilungshülse 12 und weiter konzentrisch darin eine Steuerhülse 13 sowie weiter konzentrisch darin den Steuerkolben 4 auf. Dabei werden durch den Steuerkolben 4 und die Steuerhülse 13 zusammen mit der Ölverteilungshülse 12 und dem Ventilgehäuse 11 unterschiedliche Kanäle geschalten, die grundsätzlich alle mit dem Bezugszeichen 5 versehen sind: Es gibt einen so genannten A-Kanal 14, der zu einer ersten A-Teilarbeitskammer führt, die für eine Spätstellung des Nockenwellenverstellers zuständig ist. Auch gibt es einen so genannten B-Kanal 15, der zu einer B-Teilarbeitskammer führt. Die A-Teilarbeitskammer und die B-Teilarbeitskammer bilden gemeinsam eine Arbeitskammer. Diese ist üblicherweise durch einen Flügel geteilt.
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Das Besondere an der Erfindung ist, dass es einen D-Kanal 16 gibt, der auch als Bremsaktivierungskanal bezeichnet werden kann. In der Schaltstellung, in der jener D-Kanal 16 mit unter Druck stehendem Hydraulikfluid von der Druckquelle 6, an der Pumpe 7, versorgt wird, wird Hydraulikfluid einer Bremseinrichtung 17 zugeführt. Die Bremseinrichtung 17 umfasst somit zumindest diesen D-Kanal 16 und, wie auch in 1 gut zu erkennen, einen unterbrochenen Bremsring 18, der in einem Ringkanal 19 eines Statordeckels / Frontdeckels 20 unverdrehbar gelagert ist. Der Statordeckel / Frontdeckel 20 ist über Schraubverbindungen 21 am Stator 2, welcher auch einen Kettenradabschnitt 22 besitzt, befestigt.
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Es gibt auch eine Steigbohrung 23, die den D-Kanal 16 mit dem Ringkanal 19 verbindet. Ist der Steuerkolben 4 in der entsprechenden Position, dass Hydraulikfluid von der Pumpe über den D-Kanal 16 zur Steigbohrung 23 und dann zum Ringkanal 19 gebracht wird, so drückt dieses Öl auf den unterbrochenen Bremsring 18 und verlagert diesen in Axialrichtung (bestimmt durch die Längsrichtung des Steuerkolbens 4) auf eine Stirnfläche 23 des Rotors 3. Dadurch wird eine Bremskraft erzeugt bzw. ein Bremsmoment bewirkt.
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Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, dass es einen Filterhalter 24 gibt, wie er in 2 dargestellt ist, innerhalb dessen ein Filter 25 und ein Rückschlagventil 26 angeordnet sind. Auf der anderen Seite vom Steuerkolben 4 gibt es auch noch ein Druckstück 27.
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Das Zentralventil 10 in seinen drei Stellungen mit fünf Kanälen 5 ist in der 3 angedeutet. Das Zentralventil 10 kann elektrisch, bspw. über 12 V, aktuiert sein. Eine Rückstellfeder 28 kann eingesetzt sein.
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In der 4 ist die Schaltkinematik als Diagramm des Volumenstroms Q über den Ventilkolbenhub s aufgetragen. Im linken Bereich ist der Endstopp unbestromt und eine Teilarbeitskammer B auf die Pumpe P geschalten. Im rechten Ende sind die Pumpe auf die Teilarbeitskammer A geschalten und der Endstopp voll bestromt. In der Mitte ist die Halteposition, wobei die Pumpe auf den D-Kanal 16 geschalten ist. Dadurch wird in diesem Schaltzustand die Bremswirkung erzeugt oder bei entsprechend anderer Gestaltung aufgehoben.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Nockenwellenversteller
- 2
- Stator
- 3
- Rotor
- 4
- Steuerkolben
- 5
- Kanal
- 6
- Druckquelle
- 7
- Pumpe
- 8
- Drucksenke
- 9
- Kanal
- 10
- Zentralventil
- 11
- Ventilgehäuse
- 12
- Ölverteilungshülse / Ölverteilerhülse
- 13
- Steuerhülse
- 14
- A-Kanal (Arbeitskanal für A-Kammer)
- 15
- B-Kanal (Kanal für B-Arbeitskammer)
- 16
- D-Kanal / Bremsaktivierungskanal
- 17
- Bremseinrichtung
- 18
- Bremsring
- 19
- Ringkanal
- 20
- Statordeckel / Frontdeckel
- 21
- Schraubverbindung
- 22
- Kettenradabschnitt
- 23
- Stirnfläche
- 24
- Filterhalter
- 25
- Filter
- 26
- Rückschlagventil
- 27
- Druckstück
- 28
- Rückstellfeder
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2013104384 A [0002]
- EP 1008729 B1 [0003]
- JP 3705029 B2 [0004]
