EP0995882A2 - Vorrichtung zur hydraulischen Drehwinkelverstellung einer Welle zu einem Antriebsrad - Google Patents

Vorrichtung zur hydraulischen Drehwinkelverstellung einer Welle zu einem Antriebsrad Download PDF

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EP0995882A2
EP0995882A2 EP99116481A EP99116481A EP0995882A2 EP 0995882 A2 EP0995882 A2 EP 0995882A2 EP 99116481 A EP99116481 A EP 99116481A EP 99116481 A EP99116481 A EP 99116481A EP 0995882 A2 EP0995882 A2 EP 0995882A2
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pressure
rotation
webs
camshaft
combustion engine
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Axel Willi Jochim
Andreas Knecht
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Dr Ing HCF Porsche AG
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Dr Ing HCF Porsche AG
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01LCYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/34Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift
    • F01L1/344Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift changing the angular relationship between crankshaft and camshaft, e.g. using helicoidal gear
    • F01L1/3442Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift changing the angular relationship between crankshaft and camshaft, e.g. using helicoidal gear using hydraulic chambers with variable volume to transmit the rotating force

Definitions

  • the invention relates to a device for hydraulic rotation angle adjustment Shaft to a drive wheel, in particular the camshaft of an internal combustion engine, according to the genus of the main claim.
  • Such a device is known for example from US-A 4,858,572.
  • an inner part rotatably with the end of Connected camshaft, which distributed several over the circumference on its outside has radial slots in which wing elements are guided radially displaceably.
  • This inner part is surrounded by a cellular wheel, which is hydraulic has cells that can be acted upon by the wings in two against each other acting pressure rooms are divided. By pressurizing this Depending on the pressure difference, the pressure inside the inner part and thus the Camshaft can be rotated relative to the cellular wheel.
  • the hydraulic system of the device is designed so that the Hydraulically effective total area of the pressure rooms related to the direction of rotation is different, faster adjustment times can be made possible.
  • the one Rotation against the direction of rotation of the hydraulically effective The total area is designed larger than that for rotation in the opposite direction. This means that the swallowing or Delivery volume significantly reduced compared to the maximum required volume, see above that with a constant delivery pressure or delivery volume a faster adjustment is possible. With a twist against the drive direction that is at the same time off the oil volume to be relieved to be displaced less so that Overall, lower throttle losses occur and this also results in faster Adjustment is possible.
  • Such a direction of rotation different interpretation of Hydraulic system of the device can be used in a particularly advantageous manner Achieve symmetrical structure of the device if at least one pressure chamber is constantly relieved of pressure.
  • the pressure chamber which is constantly relieved of pressure, is in a particularly advantageous manner connected to the oil return of the internal combustion engine, so that in this pressure chamber leaking oil can drain off and it does not build up against the Twisting counter pressure can come.
  • the device can be designed in a particularly advantageous manner so that the Number of times with rotation in one of the two directions with pressure pressurized pressure rooms is different.
  • the number is for one Rotation against the direction of rotation of the pressurized pressure chambers larger than that with corresponding rotation in the opposite direction with pressure pressurized pressure rooms.
  • the size of the effective print areas per print room can be advantageously in the pressurized pressure rooms be the same.
  • 1 shows the camshaft of an internal combustion engine the free end of which the inner part 2 of an adjusting device 3 is arranged in a rotationally fixed manner.
  • This inner part 2 is arranged in this embodiment with four radially Provide webs 4a to 4d.
  • the inner part is surrounded by a cellular wheel 5, which on way not shown connected to the crankshaft of the internal combustion engine is and therefore acts as a drive wheel.
  • the cellular wheel 5 is with four inwards projecting radial webs 6a to 6d, between which four cells are formed are, which by the webs of the inner part in two pressure spaces 7a to 7d and 8a are divided up to 8d.
  • the pressure rooms 7a to 7d are each with a radial bore 9a to 9d in the inner part 2 Annular groove 10 connected to the camshaft 1.
  • the pressure spaces 8a to 8c are over radial bores 11a to 11c in the inner part 2 with a second annular groove 12 in the Camshaft 1 connected.
  • the radial bores are 9a to 9d and 11a to 11c each arranged so that they in the foot area of the webs 4a to 4d in the corresponding pressure rooms open.
  • the two ring grooves 10 and 12 are each connected to a pressure channel 13 or 14 running in the camshaft 1.
  • This Pressure channels 13 and 14 are in a manner known per se via a camshaft bearing 15 each connected to a control line 16 or 17.
  • the two control lines 16 and 17 are designed with a 4/3-way valve, for example Control valve 18 connected.
  • This control valve 18 is also with a Pressure medium pump 19 and an oil tank 20 connected.
  • the camshaft 1 or the cellular wheel 5 via a Endless chain driven by the crankshaft of the internal combustion engine.
  • Such one Timing chain drive is usually arranged inside the internal combustion engine or encapsulated so that lubrication of the chain drive without oil leakage to the Environment is possible.
  • the pressure chamber 8d is radial Bore 21 connected to the outer periphery of the cellular wheel 5. Through this radial Bore 21 can be in the pressure chamber 8d due to leakage through the Sealing gaps on the webs 4a and 6d in the pressure chamber constantly collecting oil drain off, so that the pressure chamber 8d is constantly relieved of pressure.
  • the pressure chamber 8d can be easily relieved of pressure via the inner part 2.
  • a radial bore in the inner part with another pressure channel in the camshaft be connected, for example, to the interior of the not shown Cylinder head and the oil return located therein.
  • the pressure spaces 7a to 7d are above Bores 9a to 9d, the annular groove 10, the pressure channel 14 and the pressure line 17 with the pressure medium pump 19 connected and pressurized accordingly.
  • the pressure chambers 8a to 8c are through the bores 11a to 11c Annular groove 12, the pressure channel 13 and the pressure line 16 connected to the oil tank 20 and thus relieved.
  • the pressure chamber 8d is constant at the same time via the bore 21 relieved of pressure.
  • the inner part 2 is pressurized by the pressure chambers 7a to 7d in the viewing direction chosen in FIG. 1 in the counterclockwise direction Cell wheel 5 twisted. The inner part is thus rotated relative to the cellular wheel against the direction of rotation. Through this twisting, the Pressure chambers 8a to 8c displaced pressure medium in addition to the oil tank 20.
  • the inner wheel against the direction of rotation rotated relative to the cell wheel four pressure chambers are pressurized. At the same time, the pressure medium located in it must be displaced from three pressure chambers become.
  • the fourth pressure chamber 8d not pressurized is at the same time permanent Relieved of pressure via the bore 21.

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Abstract

Die Vorrichtung zur relativen Drehwinkeländerung der Nockenwelle einer Brennkraftmaschine zu ihrem Antriebsrad besteht im wesentlichen aus einem mit Stegen oder Flügeln versehenen Innenteil, das in einem Zellenrad drehbeweglich angeordnet ist. Dieses angetriebene Zellenrad weist mehrere über den Umfang verteilte Stege auf, die durch die Stege bzw. Flügel des Innenteils in jeweils zwei Druckräume unterteilt sind. Durch deren Druckbeaufschlagung bzw. Druckentlastung wird die Drehwinkeländerung verursacht. Die Druckräume werden in Abhängigkeit von der zu erzielenden Verdrehbewegung bezogen auf die Antriebsdrehrichtung unterschiedlich mit Druck beaufschlagt. Bei einer Verdrehung gegen die Antriebsdrehrichtung wird eine größere hydraulisch wirksame Fläche mit Druck beaufschlagt als bei einer Verdrehung in Antriebsdrehrichtung. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur hydraulischen Drehwinkelverstellung einer Welle zu einem Antriebsrad, insbesondere der Nockenwelle einer Brennkraftmaschine, nach der Gattung des Hauptanspruches.
Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der US-A 4,858,572 bekannt. Bei dieser gattungsgemäßen Vorrichtung ist ein Innenteil drehfest mit dem Ende der Nockenwelle verbunden, das an seiner Außenseite mehrere über den Umfang verteilte radiale Schlitze aufweist, in denen Flügelelemente radial verschieblich geführt sind. Dieses Innenteil wird von einem Zellenrad umgeben, das mehrere hydraulisch beaufschlagbare Zellen aufweist, die durch die Flügel in zwei gegeneinander auf diese einwirkende Druckräume unterteilt werden. Durch Druckbeaufschlagung dieser Druckräume kann in Abhängigkeit von der Druckdifferenz das Innenteil und damit die Nockenwelle relativ zum Zellenrad verdreht werden.
Aus der DE 39 22 962 A1 ist weiterhin eine Vorrichtung zur hydraulischen Drehwinkelverstellung einer Nockenwelle zu ihrem Antriebsrad bekannt, bei der das Innenteil mit festen, radial verlaufenden Stegen versehen ist.
Bei diesen bekannten Vorrichtungen zur hydraulischen Drehwinkelverstellung einer Welle zu ihrem Antriebsrad sind die für die Verdrehung erforderlichen Kräfte in Abhängigkeit von der Verdrehrichtung unterschiedlich. Die erforderlichen Kräfte bei einer Verdrehung in Antriebsrichtung sind bei Vernachlässigung der durch den jeweiligen Nockenauflauf und Nockenablauf verursachten Kräfte bzw. Momente größer als die für eine Verdrehung gegen die Antriebsrichtung. Da der Hydraulikkreislauf für eine derartige Vorrichtung auf die maximal erforderliche Kraft ausgelegt ist, sind entsprechend große wirksame Druckflächen erforderlich, die ein entsprechend großes hydraulisches Schluckvolumen erfordern. Dadurch wird in Abhängigkeit von der Auslegung der Druckmittelversorgung die Verstellgeschwindigkeit begrenzt.
Es ist demgegenüber die Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Vorrichtung zur hydraulischen Drehwinkelverstellung einer Welle zu ihrem Antriebsrad dahingehend zu verbessern, daß bei vorgegebenem maximalen Verstelldruck eine schnellere Verstellung möglich ist und/oder eine Reduzierung des maximal erforderlichen Druckes bzw. eine Reduzierung des maximal erforderlichen Fördervolumens ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches gelöst. Wird das sich aus den Druckräumen und der Druckmittelzu- und Druckmittelabfuhr zusammensetzende hydraulische System der Vorrichtung dahingehend ausgelegt, daß die die Verdrehung verursachende hydraulisch verursachte Kraft für die beiden Drehrichtungen bei gleichen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine unterschiedlich ist, kann insgesamt eine drehrichtungsbezogen optimale Auslegung dieses hydraulischen Systems erfolgen, so daß insgesamt eine schnellere Verstellung und/oder eine Reduzierung des maximal erforderlichen hydraulischen Druckes bzw. Fördervolumens möglich ist.
Insbesondere wenn das hydraulische System der Vorrichtung so ausgelegt ist, daß die hydraulisch wirksame Gesamtfläche der Druckräume drehrichtungsbezogen unterschiedlich ist, können schnellere Verstellzeiten ermöglicht werden. Die für eine Verdrehung gegen die Antriebsdrehrichtung wirkende hydraulisch wirksame Gesamtfläche ist dabei größer ausgelegt als die für eine Verdrehung in Gegenrichtung. Dadurch wird das für die Verdrehung in Antriebsrichtung nötige Schluck- bzw. Fördervolumen gegenüber dem maximal erforderlichen Volumen deutlich verringert, so daß bei gleichbleibendem Förderdruck bzw. Fördervolumen eine schnellere Verstellung möglich ist. Bei einer Verdrehung gegen die Antriebsrichtung ist gleichzeitig das aus den zu entlastenden Druckräumen zu verdrängende Ölvolumen geringer, so daß insgesamt geringere Drosselverluste auftreten und auch dadurch eine schnellere Verstellung möglich ist.
Eine derartige drehrichtungsbezogen unterschiedliche Auslegung des Hydrauliksystems der Vorrichtung läßt sich auf besonders vorteilhafte Weise bei symmetrischem Aufbau der Vorrichtung erzielen, wenn mindestens ein Druckraum ständig druckentlastet ist.
Der ständig druckentlastete Druckraum ist dabei auf besonders vorteilhafte Weise mit dem Ölrücklauf der Brennkraftmaschine verbunden, so daß in diesen Druckraum eindringendes Lecköl abfließen kann und es nicht zum Aufbau eines gegen die Verdrehung wirkenden Gegendruckes kommen kann.
Eine drehrichtungsbezogen unterschiedliche Auslegung des Hydrauliksystems der Vorrichtung kann dabei auf besonders vorteilhafte Weise so ausgelegt werden, daß die Anzahl der bei Drehbewegung in jeweils eine der beiden Richtungen mit Druck beaufschlagten Druckräume unterschiedlich ist. Dabei ist die Anzahl der für eine Verdrehung gegen die Antriebsdrehrichtung mit Druck beaufschlagten Druckräume größer als die bei entsprechender Verdrehung in Gegenrichtung mit Druck beaufschlagten Druckräume. Die Größe der wirksamen Druckflächen je Druckraum kann dabei auf vorteilhafte Weise in den jeweils druckbeaufschlagten Druckräumen gleich ausgebildet sein.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung und Zeichnung näher erläutert. Letztere zeigt in
Fig. 1
eine Ansicht der Verstelleinrichtung von der der Nockenwelle abgewandten Seite her gesehen und in
Fig. 2
einen vereinfacht dargestellten Schnitt entlang der Linie II-II nach Fig.
In der Zeichnung ist mit 1 die Nockenwelle einer Brennkraftmaschine dargestellt, an deren freien Ende das Innenteil 2 einer Verstellvorrichtung 3 drehfest angeordnet ist. Dieses Innenteil 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit vier radial angeordneten Stegen 4a bis 4d versehen. Das Innenteil wird von einem Zellenrad 5 umfaßt, das auf nicht näher dargestellte Weise mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbunden ist und demzufolge als Antriebsrad wirkt. Das Zellenrad 5 ist mit vier nach innen ragenden radialen Stegen 6a bis 6d versehen, zwischen denen vier Zellen ausgebildet sind, die durch die Stege des Innenteils in jeweils zwei Druckräume 7a bis 7d bzw. 8a bis 8d unterteilt sind. Diese Druckräume sind so ausgebildet, daß die gesamte, radiale Stirnfläche der Stege 4a bis 4d in beide Verstellrichtungen gleich ist. Die Druckräume 7a bis 7d sind jeweils über eine radiale Bohrung 9a bis 9d im Innenteil 2 mit einer Ringnut 10 an der Nockenwelle 1 verbunden. Die Druckräume 8a bis 8c sind über radiale Bohrungen 11a bis 11c im Innenteil 2 mit einer zweiten Ringnut 12 in der Nockenwelle 1 verbunden. Die radialen Bohrungen 9a bis 9d und 11a bis 11c sind jeweils so angeordnet, daß sie im Fußbereich der Stege 4a bis 4d in die entsprechenden Druckräume münden. Die beiden Ringnuten 10 und 12 sind jeweils mit einem in der Nockenwelle 1 verlaufenden Druckkanal 13 bzw. 14 verbunden. Diese Druckkanäle 13 und 14 sind auf an sich bekannte Weise über ein Nockenwellenlager 15 mit jeweils einer Steuerleitung 16 bzw. 17 verbunden. Die beiden Steuerleitungen 16 und 17 sind mit einem beispielsweise als 4/3-Wegeventil ausgebildeten Steuerventil 18 verbunden. Dieses Steuerventil 18 ist darüber hinaus mit einer Druckmittelpumpe 19 und einem Öltank 20 verbunden.
In diesem Ausführungsbeispiel wird die Nockenwelle 1 bzw. das Zellenrad 5 über eine Endloskette von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetrieben. Ein derartiger Steuerkettentrieb ist üblicherweise im Inneren der Brennkraftmaschine angeordnet bzw. gekapselt, so daß eine Schmierung des Kettentriebes ohne Austritt von Öl an die Umgebung möglich ist.
Es ist jedoch ohne weiteres möglich, den Antrieb der Nockenwelle bzw. des Zellenrades 5 über einen Zahnriemen zu bewirken, so daß dieser Steuertrieb üblicherweise an der Stirnseite der Brennkraftmaschine außerhalb des eigentlichen Maschinengehäuses angeordnet ist, und eine Schmierung nicht erforderlich bzw. nicht vorgesehen ist.
Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Druckraum 8d über eine radiale Bohrung 21 mit dem Außenumfang des Zellenrades 5 verbunden. Durch diese radiale Bohrung 21 kann sich das im Druckraum 8d infolge von Leckverlusten über die Dichtspalte an den Stegen 4a und 6d im Druckraum ansammelnde Öl ständig abfließen, so daß der Druckraum 8d ständig druckentlastet ist.
Ist aufgrund der Einbaulage der Verstellvorrichtung bzw. aufgrund der Antriebsart der Nockenwelle ein derartiger Ölabfluß nach außen nicht möglich, kann der Druckraum 8d ohne weiteres über das Innenteil 2 druckentlastet werden. Dabei kann beispielsweise eine radiale Bohrung im Innenteil mit einem weiteren Druckkanal in der Nockenwelle verbunden werden, der beispielsweise mit dem Innenraum des nicht dargestellten Zylinderkopfes und dem darin befindlichen Ölrücklauf verbunden ist.
In der in Fig. 1 dargestellten Schaltstellung II (Neutralstellung) des Steuerventils 18 sind die Anschlüsse an die beiden Steuerleitungen 16 und 17, die Druckmittelpumpe 19 und der Öltank 20 jeweils einseitig verschlossen. In dieser Schaltstellung ist die Verstellvorrichtung hydraulisch eingespannt und behält die jeweilige relative Lagezuordnung von Innenrad und Zellenrad bei. Die Antriebsdrehrichtung der Nockenwelle 1 bzw. des Zellenrades 5 ist bei der in Fig. 1 dargestellten Ausbildung und Ansicht der Verstellvorrichtung im Uhrzeigersinn ausgelegt.
In der Schaltstellung I des Steuerventils 18 sind die Druckräume 7a bis 7d über die Bohrungen 9a bis 9d, die Ringnut 10, den Druckkanal 14 und die Druckleitung 17 mit der Druckmittelpumpe 19 verbunden und entsprechend mit Druck beaufschlagt. Gleichzeitig sind die Druckräume 8a bis 8c über die Bohrungen 11a bis 11c, die Ringnut 12, den Druckkanal 13 und die Druckleitung 16 mit dem Öltank 20 verbunden und somit entlastet. Der Druckraum 8d ist gleichzeitig über die Bohrung 21 ständig druckentlastet. Das Innenteil 2 wird durch die Druckbeaufschlagung der Druckräume 7a bis 7d bei der in Fig. 1 gewählten Blickrichtung im Gegenuhrzeigersinn zum Zellenrad 5 verdreht. Die Verdrehung des Innenteils relativ zum Zellenrad erfolgt also gegen die Antriebsdrehrichtung. Durch diese Verdrehung wird gleichzeitig das in den Druckräumen 8a bis 8c befindliche Druckmittel zusätzlich zum Öltank 20 verdrängt.
In der Schaltstellung III des Steuerventils 18 sind dagegen die Druckräume 8a bis 8c mit der Druckmittelpumpe und die Druckräume 7a bis 7d mit dem Öltank 20 über die zuvor beschriebenen Leitungsverbindungen verbunden. Durch die Druckbeaufschlagung der Druckräume 8a bis 8c wird das Innenteil 2 relativ zum Zellenrad im Uhrzeigersinn verdreht. Gleichzeitig wird das in den Druckräumen 7a bis 7d befindliche Druckmittel zum Öltank 20 verdrängt. Bei der Verdrehung des Innenteils relativ zum Zellenrad in Antriebsdrehrichtung werden in diesem Ausführungsbeispiel nur drei Druckräume mit Druck beaufschlagt, deren wirksame hydraulische Fläche so ausgelegt ist, daß in allen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine eine ausreichend schnelle Verstellung möglich ist. Durch die Reduzierung der mit Druck zu beaufschlagenden Druckräume bei dieser Verstellrichtung ist aufgrund des verringerten Schluckvolumens der zu beaufschlagenden Druckräume eine sehr schnelle Verstellung möglich.
Wird bei diesem Ausführungsbeispiel das Innenrad gegen die Antriebsdrehrichtung relativ zum Zellenrad verdreht, werden vier Druckräume mit Druck beaufschlagt. Gleichzeitig muß aus drei Druckräumen das darin befindliche Druckmittel verdrängt werden. Der vierte nicht mit Druck beaufschlagte Druckraum 8d ist gleichzeitig ständig über die Bohrung 21 druckentlastet. Durch die Reduzierung der Anzahl der Druckräume, aus denen Druckmittel zu verdrängen ist, ist eine deutliche Reduzierung des hydraulischen Widerstandes bzw. der bei der Verdrängung auftretenden Drosselwiderstände möglich, so daß insgesamt eine sehr schnelle und verlustarme Verstellung möglich ist.

Claims (6)

  1. Vorrichtung zur relativen Drehwinkeländerung der Nockenwelle einer Brennkraftmaschine zu einem Antriebsrad, mit einem drehfest mit der Nockenwelle (1) verbundenen Innenteil (2), das zumindest annähernd radial verlaufende Stege oder Flügel (4a bis 4d) aufweist, und mit einem angetriebenen Zellenrad (5), das mehrere über den Umfang verteilte, durch Stege (6a bis 6d) begrenzte Zellen aufweist, die von den darin winkelbeweglich geführten Stegen oder Flügeln des Innenteils in zwei Druckräume (7a bis 7d, 8a bis 8d) unterteilt sind, bei deren hydraulischer Druckbeaufschlagung bzw. Druckentlastung die Nockenwelle (1) über die Stege oder Flügel zwischen zwei Endstellungen relativ zum Zellenrad (5) verdrehbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die die Verdrehung verursachende, infolge der Druckbeaufschlagung bzw. Druckentlastung auf die Stege oder Flügel einwirkende Kraft für die beiden Drehrichtungen bei gleichen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine unterschiedlich ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die drehrichtungsbezogene hydraulisch wirksame Gesamtfläche der Druckräume (7a bis 7d, 8a bis 8d) unterschiedlich ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Druckraum (8d) ständig druckentlastet ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der ständig druckentlastete Druckraum (8d) mit dem Ölrücklauf (20) der Brennkraftmaschine verbunden ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der bei Drehbewegung in jeweils eine der beiden Richtungen mit Druck beaufschlagten Druckräume (7a bis 7d, 8a bis 8c) unterschiedlich ist.
  6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Verdrehung gegen die Antriebsdrehrichtung mehr Druckräume (7a bis 7d, 8a bis 8c) mit Druck beaufschlagt werden als bei einer Verdrehung in Antriebsdrehrichtung.
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