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Die Erfindung betrifft einen Nockenwellenversteller zum Verstellen einer Phasenlage einer ersten Welle einer Brennkraftmaschine relativ zu einer zweiten Welle, insbesondere gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher Nockenwellenversteller dient insbesondere zum Verstellen der Phasenlage einer Nockenwelle relativ zu einer Kurbelwelle oder zum Verstellen der Phasenlage einer ersten Nockenwelle gegenüber einer zweiten Nockenwelle. Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug mit einem Nockenwellenversteller.
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Aus
DE 10 2011 013 046 A1 ist ein Nockenwellenversteller zum Verstellen einer Phasenlage einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine relativ zu einer die Nockenwelle drehend antreibenden Kurbelwelle dieser Brennkraftmaschine bekannt, dessen Aufbau insbesondere außenseitig des Rotors nur ansatzweise beschrieben ist und dessen Ausführbarkeit fraglich sein dürfte.
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Aus
JP 09280020 A ist ein als Valve Timing Controller bezeichneter hydraulisch betätigter Nockenwellensteller mit einem als Rotor bezeichneten Flügelrad mit mehreren Flügeln und einem das Flügelrad radial außenseitig umschließenden Gehäuse mit Kammern bildenden, radial nach innen ragenden Kammerwandelementen bekannt. Das Flügelrad kann durch Variation des Fluiddrucks bewegt werden, wobei ein Steuerungsventil außerhalb des Gehäuses angeordnet ist, und die Zuströmung von Fluid in die Kammern in radialer Richtung betrachtet von außen nach innen erfolgt. Die Abströmung erfolgt in radialer Richtung von innen nach außen. Die Steuerung des Flügelrads erfolgt über die Menge an zuströmenden Fluid zu einer der Kammern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Nockenwellenversteller mit Rotor und Stator sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Nockenwellenversteller zur Verfügung zu stellen, mit welchen eine schnelle und effiziente Verstellung der Phasenlage möglich ist.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Ein erfindungsgemäßer Nockenwellenversteller zum Verstellen einer Phasenlage einer ersten Welle einer Brennkraftmaschine relativ zu einer zweiten Welle weist ein von einem Stator umgebendes Flügelrad (auch Rotor genannt) mit mindestens einem Flügel auf, wobei der Stator mindestens ein Anschlagelement für das Flügelrad aufweist, so dass das Flügelrad über einen bestimmten Winkelbereich derart verdrehbar in dem Stator angeordnet ist, dass es einen ersten Druckraum von einem zweiten Druckraum insoweit separiert, als sich durch ein Verdrehen des Flügelrades aufgrund einer sich ändernden Relativposition des mindestens einen Flügels zu dem Stator das Volumen des ersten Druckraumes und des zweiten Druckraumes gegenläufig ändert. Sowohl das Flügelrad als auch der Stator sind drehbar in einem Gehäuse angeordnet, wobei eines dieser Elemente mit einer ersten Welle (z.B. einer Kurbelwelle) und das andere dieser Elemente mit einer zweiten Welle (z.B. einer Nockenwelle) funktional gekoppelt ist. Zur Zuführung von Fluid in den ersten Druckraum ist mindestens ein erster Zuströmkanal und zur Zuführung von Fluid in den zweiten Druckraum ist mindestens ein zweiter Zuströmkanal vorgesehen, wobei der erste Zuströmkanal radial innenseitig in den ersten Druckraum mündet und wobei der zweite Zuströmkanal radial innenseitig in den zweiten Druckraum mündet. In dem Stator sind - ausgehend von dem ersten Druckraum - ein erster radial nach außen führender Stator-Abströmkanal und - ausgehend von dem zweiten Druckraum - ein zweiter radial nach außen führender Stator-Abströmkanal ausgebildet. Ferner sind in dem Gehäuse ein mit dem ersten Druckraum fluidal verbundener, radial nach außen führender erster Gehäuse-Abströmkanal und ein mit dem zweiten Druckraum fluidal verbundener radial nach außen führender zweiter Gehäuse-Abströmkanal ausgebildet. Der erste Gehäuse-Abströmkanal und der zweite Gehäuse-Abströmkanal sind dabei funktional mit mindestens einem Steuerungsventil verbunden, mittels welchem der erste Gehäuse-Abströmkanal und der zweite Gehäuse-Abströmkanal bedarfsweise zumindest teilweise geöffnet werden können, um ein radiales Abströmen von Fluid aus dem ersten Druckraum durch den ersten Stator-Abströmkanal und den ersten Gehäuse-Abströmkanal oder aus dem zweiten Druckraum durch den zweiten Stator-Abströmkanal und den zweiten Gehäuse-Abströmkanal bewirken zu können.
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Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Nockenwellenversteller ist, dass dieser eine schnelle Phasenverstellung ermöglicht, indem die Stellung durch das Abströmen von Fluid aus dem ersten Druckraum oder dem zweiten Druckraum mittels des mindestens einen Steuerungsventils steuerbar ist. Dies kann insbesondere dadurch erfolgen, dass über den ersten Zuströmkanal und über den zweiten Zuströmkanal der erste Druckraum und der zweite Druckraum mit dem gleichen Basisdruck beaufschlagt werden. Dazu können der erste Druckraum und der zweite Druckraum an eine gemeinsam genutzte Druckquelle angeschlossen sein. Der von der Druckquelle bereitgestellte Druck kann in diesem Fall auch variieren, beispielsweise in Abhängigkeit der Drehzahl einer Brennkraftmaschine. Wird mittels des Steuerungsventils ein Gehäuse-Abströmkanal geöffnet (z.B. der erste Gehäuse-Abströmkanal), strömt Fluid aus dem mit diesem Gehäuse-Abströmkanal fluidal verbundenen Druckraum (z.B. aus dem ersten Druckraum) über den entsprechenden Stator-Abströmkanal (z.B. den ersten Stator-Abströmkanal) und den entsprechenden Gehäuse-Abströmkanal (z.B. den ersten Gehäuse-Abströmkanal) ab. Der Druck in dem Druckraum, aus welchem Fluid abströmt, reduziert sich folglich. Dadurch wird eine Rotation des Flügelrades derart bewirkt, dass sich das Volumen des Druckraums mit dem verringerten Druck reduziert. Durch die Verdrehung des Flügelrades relativ zu dem Stator wird die Phasenlage der ersten Welle zu der zweiten Welle verstellt. Der Druckraum, aus welchem kein Fluid abströmen kann, wird permanent mit dem Basisdruck aus dem korrespondierenden Zuströmkanal beaufschlagt. Dadurch wird das Volumen dieses Druckraumes vergrößert, während das Volumen des Druckraumes, aus welchem Fluid abströmt, sich in gleichem Maße und somit gegenläufig verringert. Die Relativdrehung von Flügelrad zu Stator kann dadurch beendet werden, dass mittels des Steuerungsventils die Gehäuse-Abströmkanäle wieder verschlossen sind und sich in den unterschiedlichen Druckräumen wieder der gleiche Druck eingestellt hat. Das Flügelrad ist dann hydraulisch eingespannt. Die Relativdrehung kann auch dadurch beendet werden, dass das Flügelrad relativ zu dem Stator bis zu einer Endstellung verdreht ist, in welcher der mindestens eine Flügel mit einem Anschlagelement des Stators in Kontakt tritt.
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Das Abströmen von Fluid in radialer Richtung nach außen wird bei dem erfindungsgemäßen Nockenwellenversteller durch Ausnutzung der Fliehkraft insoweit beschleunigt, als der erste Gehäuse-Abströmkanal und der zweite Gehäuse-Abströmkanal radial nach außen orientiert ausgebildet sind. Dadurch erhöhen sich mit zunehmender Drehgeschwindigkeit des Flügelrades auch die auf das Fluid wirkenden, radial nach außen gerichteten Fliehkräfte und sorgen so für eine zusätzliche Beschleunigung des abströmenden Fluides.
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Das Steuerungsventil eines erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers kann - in einer besonders einfachen und praktischen Ausführungsform - genau drei Stellungen einnehmen.
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In einer ersten Stellung sind der erste Gehäuse-Abströmkanal und der zweite Gehäuse-Abströmkanal geschlossen, so dass weder aus dem ersten Druckraum noch aus dem zweiten Druckraum Fluid herausströmen kann. Das Volumen des ersten Druckraums und des zweiten Druckraums ist in diesem Fall gleich groß, wenn beide Druckräume mit dem gleichem Druck beaufschlagt werden und dieser Druck in beiden Druckräumen vorliegt.
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In einer zweiten Stellung wird mittels des Steuerungsventils der erste Gehäuse-Abströmkanal zumindest teilweise geöffnet. Über den ersten Stator-Abströmkanal strömt dann aufgrund der unterschiedlichen Druckverhältnisse (Überdruck in dem ersten Druckraum) Fluid aus dem ersten Druckraum durch den ersten Stator-Abströmkanal in den ersten Gehäuse-Abströmkanal. Der Druck in dem ersten Druckraum sinkt dadurch, während der Druck in dem zweiten Druckraum aufrechterhalten wird. Dementsprechend dreht sich das Flügelrad relativ zu dem Stator derart, dass sich das Volumen des ersten Druckraums verringert und das Volumen des zweiten Druckraums vergrößert.
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In einer dritten Stellung des Steuerungsventils ist der erste Gehäuse-Abströmkanal geschlossen, und der zweite Gehäuse-Abströmkanal ist zumindest teilweise geöffnet. In diesem Fall strömt Fluid aus dem zweiten Druckraum über den zweiten Stator-Abströmkanal in den zweiten Gehäuse-Abströmkanal. Das Flügelrad rotiert dementsprechend relativ zu dem Stator derart, dass sich das Volumen des zweiten Druckraums verringert und das Volumen des ersten Druckraums vergrößert.
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Vorzugsweise sind der erste Zuströmkanal, der zweite Zuströmkanal, der erste Stator-Abströmkanal, der zweite Stator-Abströmkanal, der erste Gehäuse-Abströmkanal und/oder der zweite Gehäuse-Abströmkanal in überwiegend radialer Richtung ausgerichtet, so dass Fluid unter effizienter Ausnutzung der Fliehkraft des in dem Gehäuse rotierenden Flügelrades und Stators in die Druckräume hineinströmen und aus den Druckräumen ausströmen kann, besonders bevorzugt sind die genannten Kanäle alle oder teilweise in rein radialer Richtung orientiert. Durch die radiale Orientierung sinkt der Druck in den Kammern, aus denen Fluid ausströmen kann, schnell ab, wodurch sich das Ansprechverhalten des Flügelrades eines erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers verbessert und eine schnelle Verstellung der Phasenlage zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle ermöglicht.
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Die (insbesondere ausschließlich) radial orientierten Stator-Abströmkanäle können als Bohrungen oder anders eingeformte Durchgangsöffnungen innerhalb des Stators - insbesondere in einem geschlossenen Statorring eines Stators - ausgebildet sein. Bei einem Stator mit geschlossenem Statorring kann der Statorring insbesondere eine außenseitige Kontur mit kreisförmigem Querschnitt bilden, die als Gleitlagerfläche für eine rotierende Bewegung in einem Gehäuse genutzt werden kann.
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Auch die (insbesondere ausschließlich) radial orientierten Gehäuse-Abströmkanäle können einfach und kostengünstig als Bohrungen oder anders eingeformte Durchgangsöffnungen innerhalb des Gehäuses ausgebildet sein, insbesondere derart, dass die Gehäuse-Abströmkanäle unmittelbar an korrespondierende Stator-Abströmkanäle angrenzen, so dass keine zusätzlichen Verbindungsabschnitte oder Verbindungsleitungen erforderlich sind.
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Bei erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellern kann das Steuerungsventil radial außenseitig des Stators angeordnet werden. Dies ermöglicht eine mechanisch einfache Gestaltung, insbesondere im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen mit innenseitig eines Flügelrades angeordneten Ventilen (z.B. sogenannte Zentralventile), welche an eine innenseitige Kontur des Flügelrades, der ersten Welle oder der zweiten Welle angepasst werden müssen.
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Mit dem Begriff „Fluid“ sind im Rahmen dieser Offenbarung alle insbesondere inkompressible Flüssigkeiten gemeint, bevorzugt Öl einschließlich Hydrauliköl. Der erfindungsgemäße Nockenwellenversteller kann insbesondere mit Öl aus einem für eine Brennkraftmaschine vorgesehen Ölkreislauf betrieben werden und dazu gemeinsam mit anderen Ölkreisläufen eines Kraftfahrzeuges versorgt werden, beispielsweise mit der Pumpe eines Ölkreislaufes zur Schmierung und/oder Kühlung einer Brennkraftmaschine.
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In einer praktischen Ausführungsform sind zwischen dem Flügelrad und dem Stator mehrere erste Druckräume und mehrere zweite Druckräume jeweils wechselweise angeordnet, wobei die ersten Druckräume über einen sich in Umfangsrichtung der ersten Druckräume und sich radial außenseitig des Stators erstreckenden ersten Verbindungskanal und die zweiten Druckräume über einen sich in Umfangsrichtung erstreckenden - und insbesondere axial von dem ersten Verbindungkanal beabstandeten - zweiten Verbindungskanal fluidleitend miteinander verbunden sind. Dabei erstrecken sich der erste Verbindungskanal und der zweite Verbindungskanal vorzugsweise jeweils über den gesamten Umfang, insbesondere in einem Bereich zwischen dem Gehäuse und dem Stator, nur in einem Statorring oder nur in einem den Stator umgebenden Gehäuse.
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Mehrere über den Umfang verteilte Druckräume haben den Vorteil, dass sich eine für einen gleichmäßigen Antrieb vorteilhafte Druckverteilung auf das Flügelrad ergibt, insbesondere wenn für jedes Paar von korrespondierenden Druckräumen jeweils ein Flügel an dem Flügelrad ausgebildet ist. Um den Druck in allen zu einer Gruppe gehörenden Druckräumen stets auf dem gleichen Niveau zu halten, sind benachbarte korrespondierende Druckräume vorzugsweise unmittelbar mittels eines Verbindungskanals fluidal verbunden.
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Zur Erzielung einer solchen fluidalen Verbindung, die konstruktiv einfach realisierbar ist, können insbesondere der erste Verbindungskanal und/oder der zweite Verbindungskanal als Steuernut an einem Außenumfang des Stators und/oder an einem Innenumfang des Gehäuses ausgebildet sein. Wenn als erster Verbindungskanal und als zweiter Verbindungskanal jeweils eine Steuernut vorgesehen ist, können diese Steuernuten vorzugsweise axial zueinander beabstandet (vorzugsweise parallel verlaufend) an dem Außenumfang des Statorrings und/oder an dem Innenumfang des Gehäuses ausgebildet sein.
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Um die Steuernuten wirksam und effizient gegeneinander und gegenüber der Umgebung abzudichten, können diese jeweils in axialer Richtung betrachtet von mindestens einem Dichtring begrenzt sein. Insbesondere können Steuernuten durch drei axial zueinander beabstandet angeordnete Dichtringe gebildet werden, die (vorzugsweise parallel zueinander) dichtend zwischen dem Außenumfang eines Statorrings und dem Innenumfang des Gehäuses angeordnet sind.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform sind der erste Zuströmkanal und der erste Stator-Abströmkanal in einem Bereich des ersten Druckraums angeordnet, welcher dem Anschlagelement zugewandt ist, und/oder der zweite Zuströmkanal und der zweite Stator-Abströmkanal sind in einem Bereich des zweiten Druckraums angeordnet, welcher dem Anschlagelement zugewandt ist. Mit anderen Worten ausgedrückt, sind die Zuströmkanäle und die Stator-Abströmkanäle - in Umfangsrichtung betrachtet - jeweils möglichst in der äußeren Hälfte des entsprechenden Druckraums angeordnet, insbesondere außenseitig unmittelbar an das Anschlagelement angrenzend, so dass der jeweilige Zuströmkanal und Stator-Abströmkanal auch noch bei einer minimalen Entfernung des Flügelrades zum Anschlagelement ein widerstandsarmes Zuströmen und Abströmen von Fluid in radialer Richtung (ohne Querströmung in Umfangsrichtung durch Spalte zwischen Flügelrad und Stator) ermöglichen.
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Der erste Zuströmkanal und der zweite Zuströmkanal können sich insbesondere in radialer Richtung (vorzugsweise in rein radialer Richtung) ausgehend von einem (vorzugsweise in axialer Richtung orientierten) Zuführkanal bis zu dem korrespondierenden ersten Druckraum bzw. zweiten Druckraum erstrecken. Hinsichtlich einer gleichmäßigen Druckversorgung und aufgrund einer konstruktiv einfachen Gestaltung ist es bevorzugt, wenn nur ein Zuführkanal (Zentralkanal) vorgesehen ist, um Fluid über den ersten Zuströmkanal zu einem ersten Druckraum (oder mehreren ersten Druckräumen) zu leiten und um Fluid über den zweiten Zuströmkanal zu einem zweiten Druckraum (oder mehreren zweiten Druckräumen) zu leiten. Eine besonders gute Bauraumausnutzung ergibt sich, wenn ein solcher Zuführkanal zumindest teilweise in einem Verbindungselement ausgebildet ist, insbesondere in einer sich überwiegend oder ausschließlich axial erstreckenden Richtung. Dabei sind insbesondere solche Verbindungselemente geeignet, welche eine Verbindung zwischen der ersten Welle und dem Flügelrad herstellt und/oder eine fluidale Verbindung von einer Fluidversorgung in ein Flügelrad herstellt. Bei dem Verbindungselement kann es sich um ein eine Klemmkraft erzeugendes Verbindungselement handeln, um das Flügelrad kraftschlüssig und/oder formschlüssig drehfest mit der ersten Welle zu verbinden. In diesem Fall kann das Verbindungselement beispielsweise eine Zentralventilschraube sein. Eine solche Klemmkraft kann aber auch mittels eines anderen, separaten Elements hergestellt werden.
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Es kann vorteilhaft sein, in dem ersten Zuströmkanal und/oder in dem zweiten Zuströmkanal ein Rückschlagventil anzuordnen. Bevorzugt ist in dem ersten Zuströmkanal und in dem zweiten Zuströmkanal ein Rückschlagventil angeordnet. Mittels derartiger Rückschlagventile kann verhindert werden, dass aufgrund von Druckschwankungen in den Druckräumen Fluid aus einem Druckraum in den jeweiligen Zuströmkanal zurückströmt und so eine Rückkopplung in ein Drucksystem entstehen könnte. Dies ist insbesondere dann zu vermeiden, wenn das Drucksystem noch weitere Fluidkreisläufe versorgt.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform ist das Steuerungsventil in dem Gehäuse selbst angeordnet. Diese Anordnung benötigt nur wenig Bauraum und ist kostengünstig herstellbar, weil keine separaten weiteren Abströmkanäle außerhalb des Gehäuses erforderlich sind. Das Steuerungsventil ist in diesem Fall auch gut für Montage- und Wartungsarbeiten zugänglich. Vorteilhaft ist auch, dass das Gehäuse - an einer beliebigen Stelle seines Umfangs - für die Anordnung eines beliebig geformten Steuerungsventils ausgebildet sein kann. Dies ermöglicht es, einen erfindungsgemäßen Nockenwellenversteller in nahezu jedem Kraftfahrzeug einzusetzen, wobei als Steuerungsventil ein - in seiner Außengeometrie nahezu beliebig geformtes - kostengünstiges Standardbauteil verwendet werden kann.
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Stromabwärts des Steuerungsventils ist mindestens ein Rückführkanal ausgebildet, welcher eine fluidale Verbindung zu einer Ölwanne herstellt. Um den konstruktiven Aufwand gering zu halten, ist es bevorzugt, wenn genau ein Rückführkanal vorgesehen ist. So kann ein geschlossener (und somit von anderen Kreisläufen abgekoppelter) oder ein offener (d.h. mit anderen Kreisläufen gekoppelter) Kreislauf für das Fluid geschaffen werden. Bevorzugt ist ein erfindungsgemäßer Nockenwellenversteller mit einem Ölkreislauf gekoppelt, der das Öl über den Rückführkanal zu einer Ölwanne leitet und ausgehend von der Ölwanne wieder den Druckräumen zuführt.
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Der mindestens eine Rückführkanal kann insbesondere, zumindest teilweise, einstückig in dem Gehäuse ausgebildet sein. Insbesondere kann der Rückführkanal als Bohrung oder durch Einformen und/oder Ausbilden von Öffnungen einfach und kostengünstig unmittelbar bei der Herstellung des Gehäuses erzeugt werden.
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Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug mit einem wie vorstehend beschriebenen Nockenwellenversteller, wobei sich der Rückführkanal ausgehend von dem Steuerungsventil in Einbaulage nur horizontal und/oder in Richtung der Schwerkraft erstreckt. Der Rückführkanal erstreckt sich folglich in Richtung der Schwerkraft betrachtet in keinem Punkt höher, als im Bereich des Steuerungsventils. Eine solche Auslegung des Rückführkanals ermöglicht eine Rückführung von Fluid in Richtung der Ölwanne, ohne weitere Arbeit (die für ein Hochpumpen des Fluides entgegen der Schwerkraft zu verrichten wäre) und vorteilhafterweise unter Ausnutzung der Schwerkraft. Damit ist ein erfindungsgemäßer Nockenwellenversteller besonders energiesparend.
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Der Vollständigkeit halber wird an dieser Stelle auch noch einmal explizit auf ein wie vorstehend beschriebenes Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers verwiesen, gemäß welchem mindestens ein erster Druckraum und mindestens ein zweiter Druckraum kontinuierlich mit einem Basisdruck beaufschlagt werden und die Relativlage eine Flügelrades durch Betätigung eines abströmseitig des ersten Druckraumes und des zweiten Druckraumes angeordneten Steuerungsventils gesteuert wird, indem ein erster Gehäuse-Abströmkanal oder ein zweiter Gehäuse-Abströmkanal bedarfsweise geöffnet werden.
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Weitere praktische Ausführungsformen der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers mit einer angeschlossenen Ölversorgung,
- 2 den erfindungsgemäßen Nockenwellenversteller aus 1 in einer perspektivischen Ansicht,
- 3 den Nockenwellenversteller aus 2 in einer Schnittdarstellung,
- 4 den Nockenwellenversteller gemäß 2 und 3 ohne Gehäuse in einer schematischen Ansicht gemäß Pfeil IV-IV,
- 5a den Nockenwellenversteller gemäß den 2 bis 4 in einer Schnittdarstellung gemäß Linie Va-Va aus 4,
- 5b den Nockenwellenversteller gemäß den 2 bis 4 in einer Schnittdarstellung gemäß Linie Vb-Vb aus 4,
- 6 eine vergrößerte Ansicht des mit VI gekennzeichneten Bereichs aus 5a in einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers,
- 7 den Nockenwellenversteller gemäß 2 bis 5 in einer Schnittdarstellung gemäß Linie VII-VII aus 3, und
- 8 den Nockenwellenversteller gemäß 2 bis 5 und 7 in einer Schnittdarstellung gemäß Linie VIII-VIII aus 3.
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1 gibt einen Überblick über die Funktionsweise eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers 10. Der Nockenwellenversteller 10 umfasst einen ersten Zuströmkanal 12, der in einen ersten Druckraum 14 mündet und einen zweiten Zuströmkanal 16, der in einen zweiten Druckraum 18 mündet. Ausgehend von dem ersten Druckraum 14 führt ein erster Gehäuse-Abströmkanal 20 zu einem Steuerungsventil 22. Ausgehend von dem zweiten Druckraum 18 führt ein zweiter Gehäuse-Abströmkanal 24 zu dem Steuerungsventil 22.
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Der Nockenwellenversteller 10 wird über einen Zuführkanal 26 mit Öl versorgt, das ausgehend von einer Ölwanne 28 mittels einer Pumpe 30 gefördert wird. Mittels eines Rückschlagventils 32 werden Rückkopplungen in Richtung Pumpe 30 vermieden, und mittels eines Druckspeichers 34 wird größeren Druckschwankungen entgegengewirkt.
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Ausgehend von dem Steuerungsventil 22 wird Fluid über einen Rückführkanal 36 zurück zu der Ölwanne 28 gefördert, so dass sich insgesamt ein Fluidkreislauf ergibt.
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Wie in 1 schematisch dargestellt ist, kann das gezeigte Steuerungsventil 22 drei verschiedene Stellungen einnehmen.
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In der gezeigten (oberen) Stellung des Steuerungsventils 22 ist der zweite Gehäuse-Abströmkanal 24 geöffnet, während der erste Gehäuse-Abströmkanal 20 geschlossen ist.
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In einer mittleren Stellung des Steuerungsventils 22 sind der erste Gehäuse-Abströmkanal 20 und der zweite Gehäuse-Abströmkanal 24 beide geschlossen.
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In einer weiteren (unteren) Stellung des Steuerungsventils 22 ist der erste Gehäuse-Abströmkanal 20 geöffnet, während der zweite Gehäuse-Abströmkanal 24 geschlossen ist.
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In Verbindung mit den 2 bis 8 wird im Folgenden auf die konstruktive Gestaltung des Nockenwellenverstellers 10 selbst eingegangen.
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2 zeigt den Nockenwellenversteller 10 mit einem äußeren Gehäuse 38 in einer perspektivischen Seitenansicht. An der Gehäuseform und in einer Zusammenschau mit 3 ist erkennbar, dass in dem Gehäuse teilweise auch das Steuerungsventil 22 zur Steuerung des Nockenwellenverstellers angeordnet ist. In 3 ist auch erkennbar, dass das Steuerungsventil 22 fest mit dem Gehäuse 38 verschraubt ist. Eine Schraube 40 dieser Verschraubung ist in dem gezeigten Schnitt erkennbar.
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Der innere Aufbau des Nockenwellenverstellers 10 ist unter anderem in 3 erkennbar, welche eine Schnittdarstellung durch das Gehäuse 38 zeigt.
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Wie in. 3 erkennbar ist, weist das Gehäuse 38 einen im Querschnitt kreisförmigen Bereich auf, in welchem ein Stator 42 drehbar innerhalb des Gehäuses 38 angeordnet ist. Der Stator 42 umfasst dazu einen geschlossenen Statorring 46 und vier, sich radial von dem Statorring 46 nach innen erstreckende Anschlagelemente 48. Ferner umfasst der Stator 42 ein erstes Deckelelement 66 und ein zweites Deckelelement 80 (vgl. dazu 5a und 5b), wobei das erste Deckelelement 66, der Statorring 46 mit den Anschlagelementen 48 und das zweite Deckelelement 80 drehfest zu einer Stator-Einheit miteinander verbunden sind. Innerhalb des Statorrings 46 ist ein Flügelrad 44 angeordnet. Sowohl das Flügelrad 44 als auch der Stator 42 sind drehbar um die Drehachse D angeordnet.
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Das Flügelrad 44 weist vier Flügel 50 auf, wobei jeweils ein Flügel 50 derart zwischen zwei Anschlagelementen 48 des Stators 42 angeordnet ist, dass jeweils ein erster Druckraum 14 und ein zweiter Druckraum 18 voneinander separiert sind. Die ersten Druckräume 14 und die zweiten Druckräume 18 sind fluidal nicht miteinander verbunden, d.h. ein direktes Überströmen von Fluid von einem ersten Druckraum 14 in einen zweiten Druckraum 18 oder umgekehrt ist nicht möglich. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ergibt sich damit eine erste Gruppe mit vier ersten Druckräumen 14 und eine zweite Gruppe mit vier zweiten Druckräumen 18.
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Das Flügelrad 44 lässt sich, wenn entsprechende die Druckdifferenzen zwischen den ersten Druckräumen 14 und den zweiten Druckräumen 18 vorherrschen, relativ zu dem Stator 42 verdrehen, um die Phasenlage zwischen einer nicht dargestellten ersten Welle, die mit dem Flügelrad 44 gekoppelt ist, und einer nicht dargestellten zweiten Welle, die mit dem Stator 42 verbunden ist, variieren zu können. Während einer solchen Relativbewegung zwischen dem Stator 42 und dem Flügelrad 44 verändern sich das Volumen der ersten Druckräume 14 und der zweiten Druckräume 18 jeweils gegenläufig.
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Zur Zuführung von Fluid in die zweiten Druckräume 18 sind jeweils in radialer Richtung orientierte Zuströmkanäle 16 vorgesehen, die radial innenseitig in die zweiten Druckräume 18 münden. Diese sind in einem inneren Ring innerhalb des Flügelrades 44 ausgebildet. In der gezeigten Ausführungsform sind vier zweite Zuströmkanäle 16 in dem Flügelrad 44 ausgebildet, wobei jeder Zuströmkanal 16 genau in einen zugeordneten zweiten Druckraum 18 führt.
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In dem Statorring 46 sind jeweils - ausgehend von den zweiten Druckräumen 18 - radial orientierte, nach außen führende zweite Stator-Abströmkanäle 52 vorgesehen. Wie in 3 gut zu erkennen ist, sind die zweiten Zuströmkanäle 16 und die zweiten Stator-Abströmkanäle 52 in Umfangsrichtung betrachtet in einem Bereich der zweiten Druckräume 18 angeordnet, welcher dem jeweiligen Anschlagelement 48 zugewandt ist. Die zweiten Zuströmkanäle 16 sind hier sogar unmittelbar an das Anschlagelement 48 angrenzend ausgebildet.
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Die zweiten Druckräume 18 sind ferner fluidleitend über einen sich in Umfangsrichtung und radial zwischen dem Statorring 46 und dem Gehäuse 38 erstreckenden zweiten Verbindungskanal 54 miteinander verbunden. Wie im Folgenden in Verbindung mit den 4 bis 6 noch näher erläutert wird, ist der zweite Verbindungskanal 54 als zweite Steuernut 56 unmittelbar an dem Außenumfang des Statorrings 46 ausgebildet.
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In dem Gehäuse 38 ist - ausgehend von dem zweiten, ringförmigen Verbindungskanal 54 - der sich radial nach außen erstreckende zweite Gehäuse-Abströmkanal 24 ausgebildet, welcher fluidal mit dem in dem Gehäuse 38 angeordneten Steuerungsventil 22 verbunden ist.
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Analog zu den vier zweiten Zuströmkanälen 16 sind auch vier zweite Zuströmkanäle 12 in dem Flügelrad 44 ausgebildet. Diese sind in 3 nicht sichtbar, da diese in axialer Richtung betrachtet in einer anderen Ebene ausgebildet sind. Ebenso sind analog zu den oben beschriebenen zweiten Elementen erste Stator-Abströmkanäle 58, ein erster, ringförmig ausgebildeter Verbindungskanal 60 und ein erster Gehäuse-Abströmkanal 20 ausgebildet.
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In 4 ist eine Ansicht auf den Statorring 42 gemäß dem Pfeil IV in 3 gezeigt. Wie erkennbar ist, sind - axial beanstandet zueinander - ein erster Stator-Abströmkanal 58 und ein zweiter Stator-Abströmkanal 52 ausgebildet, die jeweils radial aus dem Statorring 46 austreten.
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Der erste Stator-Abströmkanal 58 mündet in den ersten Verbindungskanal 60 in Form der ringförmig ausgebildeten, ersten Steuernut 62 und der zweite Stator-Abströmkanal 52 mündet in den zweiten Verbindungskanal 54 in Form der ringförmig ausgebildeten, zweiten Steuernut 56 (vgl. auch 5a und 5b). Der erste Verbindungskanal 60 und der zweite Verbindungskanal 54 sind axial beabstandet und parallel zueinander an dem Außenumfang des Statorrings 46 ausgebildet.
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In 5a ist ein Querschnitt durch das Gehäuse 38 gemäß der Linie Va-Va in 4 gezeigt. Dieser Schnitt verläuft durch einen zweiten Druckraum 18.
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In dieser Schnittdarstellung ist ein im Bereich der Drehachse D angeordnetes Verbindungselement 64 in Form einer Zentralventilschraube zur drehfesten Anbindung des Flügelrades 44 und zur Kopplung des Flügelrades 44 über das Verbindungselement 64 mit einer ersten Welle (nicht dargestellt) erkennbar. An dem Verbindungselement 64 ist ein zentraler Zuführkanal 26 ausgebildet, der sich in axialer Richtung von der linken Seite aus in das Verbindungselement 64 hinein erstreckt. Über den Zuführkanal 26 wird Fluid von der Ölwanne (in 5a nicht dargestellt) zu dem ersten Zuströmkanal 12 (vgl. 5b) und zu dem zweiten Zuströmkanal 16 geleitet. Um das Fluid zu dem ersten Zuströmkanal 12 bzw. zu dem zweiten Zuströmkanal 16 zu führen, erstreckt sich der Zuführkanal 26 innerhalb des Verbindungselements 64 ausgehend von dem axial ausgebildeten Abschnitt auch an einer ersten Stelle in radialer Richtung bis zu dem ersten Zuströmkanal 12 und an einer zweiten Stelle bis zu dem zweiten Zuströmkanal 16.
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Wie in 5a erkennbar ist, erstrecken sich - ausgehend von dem zweiten Druckraum 18 - in rein radialer Richtung der zweite Stator-Abströmkanal 52 und der zweite Gehäuse-Abströmkanal 24.
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In 5a ist auch gut zu erkennen, dass der Stator 42 aus dem Statorring 46, welcher in axialer Richtung beidseitig von dem ersten Deckelelement 66 und dem zweiten Deckelelemente 80 umschlossen ist und mit diesen drehfest verbunden ist, gebildet wird.
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An einem Außenumfangsabschnitt des ersten Deckelelements 66 ist eine Zahnradstruktur 68 ausgebildet, um den Stator 42 mit einer zweiten Welle (nicht dargestellt) koppeln zu können.
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In 5a ist gut zu erkennen, dass der zweite Verbindungskanal 54 als zweite Steuernut 56 und der erste Verbindungskanal 60 als erste Steuernut 62 an dem Außenumfang des Statorrings 46 ausgebildet sind. Axial benachbart zu der ersten Steuernut 62 und der zweiten Steuernut 56 sind jeweils Dichtringe 70 angeordnet. Mit den Dichtringen 70 wird sichergestellt, dass kein Fluid von den mit der der ersten Steuernut 62 fluidleitend gekoppelten ersten Druckräumen in die zweite Steuernut 56 bzw. in die mit der zweiten Steuernut 56 fluidleitend gekoppelten zweiten Druckräume 18 gelangt. Ebenfalls wird mit den Dichtringen 70 verhindert, dass Fluid anders als über die Stator-Abströmkanäle 52, 56 aus den ersten Druckräumen 14 oder aus den zweiten Druckräumen 18 nach außen in die Umgebung gelangt.
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5b zeigt einen Schnitt gemäß der Linie Vb-Vb in 4. Dieser Schnitt verläuft durch einen ersten Druckraum 14. In dieser Schnittdarstellung sind der erste sich (hier ausschließlich) radial erstreckende Zuströmkanal 12, der sich (hier ausschließlich) radial erstreckende erste Stator-Abströmkanal 58 und der sich (hier ausschließlich) radial erstreckende erste Gehäuse-Abströmkanal 20 zu erkennen. Die weiteren Elemente sind identisch zu den in 5a gezeigten Elementen.
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In 6 ist eine Detaildarstellung eines zweiten Zuströmkanals 16 mit seiner Mündung in einen zweiten Druckraum 18 dargestellt. Wie erkennbar ist, ist dem zweiten Zuströmkanal 16 ein Rückschlagventil 72 angeordnet, welches eine Kugel 74 und einen Rückhaltering 76 umfasst. Das Rückschlagventil 72 ist so ausgebildet, dass es bei Überdruck in dem Zuströmkanal 26 öffnet, bis der Druck im Zuströmkanal 26 auch in dem zweiten Druckraum 18 vorherrscht. Bei einem etwaigen Überdruck in den zweiten Druckraum 18 schließt das Rückschlagventil 72 und lässt ein Rückströmen von Fluid aus dem zweiten Druckraum in den zweiten Zuströmkanal 16 und den Zuführkanal 26 nicht zu.
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Ein solches Rückschlagventil 72 ist in allen zweiten Zuströmkanälen 16 vorgesehen, sofern mehrere Zuströmkanäle vorgesehen sind. Es ist mindestens ein Zuströmkanal 16 vorgesehen. Ebenfalls ist ein solches Rückschlagventil 72 - in analoger Art und Weise - auch in allen ersten Zuströmkanälen 12 vorgesehen, die zu den ersten Druckräumen 14 führen, sofern mehrere Zuströmkanäle 12 vorgesehen sind. Es ist mindestens ein erster Zuströmkanal 12 vorgesehen.
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Mit Hilfe einer Zusammenschau aus den 7 und 8 wird nun noch die Rückführung des Fluides aus dem Nockenwellenversteller 10 in Richtung der Ölwanne 28 erläutert. Ausgehend von dem Steuerungsventil 22 erstreckt sich ein Rückführkanal 36 unmittelbar innerhalb des Gehäuses 38 zunächst in einer rein horizontalen Orientierung, d.h. senkrecht zur Schwerkraft g, und dann in Richtung der Schwerkraft g. Der Rückführkanal 36 ist als Bohrung innerhalb des Gehäuses 38 ausgeführt. Nicht zur Führung von Fluid vorgesehene Teilabschnitte der Bohrungen sind mit Kugeln 78 verschlossen. Wie aus 8 hervorgeht, erstreckt sich der Rückführkanal 36 auch teilweise in einen Bereich des Gehäuses 38, welcher zur Aufnahme des Stators 42 dient. Der Rückführkanal 36 erstreckt sich in Einbaulage nur horizontal oder mit einer Komponente in Richtung der Schwerkraft g.
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Ferner sind in 8 noch das Zahnrad 68 zur Kopplung mit der zweiten Welle und ein Teil des axial herausragenden Verbindungselements 64 zu erkennen.
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Im Folgenden wird die Funktionsweise des Nockenwellenverstellers 10 sowie das Verfahren zum Betreiben des Nockenwellenverstellers 10 anhand der Figuren noch einmal erläutert:
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Ausgehend von dem Zuführkanal 26 wird Fluid immer dann über die ersten Zuströmkanäle 12 in die ersten Druckräume 14 geleitet und über die zweiten Zuströmkanäle 16 in die zweiten Druckräume 18 geleitet, wenn der Fluiddruck in den ersten Druckräumen 14 oder in den zweiten Druckräumen 18 niedriger ist als in dem Zuführkanal 26. Mit anderen Worten ausgedrückt, werden die die ersten Druckräume 14 und die zweiten Druckräume 18 grundsätzlich mit dem gleichen Druck beaufschlagt, so dass das Flügelrad 44 bei geschlossener Stellung des Steuerungsventils 22 hydraulisch eingespannt ist und sich gegenüber dem Stator 42 nicht relativbewegt.
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In der in 3 gezeigten Stellung, befindet sich das Flügelrad 44 relativ zu dem Stator 42 in einer mittleren Position, in welcher zwischen den Flügeln 50 und den jeweils außenseitig angrenzenden Anschlagelementen 48 erste Druckräume 14 und zweite Druckräume 18 mit jeweils dem gleichen Volumen gebildet sind. Aufgrund der geschlossenen Stellung des Steuerungsventils 22 kann kein Fluid aus den ersten Druckräumen 14 oder den zweiten Druckräumen 18 abströmen.
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Wird die Stellung des Steuerungsventils 22 verändert, beispielsweise derart, dass der zweite Gehäuse-Abströmkanal 24 geöffnet ist, kann Fluid aus den zweiten Druckräumen 18 jeweils durch die zweiten Stator-Abströmkanäle 52 in den zweiten Verbindungskanal 54 gelangen und aus dem zweiten Verbindungskanal 54 in den zweiten Gehäuse-Abströmkanal 24. Dadurch reduziert sich der Druck in den zweiten Druckräumen 18 gegenüber dem Druck in den ersten Druckräumen 14, was dazu führt, dass sich das Flügelrad 44 relativ zu dem Stator 42 derart verdreht, dass sich das Volumen der zweiten Druckräume 18 reduziert und sich gegenläufig das Volumen der ersten Druckräume 14 erhöht. Damit wird die Phasenlage der ersten Welle gegenüber der zweiten Welle verstellt. Das Flügelrad 44 kann sich nur so weit gegenüber dem Stator 42 verdrehen, bis die Flügel 50 an den Anschlagelementen 48 anschlagen.
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Um das Flügelrad 44 relativ zu dem Stator 42 in entgegengesetzter Richtung zu verdrehen, wird der zweite Gehäuse-Abströmkanal 24 von dem Steuerungsventil 22 geschlossen und der erste Gehäuse-Abströmkanal 20 geöffnet, indem das Steuerungsventil in die entsprechende Position verfahren wird.
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Die Zuströmung von Fluid durch den ersten Zuströmkanal 12 und den zweiten Zuströmkanal 16 und die Abströmung von Fluid durch den ersten Stator-Abströmkanal und den ersten Gehäuse-Abströmkanal oder den zweiten Stator-Abströmkanal 52 und den zweiten Gehäuse-Abströmkanal 24 erfolgt jeweils rein radial, so dass die Fliehkraft des rotierenden Flügelrades 44 und des rotierenden Stators 42 ausgenutzt wird, um die Abströmgeschwindigkeit des Fluides zu erhöhen und damit die Ansprechzeit des erfindungsgemäßen Nockenwellenstellers zu verbessern.
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Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Nockenwellenversteller
- 12
- erster Zuströmkanal
- 14
- erster Druckraum
- 16
- zweiter Zuströmkanal
- 18
- zweiter Druckraum
- 20
- erster Gehäuse-Abströmkanal
- 22
- Steuerungsventil
- 24
- zweiter Gehäuse-Abströmkanal
- 26
- Zuführkanal
- 28
- Ölwanne
- 30
- Pumpe
- 32
- Rückschlagventil
- 34
- Druckspeicher
- 36
- Rückführkanal
- 38
- Gehäuse
- 40
- Schraube
- 42
- Stator
- 44
- Flügelrad
- 46
- Statorring
- 48
- Anschlagelement
- 50
- Flügel
- 52
- zweiter Stator-Abströmkanal
- 54
- zweiter Verbindungskanal
- 56
- zweite Steuernut
- 58
- erster Stator-Abströmkanal
- 60
- erster Verbindungskanal
- 62
- erste Steuernut
- 64
- Verbindungselement
- 66
- erstes Deckelelement
- 68
- Zahnrad
- 70
- Dichtring
- 72
- Rückschlagventil
- 74
- Kugel
- 76
- Rückhaltering
- 78
- Kugel
- 80
- zweites Deckelelement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011013046 A1 [0002]
- JP 09280020 A [0003]
