DE102008055837A1 - Nockenwellenversteller mit Radialschieber - Google Patents
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Abstract
Description
- Gebiet der Erfindung
- Die Erfindung liegt auf dem technischen Gebiet der Brennkraftmaschinen und betrifft einen Nockenwellenversteller für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1.
- Stand der Technik
- In Brennkraftmaschinen mit von einer Nockenwelle betätigten Gaswechselventilen kann über spezielle Einrichtungen, so genannte Nockenwellenversteller, in Abhängigkeit des momentanen Betriebszustands auf die Öffnungs- und Schließzeitpunkte der Gaswechselventile Einfluss genommen werden. Hierdurch können eine Reihe vorteilhafter Effekte erreicht werden, wie eine Verminderung des Schadstoffausstoßes, eine Senkung des Kraftstoffverbrauchs und eine Erhöhung von Wirkungsgrad, Maximaldrehmoment und Maximalleistung der Brennkraftmaschine.
- Allgemein umfassen Nockenwellenversteller einen mit der Kurbelwelle in Antriebsverbindung stehenden Antriebsteil, einen nockenwellenfesten Abtriebsteil und einen zwischen An- und Abtriebsteil geschalteten Steilantrieb, welcher das Drehmoment vom An- auf das Abtriebsteil überträgt und eine Fixierung und Verstellung der relativen Drehlage zwischen diesen beiden ermöglicht.
- In einer gängigen Bauweise wird der Antriebsteil durch einen von der Kurbelwelle angetriebenen Außenrotor (”Stator”) und der Abtriebsteil durch einen mit der Nockenwelle drehfest verbundenen Innenrotor (”Rotor”) geformt, wobei der Rotor konzentrisch zum Stator in einem zentralen Hohlraum des Stators drehverstellbar gelagert ist. Hierbei kann der Stator mit in Umfangsrichtung verteilt angeordneten Arbeitsräumen versehen sein, in die sich jeweils ein mit dem Rotor verbundener radialer Flügel erstreckt, wodurch jeder Arbeitsraum in zwei gegeneinander wirkende Druckkammern geteilt wird. Durch gezielte Druckbeaufschlagung der Druckkammern können die Flügel innerhalb der Arbeitsräume verschwenkt werden, um auf diese Weise eine Änderung der relativen Drehlage (Phasenlage) zwischen Nocken- und Kurbelwelle zu bewirken. Um zu verhindern, dass bei ungenügender Druckmittelversorgung, wie dies etwa während der Startphase der Brennkraftmaschine oder im Leerlauf der Fall ist, an der Nockenwelle auftretende Wechselmomente auf den Rotor übertragen werden, sind hydraulische Nockenwellenversteller in der Regel mit einer Verriegelungseinrichtung zur drehfesten Verriegelung von Stator und Rotor in einer als ”Basisposition” bezeichneten Drehlage ausgerüstet. Als Basisposition wird eine für den Start der Brennkraftmaschine thermodynamisch günstige Phasenlage der Nockenwelle gewählt, welche von der konkreten Auslegung der Brennkraftmaschine abhängt.
- Derartige Nockenwellenversteller sind als solche hinlänglich bekannt und beispielsweise in den Druckschriften
DE 20 2005 008 264 U1 ,EP 1 596 040 A2 ,DE 10 2005 013 141 A1 undDE 199 08 934 A1 der Anmelderin eingehend beschrieben. - In einer gängigen alternativen Bauweise umfasst der Stator und Rotor koppelnde Stellantrieb einen axial verschiebbaren Kolben, der über jeweilige Schrägverzahnungen mit Rotor und Stator so verbunden ist, dass eine Verschiebung des Kolbens in eine relative Verdrehung zwischen diesen beiden umgeformt werden kann. Ein solcher Nockenwellenversteller ist beispielsweise aus der
DE 4218082 A1 bekannt. - Nachteilig bei diesen Systemen sind, neben der Vielzahl von verbauten Einzelteilen und einer aufwändigen Montage, insbesondere die im Betrieb auftretenden hohen Leckageverluste aufgrund des Stellantriebs.
- Zur Lösung dieser Probleme ist in der unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung
DE 102008017455.6 der Anmelderin ein hydraulischer Nockenwellenversteller beschrieben, dessen Stellantrieb auf einem in Radialrichtung verschiebbaren Radialschieber basiert. - Unter Bezugnahme auf
6 wird nun anhand einer Radialschnittdarstellung ein solcher Nockenwellenversteller mit Radialschieber beschrieben. Demnach umfasst der insgesamt mit der Bezugszahl100 bezeichnete Nockenwellenversteller einen über eine nicht dargestellte Kurbelwelle antreibbaren Stator101 und einen drehfest mit einer nicht dargestellten Nockenwelle verbindbaren Rotor102 . Innerhalb eines Hohlraums108 des Stators101 ist ein seitlich von parallelen Führungsflächen106 ,107 translatorisch geführter Radialschieber103 angeordnet, der den Hohlraum108 des Stators101 in die Druckkammern A und B' unterteilt. Der Radialschieber103 umgibt einen Hohlraum109 , der durch den Rotor102 in die Druckkammern A' und B unterteilt wird. Der durch zwei Spiralfedern104 ,110 in eine Sollposition vorgespannte Radialschieber103 ist über eine exzentrisch in eine Kehlung114 des Rotors102 greifende Rippe105 mit diesem drehgekoppelt. - Wird der Stator
101 in Drehung versetzt, wird diese Drehbewegung über die beiden Führungsflächen106 ,107 formschlüssig auf den Radialschieber103 übertragen, welcher den Rotor102 mitnimmt. Durch Druckbeaufschlagung der Druckkammern A, A' bzw. B, B' kann der Radialschieber103 entgegen der Federkraft der Spiralfedern104 ,110 in radialer Richtung verschoben werden, um hierdurch eine Änderung der Drehlage zwischen Stator101 und Rotor102 in gewünschter Weise zu bewirken. Über einen im Rotor102 aufgenommenen, axialen Verriegelungspin111 , der in eine entsprechende Ausnehmung einer nicht dargestellten, mit dem Stator drehfest verbundenen Stirnplatte greifen kann, können Stator101 und Rotor102 in Basisposition drehfest verriegelt werden. - In
7 ist eine Variante des Nockenwellenverstellers von6 veranschaulicht, bei der am Radialschieber103 eine Zahnstange112 und am Rotor102 ein mit der Zahnstange112 kämmendes Zahnsegment113 angeformt sind. Zum Zwecke einer übersichtlicheren Darstellung ist der Stator101 in7 nicht dargestellt. - In
7 befindet sich der Rotor102 in Basisstellung, wobei der Nockenwellenversteller so gestaltet ist, dass in dieser Drehlage ein Massenschwerpunkt SPK des Radialschiebers103 und ein Massenschwerpunkt SPR des Rotors102 auf einer das Rotationszentrum (Nockenwellendrehachse) RZ enthaltenden Linie liegen. Ein Abstand des Massenschwerpunkts SPK des Radialschiebers103 vom Rotationszentrum RZ ist mit IK, ein Abstand des Massenschwerpunkts SPR des Rotors102 vom Rotationszentrum RZ mit IR bezeichnet. Falls das Produkt aus Masse mK und Abstand IK vom Rotationszentrum RZ für den Radialschieber103 dem Produkt aus Masse mR und Abstand IR vom Rotationszentrum RZ für den Rotor102 entspricht, das heißt (mK × IK = mR × IR), liegt der Gesamtschwerpunkt SPGes bzw. eine resultierende Gesamtmasse mGes des Systems im Rotationszentrum RZ, wie in7 dargestellt ist. - Wird nun der Radialschieber
103 in Radialrichtung verschoben, so dass die Phasenlage von Rotor102 und Stator101 nicht mehr der Basislage entspricht, wie in8 dargestellt, wird der Massenschwerpunkt SPK des Radialschiebers103 um die Wegstrecke Δh zu einer Position SP'K translatorisch versetzt und der Massenschwerpunkt SPR des Radialschiebers103 auf einer Kreisbahn zu einer Position SP'R versetzt. In dieser Phasenlage befinden sich der Massenschwerpunkt SP'K des Radialschiebers103 und der Massenschwerpunkt SP'R des Rotors102 nicht mehr auf einer das Rotationszentrum RZ enthaltenden Linie. Der Abstand des Massenschwerpunkts SP'K des Radialschiebers103 vom Rotationszentrum RZ hat sich von IK zu I'K geändert, der Abstand des Massenschwerpunkts SP'R des Rotors102 vom Rotationszentrum RZ hat sich von IR zu I'R geändert. Aus diesem Grund liegt der Gesamtschwerpunkt SP'Ges bzw. eine resultierende Gesamtmasse m'Ges des Systems nicht mehr im Rotationszentrum RZ, wie in8 dargestellt ist. In8 sind noch weitere sich ändernde Größen eingetragen, auf die zum Verständnis der der Erfindung zu Grunde liegenden Problematik hier nicht näher eingegangen werden muss. - Dies hat in nachteiliger Weise zur Folge, dass bei angetriebenem Nockenwellenversteller verschiedene Trägheitsmomente am Radialschieber
103 und Rotor102 auftreten, so dass Unwucht erzeugt wird und der Nockenwellenversteller und die damit verbundenen Komponenten der Brennkraftmaschine stark beansprucht werden. - Aufgabe der Erfindung
- Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Nockenwellenversteller für eine Brennkraftmaschine mit einem Radialschieber zur Verfügung zu stellen, durch welchen der aufgezeigte Nachteil einer Unwuchterzeugung im Betrieb des Nockenwellenverstellers außerhalb der Basislage vermieden werden kann.
- Lösung der Aufgabe
- Diese und weitere Aufgaben werden nach dem Vorschlag der Erfindung durch einen Nockenwellenversteller mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche angegeben.
- Ein gattungsgemäßer Nockenweilenversteller umfasst einen mit einer Kurbelwelle in Antriebsverbindung bringbaren Antriebsteil bzw. Außenrotor (im Weiteren als ”Stator” bezeichnet) und einen mit einer Nockenwelle drehfest verbindbaren Abtriebsteil bzw. Innenrotor (im Weiteren als ”Rotor” bezeichnet), der in konzentrischer Anordnung drehverstellbar um eine gemeinsame Drehachse zum Stator gelagert ist. Zwischen Stator und Rotor ist ein (z. B. hydraulischer) Stellantrieb geschaltet, welcher ein Drehmoment vom Stator auf den Rotor übertragen kann und eine Fixierung und Verstellung der Drehlage (Drehwinkelstellung) des Rotors in Bezug auf den Stator ermöglicht. Die Drehlage des Rotors gegenüber den Stator ist innerhalb eines vorgebbaren Verstellbereichs verstellbar.
- Der erfindungsgemäße Nockenwellenversteller zeichnet sich in wesentlicher Weise dadurch aus, dass die Drehlage des Rotors gegenüber dem Stator durch einen in Radialrichtung verschiebbaren Radialschieber veränderbar ist, wobei Radialschieber und Rotor so ausgebildet sind, dass ein resultierender Gesamtschwerpunkt von Radialschieber und Rotor für den gesamten Verstellbereich zur Verstellung der Drehwinkelstellung des Rotors in Bezug auf den Stator zumindest annähernd (insbesondere exakt) auf der gemeinsamen Drehachse von Rotor und Stator liegt. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass Radialschieber und Rotor so gestaltet sind, dass für jede Drehlage innerhalb des Verstellbereichs ein Massenschwerpunkt SPK des Radialschiebers und ein Massenschwerpunkt SPR des Rotors zumindest annähernd (insbesondere exakt) auf einer die gemeinsame Drehachse von Rotor und Stator enthaltenden Linie liegen. Zudem sind ein senkrechter Abstand IK des Massenschwerpunkts SPK des Radialschiebers vom Rotationszentrum und die Masse mK des Radialschiebers sowie ein senkrechter Abstand IR des Massenschwerpunkts SPR des Rotors vom Rotationszentrum und die Masse mR des Rotors so bemessen, dass das Produkt aus Masse mK und Abstand IK für den Radialschieber zumindest annähernd (insbesondere exakt) dem Produkt aus Masse mR und Abstand IR für den Rotor entspricht.
- Eine Ausbildung von Radialschieber und Rotor in der Weise, dass ein resultierender Gesamtschwerpunkt von Radialschieber und Rotor für den gesamten Verstellbereich zur Verstellung der Drehlage zwischen Rotor und Stator zumindest annähernd (insbesondere exakt) auf der gemeinsamen Drehachse von Rotor und Stator liegt, kann durch eine entsprechende Formgebung von Radialschieber und Rotor erreicht werden. Alternativ oder zusätzlich können Radialschieber und/oder Rotor zu diesem Zweck eine inhomogene Massenverteilung aufweisen.
- Als ”Radialrichtung” wird im Allgemeinen jede Verschieberichtung verstanden, welche einen translatorischen Anteil umfasst und dabei auch mit einem rotatorischen Anteil zu einer bogenförmigen Verschiebebewegung kombiniert werden kann. Dabei liegt der Verschiebeweg vorteilhafter Weise vollständig in einer Ebene, die von der gemeinsamen Drehachse des Nockenwellenverstellers senkrecht durchstoßen wird.
- Erfindungsgemäß kann somit in vorteilhafter Weise beim Betrieb des Nockenwellenverstellers die Erzeugung einer Unwucht bei der Verschiebung des Radialschiebers in Radialrichtung vermieden werden, so dass die eingangs genannten Nachteile vermieden werden können.
- Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers ist ein exzentrisch am Rotor angeordnetes Eingriffspaar vorgesehen, durch das der Radialschieber mit dem Rotor drehgekoppelt (das heißt, der Rotor zur Drehverstellung gegenüber dem Stator angetrieben) ist. Durch diese Drehkopplung wird vorteilhaft eine Verschiebebewegung des Radialschiebers in eine Drehbewegung des Rotors zur Verstellung der Drehlage des Rotors in Bezug auf den Stator umgeformt. Das Eingriffspaar ist vorzugsweise in Form miteinander kämmender Zahnungen ausgebildet. Denkbar ist jedoch auch, das Eingriffspaar als Reibkupplung auszubilden.
- Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers weist der Radialschieber einen in Radialrichtung offenen Hohlraum (im Weiteren als ”Schieber-Hohlraum” bezeichnet) auf, in dem der Rotor mit einem die gemeinsame Drehachse enthaltenden ersten Rotorabschnitt aufgenommen ist. Zudem ist am ersten Rotorabschnitt ein in Radialrichtung sich erstreckender zweiter Rotorabschnitt angeformt, der außerhalb des Schieber-Hohlraums angeordnet ist. Durch diese Formgebung von Radialschieber und Rotor kann in besonders einfacher Weise eine Ausbildung von Radialschieber und Rotor in der Weise, dass ein resultierender Gesamtschwerpunkt von Radialschieber und Rotor für den gesamten Verstellbereich zumindest annähernd auf der gemeinsamen Drehachse von Rotor und Stator liegt, erreicht werden.
- Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers ist der Radialschieber durch Druckbeaufschlagung zumindest eines gegeneinander wirkenden Druckkammerpaars in Radialrichtung verschiebbar. Zu diesem Zweck kann es besonders vorteilhaft sein, wenn der erste Rotorabschnitt den Schieber-Hohlraum in zumindest ein gegeneinander wirkendes erstes Druckkammerpaar unterteilt, so dass durch Druckbeaufschlagung des ersten Druckkammerpaars eine Verschiebung des Radialschiebers in Radialrichtung erreicht wird.
- Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers ist der zweite Rotorabschnitt wenigstens teilweise in einer vom Stator geformten Ausnehmung (im Weiteren als ”Stator-Ausnehmung” bezeichnet) aufgenommen, wobei die Stator-Ausnehmung durch den zweiten Rotorabschnitt in zumindest ein gegeneinander wirkendes zweites Druckkammerpaar unterteilt wird, so dass der Rotor durch Druckbeaufschlagung des zweiten Druckkammerpaars gegenüber dem Stator drehverstellbar ist. Durch diese Maßnahme kann in besonders vorteilhafter Weise eine Unterstützung der Verschiebung des Radialschiebers in Radialrichtung erreicht werden, wodurch eine effiziente Drehverstellung des Rotors gegenüber dem Stator und eine Entlastung des Eingriffspaar zur Kopplung von Radialschieber und Rotor erreicht wird.
- In obigem Fall ist es besonders vorteilhaft, wenn jeweilige Druckkammern des ersten und zweiten Druckkammerpaars fluidleitend so miteinander verbunden sind, dass eine Druckbeaufschlagung fluidleitend miteinander verbundener Druckkammern eine gleichsinnige Drehverstellung des Rotors gegenüber dem Stator bewirkt. Hierdurch kann eine gleichsinnige Drehverstellung des Rotors gegenüber dem Stator in besonders einfacher und effektiver Weise erreicht werden. Die fluidleitend miteinander verbundenen Druckkammern der ersten und zweiten Druckkammerpaare können insbesondere auch als Abschnitte einer selben Druckkammer aufgefasst werden, so dass die ersten und zweiten Druckkammerpaare verschiedene Abschnitte eines selben Druckkammerpaars sind.
- Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers ist der Radialschieber in einem Hohlraum (im Weiteren als ”Stator-Hohlraum” bezeichnet) des Stators angeordnet und unterteilt den Stator-Hohlraum in zumindest ein gegeneinander wirkendes drittes Druckkammerpaar. Durch diese Maßnahme kann eine Druckbeaufschlagung des Radialschiebers in besonders einfacher Weise realisiert werden.
- Allgemein kann es in der Erfindung von Vorteil sein, wenn Druckkammern, welche bei Druckbeaufschlagung eine gleichsinnige Drehverstellung des Rotors gegenüber dem Stator bewirken, eine gemeinsame Druckmittelversorgung aufweisen.
- Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers, bei welcher der zweite Rotorabschnitt wenigstens teilweise in der vom Stator geformten Stator-Ausnehmung aufgenommen ist, wird durch die Stator-Ausnehmung eine Begrenzung des Verstellbereichs zur Verstellung der Drehlage des Rotors gegenüber dem Stator bewirkt. Hierdurch wird eine einfache Möglichkeit zur Begrenzung des Verstellbereichs für die relative Phasenlage von Stator und Rotor geschaffen.
- Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers ist der Stator-Hohlraum mit wenigstens zwei zueinander parallel angeordneten Führungsmitteln versehen, an denen der Radialschieber geführt ist. Bei den Führungsmitteln kann es sich beispielsweise um Führungsflächen oder Führungsstreben handeln.
- Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers ist der zweite Rotorabschnitt mit einer Verriegelungseinrichtung versehen, durch die Rotor und Stator in einer wählbaren Drehlage (Basislage) durch formschlüssigen Eingriff eines im Rotor oder Stator aufgenommenen Verriegelungselements in eine vom jeweils anderen (Stator oder Rotor) geformte Ausnehmung drehfest verriegelbar sind. Hierdurch kann in besonders vorteilhafter Weise erreicht werden, dass ein Verriegelungsspiel aufgrund des relativ großen radialen Abstands der Verriegelungseinrichtung von der gemeinsamen Drehachse relativ gering ist. Zudem kann im verriegelten Zustand ein Drehmoment zwischen Stator und Rotor besonders effektiv übertragen werden.
- Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers ist der Radialschieber so ausgebildet, dass bei einer Drehung um die gemeinsame Drehachse durch die hierbei erzeugte Fliehkraft eine Verstellung des Radialschiebers in Radialrichtung bewirkt wird. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass eine Verstellung des Radialschiebers während des Betriebs des Nockenwellenverstellers durch Fliehkraft unterstützt wird.
- Die Erfindung erstreckt sich weiterhin auf eine Brennkraftmaschine, die mit wenigstens einem wie oben beschriebenen Nockenwellenversteller ausgerüstet ist.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
- Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen wird. Gleiche bzw. gleich wirkende Elemente sind in den Zeichnungen mit denselben Bezugszahlen bezeichnet. Es zeigen:
-
1 in einer Radialschnittdarstellung ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers; -
2 verschiedene Schnittdarstellungen des Nockenwellenverstellers von1 zur Veranschaulichung einer ersten Variante der Druckmittelpfade; -
3 verschiedene Schnittdarstellungen des Nockenwellenverstellers von1 zur Veranschaulichung einer zweiten Variante der Druckmittelpfade; -
4 in einer perspektivischen Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers; -
5 verschiedene Schnittdarstellungen des Nockenwellenverstellers von4 ; -
6 in einer Radialschnittdarstellung einen Nockenwellenversteller mit Radialschieber, welcher nicht Teil der Erfindung ist; -
7 in einer Radialschnittdarstellung eine Variante des Nockenwellenversteller mit Radialschieber von6 in Basisposition; -
8 in einer Radialschnittdarstellung der Nockenwellenversteller von7 außerhalb der Basisposition. - Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
- Die
6 bis8 , worin herkömmliche Nockenwellenversteller mit Radialschieber veranschaulicht sind, wurden bereits in der Beschreibungseinleitung ausführlich erläutert, so dass es sich erübrigt, hier nochmals darauf einzugehen. - Unter Bezugnahme auf
1 bis3 wird nun ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers erläutert. Demnach umfasst ein insgesamt mit der Bezugszahl1 bezeichneter Nockenwellenversteller als Antriebsteil einen mit einer (nicht dargestellten) Kurbelwelle beispielsweise über einen Ketten- oder Riementrieb in Antriebsverbindung bringbaren Außenrotor bzw. Stator2 und als Abtriebsteil einen in einem Hohlraum5 des Stators2 (”Stator-Hohlraum”) konzentrisch angeordneten Innenrotor bzw. Rotor3 . Der Rotor3 ist drehverstellbar zum Stator2 gelagert, was in den Figuren nicht näher dargestellt ist, wobei Stator2 und Rotor3 um eine gemeinsame Drehachse6 drehbar sind, welche bei drehfester Verbindung des Rotors3 mit der Nockenwelle der Nockenwellendrehachse entspricht. Der Rotor3 kann in bekannter Weise, beispielsweise mittels einer Zentralschraube, die insbesondere als Zentralventil zur Steuerung von Druckmittelströmen ausgebildet sein kann, stirnseitig der Nockenwelle an dieser befestigt werden. - Innerhalb des Stator-Hohlraums
5 ist ein von zueinander parallelen ersten und zweiten Führungsflächen7 ,8 in Radialrichtung translatorisch geführter Radialschieber4 angeordnet. Der Radialschieber4 ist im Radialschnitt zumindest annähernd U-förmig gebogen, mit einem geraden Kopplungsabschnitt11 , an den zwei zumindest annähernd kreissegmentförmig gekrümmte Bogenabschnitte12 angeformt sind. Der Kopplungsabschnitt11 und die beiden Bogenabschnitte12 umgeben gemeinsam einen radial offenen Hohlraum15 (”Schieber-Hohlraum”). Der Radialschieber4 ist über die beiden Bogenendabschnitte13 an den beiden ersten Führungsflächen7 und über an den Kopplungsabschnitt11 angeformte Rippen14 an der zweiten Führungsfläche8 verschiebbar geführt. - Der Radialschieber
4 umgreift einen die gemeinsame Drehachse6 enthaltenden zentralen Rotorabschnitt9 mit im Radialschnitt in etwa runder Form, wobei der zentrale Rotorabschnitt9 innerhalb des Schieber-Hohlraums15 aufgenommen ist. An den zentralen Rotorabschnitt9 ist ein in radialer Richtung auskragender, radialer Rotorabschnitt10 mit im Radialschnitt zumindest annä hernd rechteckiger Form angeformt, welcher sich außerhalb des Schieber-Hohlraums15 befindet. Der radiale Rotorabschnitt10 ist in einer vom Stator2 zwischen den beiden ersten Führungsflächen7 geformten Ausnehmung16 (”Stator-Ausnehmung”) einer den Stator-Hohlraum5 umgebenden Innenwand17 aufgenommen. Die Stator-Ausnehmung16 ist von zwei einander gegenüberliegenden Randflächen18 ,19 begrenzt, die jeweils als Anschläge für den radialen Rotorabschnitt10 bei der Verstellung der relativen Phasenlage zwischen Rotors3 und Stator2 dienen, so dass die Stator-Ausnehmung16 im Zusammenwirken mit dem radialen Rotorabschnitt10 eine Begrenzungseinrichtung zur Begrenzung der Verstellung der relativen Drehlage von Rotor3 und Stator2 bildet. - Der Radialschieber
4 ist mit dem zentralen Rotorabschnitt9 des Rotors3 drehgekoppelt. Genauer, ist der Kopplungsabschnitt11 zu diesem Zweck mit einer Zahnstange20 versehen, die mit einem am zentralen Rotorabschnitt9 angeformten Zahnsegment21 kämmt. Wird der Radialschieber4 in Radialrichtung translatorisch verschoben, so bewirkt die Drehkopplung eine Drehverstellung des Rotors3 gegenüber dem Stator2 , das heißt, eine translatorische Bewegung des Radialschiebers4 wird in eine Drehbewegung des Rotors3 umgeformt. - Für eine translatorische Verschiebung des Radialschiebers
4 ist ein hydraulischer Stellantrieb vorgesehen, der im Folgenden beschrieben wird. - Der zentrale Rotorabschnitt
9 unterteilt den Schieber-Hohlraum15 in ein Paar gegeneinander wirkender Druckkammerabschnitte A1, B1. Der radiale Rotorabschnitt10 unterteilt die Stator-Ausnehmung16 in ein weiteres Paar gegeneinander wirkender Druckkammerabschnitte A2, B2, wobei die Druckkammerabschnitte A1 und A2 gemeinsam eine Druckkammer A und die Druckkammerabschnitte B1 und B2 gemeinsam eine Druckkammer B formen, jedoch als Abschnitte der jeweiligen Druckkammern funktionell voneinander unterscheidbar sind. Die Druckkammern A und B formen ein gegeneinander wirkendes erstes Druckkammerpaar. Weiterhin unterteilt der Radialschieber4 den Stator-Hohlraum5 in ein zweites Paar gegeneinander wirkender Druckkammern A', B'. - Werden nun die Druckkammern A und A' gegenüber den Druckkammern B und B' mit Überdruck beaufschlagt, indem in entsprechender Weise Druckmittel zugeführt wird, so wird der Radialschieber
4 durch die Druckbeaufschlagung des Druckkammerabschnitts A1 und der Druckkammer A' translatorisch verschoben (in1 nach oben), wobei der Rotor3 durch seine Drehkopplung mit den Radialschieber4 in Rotation verstellt wird (in1 im Uhrzeigersinn). Zudem wird der Rotor3 durch die Druckbeaufschlagung des Druckkammerabschnitts A2 unmittelbar im gleichen Drehsinn in Rotation verstellt, wobei der Radialschieber4 über den Rotor3 mittelbar translatorisch verschoben wird. Wenn die Druckkammer B und B' in entsprechender Weise gegenüber den Druckkammern A und A mit Überdruck beaufschlagt werden, wird der Radialschieber4 durch die Druckbeaufschlagung des Druckkammerabschnitts B1 und der Druckkammer B' translatorisch verschoben (in1 nach unten), wobei der Rotor3 durch seine Drehkopplung mit den Radialschieber4 in Rotation verstellt wird (in1 im Gegenuhrzeigersinn). Zudem wird der Rotor3 durch die Druckbeaufschlagung des Druckkammerabschnitts B2 unmittelbar im gleichen Drehsinn in Rotation verstellt. - Über eine unmittelbare Druckbeaufschlagung des Rotors
3 mittels der Druckkammerabschnitte A2 bzw. B2 kann eine besonders effiziente Drehverstellung des Rotors3 gegenüber dem Stator2 erreicht werden. Zudem wird die gezahnte Drehkopplung zwischen Radialschieber4 und Rotor3 entlastet. - Bezogen auf eine Antriebsrichtung des Stators
2 , welche in1 beispielsweise dem Uhrzeigersinn entspricht, kann durch gezielte Druckbeaufschlagung der Druckkammern A und A' die Drehwinkelstellung (Phasenlage) des Rotors3 in einem zur Antriebsrichtung gleichen Drehsinn relativ zum Stator2 verstellt werden (Frühverstellung) bzw. durch Druckbeaufschlagung der Druckkammern B und B' in einem zur Antriebsrichtung gegengleichen Drehsinn verstellt werden (Spätverstellung). Durch den in die Stator-Ausnehmung16 greifenden radialen Rotorabschnitt10 wird der Verstellbereich für die Verstellung der Phasenlage zwischen Rotor3 und Stator2 begrenzt. - Der Radialschieber
4 und der Rotor3 sind so geformt, dass ein resultierender Gesamtschwerpunkt für die beiden Bauteile Radialschieber4 und Rotor3 für den gesamten Verstellbereich zur Verstellung der Drehlage des Rotors3 in Bezug auf den Stator2 zumindest annähernd auf der gemeinsamen Drehachse6 von Rotor3 und Stator2 liegt. Für jede Drehlage innerhalb des Verstellbereichs liegen der Massenschwerpunkt SPK des Radialschiebers4 und der Massenschwerpunkt SPR des Rotors3 zumindest annähernd auf einer die gemeinsame Drehachse6 von Rotor3 und Stator2 enthaltenden Linie. Zudem sind ein senkrechter Abstand IK des Massenschwerpunkts SPK des Radialschiebers4 von der gemeinsamen Drehachse6 und die Masse mK des Radialschiebers4 sowie ein senkrechter Abstand IR des Massenschwerpunkts SPR des Rotors3 von der gemeinsamen Drehachse6 und die Masse mR des Rotors3 so bemessen, dass das Produkt aus Masse mK und Abstand IK für den Radialschieber4 zumindest annähernd dem Produkt aus Masse mR und Abstand IR für den Rotor3 entspricht. Alternativ und/oder zusätzlich wäre es gleichermaßen möglich, dass ein auf der gemeinsamen Drehachse6 liegender Gesamtschwerpunkt von Radialschieber4 und Rotor3 für den gesamten Verstellbereich zur Verstellung der Drehlage zwischen Rotor3 und Stator2 durch eine inhomogene Massenverteilung von Rotor3 und/oder Radialschieber4 erreicht wird. - Um zu vermeiden, dass bei einer ungenügenden Druckmittelversorgung während des Betriebs der Brennkraftmaschine an der Nockenwelle auftretende Wechselmomente auf den Rotor
3 übertragen werden, kann der Rotor3 durch eine Verriegelungseinrichtung mit dem Stator2 in einer wählbaren Basisposition drehfest verriegelt werden. Die Verriegelungseinrichtung umfasst zu diesem Zweck einen axialen Verriegelungspin22 , der in einer axialen Aufnahme23 des radialen Rotorabschnitts11 des Rotors3 aufgenommen ist. Der Verriegelungspin22 wird durch ein nicht dargestelltes Federelement in eine vom Stator2 beispielsweise in einer Stirnplatte geformte (nicht dargestellte) Verriegelungsaufnahme gedrängt, welche den Verriegelungspin22 zur drehfesten Verriege lung von Stator2 und Rotor3 formschlüssig umgibt. Um den Verriegelungspin22 in seine Aufnahme23 im radialen Rotorabschnitt10 zurückzudrängen, wodurch die formschlüssige Verbindung zwischen Stator2 und Rotor3 aufgehoben wird, kann der Verriegelungspin22 stirnseitig mit Druckmittel beaufschlagt werden. Durch die in radialer Richtung relativ weit außen angeordnete Verriegelungseinrichtung kann eine effiziente Drehmomentübertragung zwischen Stator2 und Rotor3 sowie ein relativ geringes Verriegelungsspiel realisiert werden. - In dem Nockenwellenversteller
1 können die Druckkammern A und A' sowie die Druckkammern B und B' unabhängig voneinander mit Druckmittel (z. B. Hydrauliköl) gespeist werden, zu welchem Zweck entsprechende Druckmittelpfade zum Zu- bzw. Ableiten von Druckmittel vorgesehen sind. - In
2 sind die Druckmittelpfade in einer ersten Variante veranschaulicht. Demnach wird die Druckkammer A durch einen im zentralen Rotorabschnitt10 in Form einer Radialbohrung ausgebildeten ersten Druckmittelpfad24 und die Druckkammer A' durch einen in einer Planfläche des Radialschiebers4 beispielsweise durch Sintern geformten zweiten Druckmittelpfad25 mit Druckmittel versorgt. In entsprechender Weise wird die Druckkammer B durch einen im zentralen Rotorabschnitt10 in Form einer Radialbohrung geformten dritten Druckmittelpfad26 und die Druckkammer B' durch einen in einer gegenüberliegenden Planfläche des Radialschiebers4 beispielsweise durch Sintern geformten vierten Druckmittelpfad27 mit Druckmittel versorgt. Hierbei sind die ersten und zweiten Druckmittelpfade24 ,25 und die dritten und vierten Druckmittelpfade26 ,27 jeweils an eine gemeinsamen Druckmittelpfad angeschlossen, um die Druckkammern A und A' bzw. B und B' jeweils mit einer Druckmittelpumpe oder einem Druckmitteltank zu verbinden, um auf diese Weise Druckmittel den Druckkammern zuzuführen bzw. hiervon abzuleiten. - In
3 sind die Druckmittelpfade in einer zweiten Variante veranschaulicht. Demnach wird die Druckkammer A durch einen im zentralen Rotorabschnitt10 in Form einer Radialbohrung ausgebildeten ersten Druckmittelpfad24 und de Druckkammer A' durch einen im Stator2 beispielsweise durch Sintern geform ten ringförmigen fünften Druckmittelpfad28 mit Druckmittel versorgt. In entsprechender Weise wird die Druckkammer B durch einen im zentralen Rotorabschnitt10 in Form einer Radialbohrung geformten dritten Druckmittelpfad26 und die Druckkammer B' durch einen im Stator2 beispielsweise durch Sintern geformten ringförmigen sechsten Druckmittelpfad29 mit Druckmittel versorgt. Hierbei sind die ersten und fünften Druckmittelpfade24 ,28 und die dritten und sechsten Druckmittelpfade26 ,29 jeweils an eine gemeinsamen Druckmittelpfad angeschlossen, um die Druckkammern A und A' bzw. B und B' jeweils mit einer Druckmittelpumpe oder einem Druckmitteltank zu verbinden, um auf diese Weise Druckmittel den Druckkammern zuzuführen bzw. hiervon abzuleiten. - In beiden Varianten für die Druckmittelpfade kann über einen im radialen Rotorabschnitt
10 axial verlaufenden siebten Druckmittelpfad30 der Verriegelungspin22 stirnseitig mit Druckmittel beaufschlagt werden, um ihn in seine Aufnahme23 im radialen Rotorabschnitt10 zurückzudrängen. - Es wird nun Bezug auf
4 und5 genommen, worin ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers veranschaulicht ist. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, werden lediglich die Unterschiede zu dem in den1 bis3 veranschaulichten ersten Ausführungsbeispiel erläutert und ansonsten auf die dort gemachten Ausführungen verwiesen. - Demnach umfasst der Nockenwellenversteller
1 zur translatorischen Führung des Radialschiebers4 in Radialrichtung zwei innerhalb des Stator-Hohlraums5 angeordnete Führungsstreben31 , wobei der Radialschieber4 mittels jeweils eine Führungsstrebe31 aufnehmender Führungsnuten32 in Radialrichtung translatorisch verschoben werden kann. - Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung:
In dem erfindungsgemäßen Nockenwellenversteller ist der Rotor in seiner Drehwinkelstellung mittels eines in Radialrichtung verschiebbaren Radialkolbens relativ zum Stator verstellbar. Der Radialschieber ist hierbei von Füh rungsflächen des Stators oder zusätzlichen Führungselementen, wie Führungsstreben, linear geführt. Denkbar wäre es jedoch auch, den der Radialschieber in entsprechenden Nuten axialer Stirnplatten des Nockenwellenverstellers zu führen. Eine translatorische Verschiebung des Radialschiebers erfolgt beispielsweise hydraulisch mittels gegeneinander wirkender Druckkammerpaare. Über eine spezielle Bauteilgestaltung von Radialschieber und Rotor und das kinematische Zusammenwirken dieser Bauteile erfolgt ein Unwuchtausgleich. Die geometrische Form des Radialschiebers kann zumindest annähernd U-förmig sein, jedoch ist auch jede andere geometrische Form denkbar, solange eine gewünschte Schwerpunktlage erzeugt wird. Entsprechendes gilt auch für den Rotor. Über eine inhomogene Materialverteilung in den Bauteilen Radialschieber und Rotor kann eine gewünschte Schwerpunktlage erzeugt werden, was zum Unwuchtausgleich beiträgt. Der Stator, welcher beispielsweise über ein Riemen- oder Kettenrad mit der Kurbelwelle in Antriebsverbindung bringbar ist, kann ein- oder mehrteilig ausgeführt werden. Eine Versorgung des Nockenwellenverstellers mit Druckmittel kann durch die Nockenwelle, insbesondere mittels Druckmitteltrennhülsen, oder extern erfolgen. Eine Versorgung der Druckkammern mit Druckmittel kann durch Kanäle im Radialschieber und/oder Rotor und/oder Gehäuse oder auch durch Leitbleche, die in ein Nockenwellenverstellergehäuse ein- oder aufgelegt werden, erfolgen. Der Nockenwellenversteller kann beispielsweise mittels Schrauben oder einer Zentralschraube an der Nockenwelle befestigt werden. Der Nockenwellenversteller kann beispielsweise aus Eisen- und/oder Aluminiumwerkstoffen und/oder oder Kunststoff gefertigt werden. In den Nockenwellenversteller kann weiterhin ein Antrieb für weitere Systeme, beispielsweise eine Vakuumpumpe, integriert werden. Ein Gehäuse für den Nockenwellenversteller kann beispielsweise in Form eines zweiteiligen Topfes ausgebildet sein. - Der erfindungsgemäße Nockenwellenversteller ermöglicht in vorteilhafter Weise eine Vermeidung von Unwucht bei einer Verstellung der Phasenlage zwischen Rotor und Stator. Dies gilt insbesondere für die beiden maximal verstellten Phasenlagen, Früh- und Spätstellung, in denen gewöhnlich eine besonders große Unwucht auftritt. Durch eine Verriegelungseinrichtung mit einem relativ großen radialen Abstand vom Drehzentrum kann die Drehmomentübertragbarkeit verbessert sowie das Verriegelungsspiel im verriegelten Zustand verringert werden. Durch die Fliehkrafteinwirkung auf den Radialschieber kann in vorteilhafter Weise ein Drehmoment erzeugt werden, welches die Verstellfunktion unterstützt. Der Nockenwellenversteiler ist in allen gängigen Motoranwendungen einsetzbar. Aufgrund der geringen Komplexität des Nockenwellenverstellers verringern sich dessen Kosten für Herstellung und Wartung.
-
- 1
- Nockenwellenversteller
- 2
- Stator
- 3
- Rotor
- 4
- Radialschieber
- 5
- Stator-Hohlraum
- 6
- Drehachse
- 7
- erste Führungsfläche
- 8
- zweite Führungsfläche
- 9
- zentraler Rotorabschnitt
- 10
- radialer Rotorabschnitt
- 11
- Kopplungsabschnitt
- 12
- Bogenabschnitt
- 13
- Bogenendabschnitt
- 14
- Rippe
- 15
- Schieber-Hohlraum
- 16
- Stator-Ausnehmung
- 17
- Innenwand
- 18
- erste Randfläche
- 19
- zweite Randfläche
- 20
- Zahnstange
- 21
- Zahnsegment
- 22
- Verriegelungspin
- 23
- Aufnahme
- 24
- erster Druckmittelpfad
- 25
- zweiter Druckmittelpfad
- 26
- dritter Druckmittelpfad
- 27
- vierter Druckmittelpfad
- 28
- fünfter Druckmittelpfad
- 29
- sechster Druckmittelpfad
- 30
- siebter Druckmittelpfad
- 31
- Führungsstrebe
- 32
- Führungsnut
- 100
- Nockenwellenversteller
- 101
- Stator
- 102
- Rotor
- 103
- Radialschieber
- 104
- erste Spiralfeder
- 105
- Rippe
- 106
- Führungsfläche
- 107
- Führungsfläche
- 108
- Stator-Hohlraum
- 109
- Kolben-Hohlraum
- 110
- zweite Spiralfeder
- 111
- Verriegelungspin
- 112
- Zahnstange
- 113
- Zahnsegment
- 114
- Kehlung
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 202005008264 U1 [0005]
- - EP 1596040 A2 [0005]
- - DE 102005013141 A1 [0005]
- - DE 19908934 A1 [0005]
- - DE 4218082 A1 [0006]
- - DE 102008017455 [0008]
Claims (13)
- Nockenwellenversteller (
1 ) für eine Brennkraftmaschine, welcher umfasst: – einen mit einer Kurbelwelle in Antriebsverbindung bringbaren Stator (2 ), – einen mit einer Nockenwelle drehfest verbindbaren Rotor (3 ), der konzentrisch zum Stator um eine gemeinsame Drehachse (6 ) drehverstellbar zu diesem gelagert ist, einen Stellantrieb, durch den ein Drehmoment vom Stator auf den Rotor übertragbar und eine Drehwinkelstellung des Rotors in Bezug auf den Stator innerhalb eines Verstellbereichs verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehlage des Rotors (3 ) gegenüber dem Stator (2 ) durch einen in Radialrichtung verschiebbaren Radialschieber (4 ) veränderbar ist, wobei Radialschieber (4 ) und Rotor (3 ) so ausgebildet sind, dass ein resultierender Gesamtschwerpunkt von Radialschieber (4 ) und Rotor (3 ) im gesamten Verstellbereich zumindest annähernd auf der gemeinsamen Drehachse (6 ) liegt. - Nockenwellenversteller (
1 ) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein exzentrisch am Rotor (3 ) angeordnetes Eingriffspaar (20 ,21 ), durch das der Radialschieber (4 ) mit dem Rotor (3 ) drehgekoppelt ist. - Nockenwellenversteller (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Radialschieber (4 ) einen in Radialrichtung offenen Schieber-Hohlraum (15 ) aufweist, in dem der Rotor (3 ) mit einem die gemeinsame Drehachse (6 ) enthaltenden ersten Rotorabschnitt (9 ) aufgenommen ist, wobei an den ersten Rotorabschnitt (9 ) ein in Radialrichtung sich erstreckender zweiter Rotorabschnitt (10 ) angeformt ist, der außerhalb des Schieber-Hohlraums (15 ) angeordnet ist. - Nockenwellenversteller (
1 ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Rotorabschnitt (9 ) den Schieber-Hohlraum (15 ) in zumindest ein erstes Paar gegeneinander wirkender Druckkammern oder Druckkammerabschnitte (A1, B1) unterteilt, derart, dass der Radialschieber (4 ) durch Druckbeaufschlagung des ersten Paars von Druckkammern bzw. Druckkammerabschnitte in Radialrichtung verschiebbar ist. - Nockenwellenversteller (
1 ) nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Rotorabschnitt (10 ) in einer vom Stator (2 ) geformten Stator-Ausnehmung (16 ) aufgenommen ist, wodurch die Stator-Ausnehmung (16 ) in zumindest ein zweites Paar gegeneinander wirkender Druckkammern oder Druckkammerabschnitte (A2, B2) unterteilt wird, derart, dass der Rotor (3 ) durch Druckbeaufschlagung des zweiten Paars von Druckkammern bzw. Druckkammerabschnitte gegenüber dem Stator drehverstellbar ist. - Nockenwellenversteller (
1 ) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Stator-Ausnehmung (16 ) eine Begrenzung des Verstellbereichs zur Verstellung der Drehlage des Rotors (3 ) gegenüber dem Stator (2 ) bewirkt wird. - Nockenwellenversteller (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Radialschieber (4 ) in einem vom Stator (2 ) geformten Stator-Hohlraum (5 ) angeordnet ist und den Stator-Hohlraum (5 ) in zumindest ein drittes Paar gegeneinander wirkender Druckkammern (A', B') unterteilt, derart, dass der Radialschieber (4 ) durch Druckbeaufschlagung des dritten Paars von Druckkammern in Radialrichtung verschiebbar ist. - Nockenwellenversteller (
1 ) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator-Hohlraum (5 ) mit wenigstens zwei zueinander parallel angeordneten Führungsmitteln (7 ,8 ;31 ) versehen ist, an denen der Radialschieber (4 ) translatorisch geführt ist. - Nockenwellenversteller (
1 ) nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Rotorabschnitt (10 ) mit einer Verriegelungseinrichtung (22 ,23 ) versehen ist, durch die Rotor (3 ) und Stator (2 ) in einer wählbaren Drehlage durch formschlüssigen Eingriff eines im Rotor oder Stator aufgenommenen Verriegelungselements (22 ) in eine vom jeweils anderen geformte Ausnehmung drehfest verriegelbar sind. - Nockenwellenversteller (
1 ) nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Druckkammern (A, A'; B, B'), welche bei Druckbeaufschlagung eine gleichsinnige Drehverstellung des Rotors (3 ) gegenüber dem Stator (2 ) bewirken, eine gemeinsame Druckmittelversorgung aufweisen. - Nockenwellenversteller (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Radialschieber so ausgebildet ist, dass bei einer Drehung um die gemeinsame Drehachse (6 ) durch Fliehkraft eine Verstellung des Radialschiebers (4 ) in Radialrichtung bewirkt wird. - Nockenwellenversteller (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch eine inhomogene Massenverteilung von Radialschieber (4 ) und/oder Rotor (4 ). - Brennkraftmaschine mit einem Nockenwellenversteller nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE200810055837 DE102008055837A1 (de) | 2008-11-04 | 2008-11-04 | Nockenwellenversteller mit Radialschieber |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102008055837A1 true DE102008055837A1 (de) | 2010-05-06 |
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DE200810055837 Withdrawn DE102008055837A1 (de) | 2008-11-04 | 2008-11-04 | Nockenwellenversteller mit Radialschieber |
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- 2008-11-04 DE DE200810055837 patent/DE102008055837A1/de not_active Withdrawn
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