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Die
Erfindung betrifft eine Stellvorrichtung für eine Brennkraftmaschine,
insbesondere eine Nockenwellenstellvorrichtung, nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
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Aus
der
DE 102 20 687
A1 ist eine Nockenwellenstellvorrichtung mit einer Stelleinheit
und einer Arretiereinheit bekannt. Die Stelleinheit weist ein Verstellgetriebe
mit einer Standgetriebeübersetzung
auf, die so ausgelegt sind, dass durch bloßes Festsetzen einer Verstellwelle
eine Arretierstellung erreicht wird.
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Der
Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, eine besonders
ausfallsichere Stellvorrichtung bereitzustellen. Die Aufgabe wird
gelöst durch
die Merkmale des Patentanspruchs 1, wobei weitere Ausgestaltungen
der Erfindung den Unteransprüchen
entnommen werden können.
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Es
wird eine Stellvorrichtung für
eine Brennkraftmaschine, insbesondere eine Nockenwellenstellvorrichtung,
mit einer Stelleinheit vorgeschlagen, die wenigstens eine stromlose
Sensoreinheit zur Durchführung
einer Einstellung in zumindest einem Modus abhängig von einem vorliegenden
Wellenphasenwinkel einer Welle umfasst. Mittels der stromlosen Sensoreinheit,
d.h. einer Sensoreinheit, mittels der eine Sensierung ohne elektrische
Energieversorgung möglich
ist, kann eine besonders ausfallsichere Steuerung und/oder Regelung
erzielt werden, und zwar insbesondere, wenn die Stelleinheit dazu
vorgesehen ist, in dem zumindest einen Modus ein Stellmittel stromlos,
d.h. ohne elektrische Energie, zu betätigen. Es kann insbesondere
eine Steuerung und/oder Regelung zumindest weitgehend unabhängig von
einer elektrischen Stromversorgung erzielt werden. Die Sensoreinheit
kann dabei ausschließlich zur
Sensierung entsprechender Kenngrößen und/oder
insbesondere redundant zu einer weiteren, insbesondere elektronischen
Sensoreinheit vorgesehen sein. Unter einem „Wellenphasenwinkel" soll dabei insbesondere
ein Phasenwinkel einer ersten Welle zu einer zweiten Welle verstanden
werden, wie dies insbesondere bei einer von einer Kurbelwelle angetriebenen
Nockenwelle mit einer Nockenwellenstellvorrichtung auftritt.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass
die Sensoreinheit eine mechanische Abtasteinheit aufweist, wodurch diese
konstruktiv einfach, insbesondere auch unabhängig von einem vorliegenden Öldruck,
ausgeführt werden
kann. Alternativ und/oder zusätzlich
zu einer mechanischen Abtasteinheit könnte jedoch die Sensoreinheit
auch eine hydraulische Einheit zur Sensierung eines vorliegenden
Wellenphasenwinkels aufweisen.
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Ferner
wird vorgeschlagen, dass die Abtasteinheit zur Betätigung des
Stellmittels vorgesehen ist, wodurch zusätzliche Bauteile, Bauraum,
Gewicht, Montageaufwand und Kosten eingespart werden können, und
zwar insbesondere, wenn ein Abtastmittel der Abtasteinheit mit einem
Stellmittel, wie mit einer Bremseinheit, einem Ventilkolben usw.,
zumindest gekoppelt oder sogar mit demselben zumindest teilweise
einstückig
ausgeführt
ist. Bei elektrischen Stellvorrichtungen können auch mittels der Abtasteinheit
mechanische elektrische Kontakte geschaltet werden.
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Bei
einer Nockenwellenstellvorrichtung kann ein von einer Abtastkontur
gebildetes Abtastmittel drehfest mit einem Kettenrad oder auch drehfest
mit einer Nockenwelle ausgeführt
sein. Bei Nockenwellenstellvorrichtungen mit einem Summierungsgetriebe
kann ein mechanisches Abtastmittel drehfest mit einem Stelleingang
und ein mechanisches Abtastmittel drehfest mit einer Nockenwelle
verbunden sein, und/oder es kann ein mechanisches Abtastmittel drehfest
mit einem Stelleingang und ein mechanisches Abtastmittel drehfest
mit einem Kettenrad verbunden sein usw.
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Bei
der Verstellung des Wellenphasenwinkels können verschiedene, dem Fachmann
als sinnvoll erscheinende Antriebsmomente genutzt werden, wie ein
Wellenantriebsmoment, das in erster Linie dazu vorgesehen ist, die
Welle, deren Phasenwinkel verstellt werden soll, zur Übertragung
eines Antriebsmoments über
dieselbe anzutreiben, und/oder vorteilhaft ein Stellerantriebsmoment,
das in erster Linie dazu vorgesehen ist, eine Stellbewegung bzw.
eine Verstellung des Wellenphasenwinkels zu erzielen, wodurch eine
Verstellung unabhängig
von einem vorliegenden Wellenantriebsmoment erzielt werden kann.
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Ist
das Stellmittel drehfest mit der Welle gekoppelt, kann konstruktiv
einfach, mit wenigen zusätzlichen
Bauteilen, eine vorteilhafte Kopplung zwischen dem Stellmittel und
einem Sensormittel der Sensoreinheit, insbesondere mit der mechanischen Abtasteinheit,
erzielt werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass
die Stelleinheit eine einstellbare Einheit zur Erzielung einer einstellbaren Sollposition
in dem zumindest einen Modus aufweist, wodurch während des Betriebs und/oder
auch grundsätzlich
vor einer Inbetriebnahme eine Anpassung an verschiedene Randbedingungen
ermöglicht
werden kann.
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Die
erfindungsgemäße Lösung kann
bei sämtlichen,
dem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Stellvorrichtungen einer
Brennkraftmaschine eingesetzt werden, wie bei Stellvorrichtungen
zum Einstellen eines Verdichtungsverhältnisses, Stellvorrichtungen
zum Einstellen einer Wasserpumpendrehzahl, Stellvorrichtungen zum
Einstellen einer Kältemittelverdichtungseinrichtung
usw., besonders vorteilhaft jedoch bei Nockenwellenstellvorrichtungen, wodurch
ein Nockenwellenphasenwinkel über
einen großen
Bereich einstellbar und dennoch stets ein sicherer Betrieb der Brennkraftmaschine
gewährleistet ist.
Ferner ist grundsätzlich
auch denkbar, eine entsprechende Stellvorrichtung außer bei
Brennkraftmaschinen auch bei anderen, dem Fachmann als geeignet
erscheinenden Maschinen einzusetzen.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele
der Erfindung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche enthalten
zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale
zweckmäßigerweise
auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
Explosionsdarstellung einer erfindungsgemäßen Nockenwellenstellvorrichtung
mit einer Nockenwelle,
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2 eine
Schnittdarstellung durch die Nockenwellenstellvorrichtung,
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3 eine
Prinzipdarstellung einer Abtasteinheit der Nockenwellenstellvorrichtung
mit einem Abtastarm in einer ersten Stellung vor einer Sollposition,
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4 die
Abtasteinheit mit dem Abtastarm im Bereich der Sollposition,
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5 die
Nockenwellenstellvorrichtung in einer Ansicht schräg von der
Seite mit dem Abtastarm im Bereich der Sollposition,
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6 die
Abtasteinheit mit dem Abtastarm in einer zweiten Stellung vor der
Sollposition,
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7 die
Nockenwellenstellvorrichtung in der Ansicht schräg von der Seite mit dem Abtastarm in
der zweiten Stellung vor der Sollposition,
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8 eine
alternative Abtasteinheit mit einem Abtastarm in einer ersten Stellung
vor einer Sollposition,
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9 die
alternative Abtasteinheit mit dem Abtastarm in einer zweiten Stellung
vor der Sollposition und
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10 die
alternative Abtasteinheit mit dem Abtastarm in der Sollposition.
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1 zeigt
eine Nockenwellenstellvorrichtung einer Brennkraftmaschine in einer
Explosionsdarstellung mit einer Stelleinheit 10 zum Einstellen
eines Nockenwellenphasenwinkels einer Nockenwelle 12. Die
Stelleinheit 10 umfasst eine von einem Flügelzellen-Drehaktuator gebildete
hydraulische Einheit, die einen einstückig mit der Nockenwelle 12 ausgeführten Stator 15 und
einen mit einem Kettenrad 16 einstückig ausgeführten Rotor 17 aufweist (1 und 2).
Der Rotor 17 umschließt
den Stator 15 und zwischen radial nach außen weisenden Flügeln 18 des
Stators 15 und radial nach innen weisenden Flügeln 19 des
Rotors 17 sind Druckräume ausgebildet,
die auf einer der Nockenwelle 12 abgewandten Seite mit
einem Deckel 20 der hydraulischen Einheit verschlossen
sind, der drehfest mit dem Rotor 17 und damit drehfest
mit dem Kettenrad 16 verbunden ist. Durch Ansteuerung der
Druckräume
kann der Rotor 17 und damit das Kettenrad 16 relativ
zum Stator 15 und damit zur Nockenwelle 12 verdreht
werden, und damit kann der Nockenwellenphasenwinkel eingestellt
werden.
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In
einem konzentrischen Kanal 21 des Stators 15 ist
ein von einem Ventilkolben gebildetes Stellmittel 13 angeordnet.
Das Stellmittel 13 weist auf einer der Nockenwelle 12 zugewandten
Seite Steuerkanten 23 und auf einer der Nockenwelle 12 abgewandten
Seite einen Bereich 24 mit einem rechteckigen Querschnitt
auf, über
den das Stellmittel 13 mit einer in die Nockenwelle 12 bzw.
in den Stator 15 eingepressten Buchse 22 und über die
Buchse 22 drehfest mit der Nockenwelle 12 verbunden
ist. Ferner ist an das Stellmittel 13 ein sich senkrecht
zur Mittelachse der Nockenwelle 12 erstreckendes, von einem
Abtastarm gebildetes erstes Abtastmittel 14 einer mechanischen
Abtasteinheit befestigt, die einen Bestandteil einer stromlosen
Sensoreinheit 11 bildet. Die mechanische Abtasteinheit
weist neben dem ersten Abtastmittel 14 ein von einer Abtastkontur
gebildetes zweites Abtastmittel 25 auf, das einstückig an eine
der Nockenwelle 12 abgewandte Stirnseite des Deckels 20 angeformt
ist. Zur Betätigung
des Stellmittels 13 ist zum einen ein elektromagnetischer
Stellaktuator 26 vorgesehen, der mit seinem über eine Schraubendruckfeder 27 belasteten
Anker 28 auf eine der Nockenwelle 12 abgewandte
Stirnfläche 29 des
Abtastmittels 14 wirkt. Ferner dient zum anderen die Abtasteinheit
zur stromlosen Betätigung
des Stellmittels 13 in einem Modus mit deaktiviertem Stellaktuator 26.
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Im
elektronisch geregelten Betrieb ist der elektromagnetische Stellaktuator 26 bestromt
und der Anker 28 ist entgegen der Federkraft der Schraubendruckfeder 27 in
die von der Nockenwelle 12 abgewandte Richtung versetzt,
angezogen durch elektromagnetische Kräfte, in seinem Regelbereich
angeordnet. Das Stellmittel 13 ist in Richtung des Ankers 28 mit Öldruck beaufschlagt
und ist über
die Stirnfläche 29 am
Anker 28 des Stellaktuators 26 abgestützt. Anstatt
und/oder zusätzlich
zu einer Beaufschlagung mit Öldruck
könnte
das Stellmittel 13 auch mit einer Federkraft eines Federmittels
in Richtung des Ankers 28 beaufschlagt sein.
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Wird
der Stellaktuator 26 gezielt stromlos geschaltet oder wird
dessen Stromzufuhr in einem Notfall unterbrochen, beispielsweise
aufgrund eines Kabelbruchs, wird das von dem Abtastarm gebildete
Abtastmittel 14, angetrieben durch die Federkraft der Schraubendruckfeder 27,
die größer ist
als die durch den auf das Stellmittel 13 wirkenden Öldruck resultierende
Kraft, gegen das von der Abtastkontur gebildete Abtastmittel 25 gedrückt. Ist
bei der Deaktivierung des elektromagnetischen Stellaktuators 26 die
Nockenwelle 12 relativ zum Kettenrad 16 und damit
zu einer Kurbelwelle, die antriebsmäßig mit dem Kettenrad 16 gekoppelt
ist, in Richtung Früh
verstellt, kommt das von dem Abtastarm gebildete Abtastmittel 14 mit
einer ersten Anlagefläche 30 des
von der Abtastkontur gebildeten Abtastmittels 25 in Anlage (3).
Dabei wird das Stellmittel 13 in axialer Richtung in der
Weise positioniert, dass die hydraulische Einheit der Stelleinheit 10 die
Nockenwelle 12 in Stellrichtung 31 bzw. in Richtung
Spät verstellt
(4 und 5). Ein Stellerantriebsmoment
der hydraulischen Einheit wird zur Verstellung des Nockenwellenphasenwinkels
genutzt. Durch die Verstellbewegung der Nockenwelle 12 wird
das von dem Abtastarm gebildete Abtastmittel 14 in Richtung
einer Sollposition 32 bewegt.
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Im
Bereich der Sollposition 32 weist das von der Abtastkontur
gebildete Abtastmittel 25 eine Steuerrampe 33 auf,
die eine Verbindung zwischen der ersten Anlagefläche 30 und einer zweiten
Anlagefläche 34 darstellt.
Ist bei der Deaktivierung des elektromagnetischen Stellaktuators 26 die
Nockenwelle 12 relativ zum Kettenrad 16 und damit
zur Kurbelwelle in Richtung Spät
verstellt, kommt das von dem Abtastarm gebildete Abtastmittel 14 mit
der zweiten Anlagefläche 34 des
von der Abtastkontur gebildeten Abtastmittels 25 in Anlage,
die gegenüber
der ersten Anlagefläche 30 weiter
in die von der Nockenwelle 12 abgewandte axiale Richtung
verlagert ist (6 und 7). Dabei
wird das Stellmittel 13 in axialer Richtung in der Weise
positioniert, dass die hydraulische Einheit der Stelleinheit 10 die
Nockenwelle 12 in Stellrichtung 35 bzw. in Richtung
Früh verstellt
(4 und 6). Das von dem Abtastarm gebildete
Abtastmittel 14 gleitet von der Anlagefläche 34 entlang der
Steuerrampe 33 in Richtung der Anlagefläche 30 bzw. in Richtung
der Sollposition 32 und verstellt dadurch das Stellmittel 13 in
axialer Richtung, so dass sich bei einem deaktivierten elektromagnetischen Stellaktuator 26 eine
geringe Pendelbewegung um die Sollposition 32 einstellt.
Da ein leichtes Pendeln um die Sollposition 32 zugelassen
werden kann, ist eine Ausführung
ohne mechanische Arretierung bzw. Verriegelung vorzuziehen, und
zwar insbesondere, indem diese im Vergleich zu einer Nockenwellenstellvorrichtung
mit einer mechanischen Arretierung kostengünstiger ausgeführt werden
kann und Geräusche
durch spielbehaftete Arretiermittel einfach vermieden werden können.
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Um
eine einstellbare Sensoreinheit 11 zu erreichen, könnte beispielsweise
das zweite Abtastmittel 25 von einem von dem Deckel 20 getrennten
Bauteil gebildet sein, das grundsätzlich drehfest mit dem Deckel 20 und
damit mit dem Kettenrad 16 verbunden ist, jedoch zur Verstellung
der Sensoreinheit 11 und damit zur Verstellung des Nockenwellenphasenwinkels
in der Sollposition 32 relativ zum Deckel 20 verdreht
werden kann, beispielsweise mittels eines hydraulischen und/oder
elektromagnetischen Aktuators. Alternativ und/oder zusätzlich könnte auch
das Abtastmittel 14 in Umfangsrichtung verstellbar ausgeführt sein,
beispielsweise könnte
hierfür
die Buchse 22 innerhalb des Stators 15 in Umfangsrichtung einstellbar
ausgeführt
sein.
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In
den 8 bis 10 ist eine alternative Abtasteinheit
dargestellt. Im Wesentlichen gleich bleibende Bauteile sind grundsätzlich mit
den gleichen Bezugszeichen beziffert, wobei zur Unterscheidung der
Ausführungsbeispiele
den Bezugszeichen in den 8 bis 10 ein
Apostroph hinzugefügt ist.
Ferner kann bezüglich
gleich bleibender Merkmale und Funktionen auf die Beschreibung zum
Ausführungsbeispiel
in den 1 bis 7 verwiesen werden. Die nachfolgende
Beschreibung beschränkt sich
im Wesentlichen auf die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel in den 1 bis 7.
Die in den 8 bis 10 dargestellte
Abtasteinheit kann anstelle der in den 1 bis 7 dargestellten
Abtasteinheit eingesetzt werden, so dass nachfolgend in den 8 bis 10 bezüglich nicht
dargestellter Bauteile auf die Bauteile in den 1 bis 7 verwiesen
werden kann.
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Wird
bei dem Ausführungsbeispiel
in den 8 bis 10 der Stellaktuator 26 stromlos
geschaltet oder wird dessen Stromzufuhr in einem Notfall unterbrochen,
wird ein von einem Abtastarm gebildetes Abtastmittel 14', angetrieben
durch die Federkraft der Schraubendruckfeder 27 des elektromagnetischen
Stellaktuators 26, gegen ein von einer Abtastkontur gebildetes
Abtastmittel 25' gedrückt (1 und 8).
Ist bei der Deaktivierung des elektromagnetischen Stellaktuators 26 die
Nockenwelle 12 relativ zum Kettenrad 16 und damit
zur Kurbelwelle in Richtung Früh
verstellt, kommt das von dem Abtastarm gebildete Abtastmittel 14' mit einer ersten Anlagefläche 30' des von der
Abtastkontur gebildeten Abtastmittels 25' in Anlage (8). Dabei
wird das Stellmittel 13 in axialer Richtung in der Weise
positioniert, dass die hydraulische Einheit der Stelleinheit 10 die Nockenwelle 12 in
Stellrichtung 31' bzw.
in Richtung Spät
verstellt (8 und 10). Ein
Stellerantriebsmoment der hydraulischen Einheit wird zur Verstellung
des Nockenwellenphasenwinkels genutzt. Durch die Verstellbewegung
der Nockenwelle 12 wird das von dem Abtastarm gebildete
Abtastmittel 14' in
Richtung einer Sollposition 32' bewegt. In einem der Sollposition 32' zugeordneten
Bereich weist das Abtastmittel 25' eine Arretierausnehmung 36' mit konischen
Seitenrändern
bzw. Steuerrampen 38', 39' und mit einer
Fläche 37' auf, in die
das Abtastmittel 14' bei
Erreichen der Sollposition 32' einrastet und durch die Federkraft
der Schraubendruckfeder 27 in derselben gesichert ist.
Dabei liegt das Abtastmittel 14' an den konischen Seitenrändern bzw.
an den Steuerrampen 38', 39' der Arretierausnehmung 36' an, so dass
dieses spielfrei gesichert ist. In der Sollposition 32' ist das Abtastmittel 14' und damit das Stellmittel 13 gegenüber bei
einer Anlage des Abtastmittels 14' an der Anlagefläche 30' weiter in Richtung Nockenwelle 12 angeordnet,
und zwar ist das Stellmittel 13 in einer Neutralstellung
angeordnet, in der weder eine Verstellung in Richtung Früh noch eine Verstellung
in Richtung Spät
eingeleitet wird.
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Ist
bei der Deaktivierung des elektromagnetischen Stellaktuators 26 die
Nockenwelle 12 relativ zum Kettenrad 16 und damit
zur Kurbelwelle in Richtung Spät
verstellt, kommt das von dem Abtastarm gebildete Abtastmittel 14' mit einer zweiten
Anlagefläche 34' des von der
Abtastkontur gebildeten Abtastmittels 25' in Anlage, die gegenüber der
ersten Anlagefläche 30' weiter in die
von der Nockenwelle 12 abgewandte axiale Richtung verlagert
ist (9). Dabei wird das Stellmittel 13 in
axialer Richtung in der Weise positioniert, dass die hydraulische
Einheit der Stelleinheit 10 die Nockenwelle 12 in
Stellrichtung 35' bzw.
in Richtung Früh
verstellt (9 und 10). Durch
die Verstellbewegung der Nockenwelle 12 wird das von dem
Abtastarm gebildete Abtastmittel 14' in Richtung der Sollposition 32' bewegt und
rastet in der Arretierausnehmung 36' ein.
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- 10
- Stelleinheit
- 11
- Sensoreinheit
- 12
- Welle
- 13
- Stellmittel
- 14
- Abtastmittel
- 15
- Stator
- 16
- Kettenrad
- 17
- Rotor
- 18
- Flügel
- 19
- Flügel
- 20
- Deckel
- 21
- Kanal
- 22
- Buchse
- 23
- Steuerkanten
- 24
- Bereich
- 25
- Abtastmittel
- 26
- Stellaktuator
- 27
- Schraubendruckfeder
- 28
- Anker
- 29
- Stirnfläche
- 30
- Anlagefläche
- 31
- Stellrichtung
- 32
- Sollposition
- 33
- Steuerrampe
- 34
- Anlagefläche
- 35
- Stellrichtung
- 36
- Arretierausnehmung
- 37
- Fläche
- 38
- Steuerrampe
- 39
- Steuerrampe