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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine mit
einem hebelartigen Nockenfolger, der zur variabel einstellbaren Übertragung
einer Erhebung eines Nockens einer Nockenwelle auf ein Gaswechselventil
dient, indem der Nockenfolger sich mit einem nockenfernen Endabschnitt
auf einem Schwenklager abstützt,
das auf einer kreisbogenförmigen
Verlagerungsbahn variabel positionierbar ist, und einen nockennahen
Endabschnitt mit einer in zumindest mittelbarer Wirkverbindung mit
dem Gaswechselventil stehenden Übertragungsfläche sowie mit
einer Lagerstelle aufweist, auf welcher Lagerstelle eine Abgriffsfläche für den Nocken
drehbar gelagert ist.
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Hintergrund
der Erfindung
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Ventiltriebe
mit einem hebelartigen Nockenfolger, dessen Schwenklager zur Erzeugung
eines variablen Öffnungshubs
des Gaswechselventils auf einem Kreisbogen verlagerbar ist, sind
im Stand der Technik bekannt. So ist in der als gattungsbildend
betrachteten
EP 0 717
174 A1 ein Ventiltrieb mit einem Schwinghebel vorgeschlagen,
dessen Schwinghebelachse auf einem mit der Mittelachse der Nockenwelle
konzentrischen Kreisbogen verlagerbar ist. Die sich dabei verändernden
kinematischen Verhältnisse des
Ventiltriebs bei der Übertragung
der Erhebung des Nockens auf das Gaswechselventil führen gemäß
3 dieser Druckschrift nicht
nur zu einem variablen Maximalhub des Gaswechselventils sondern auch
zu einer erheblichen Verschiebung von dessen Steuerzeiten, d.h.
des Öffnungs-
und Schließzeitpunkts
des Gaswechselventils in Bezug auf die Winkelstellung von Nocken-
oder Kurbelwelle.
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Eine
nicht voneinander unabhängige
Veränderung
der Steuerzeiten und des Maximalhubs kann jedoch aus mehreren Gründen unerwünscht sein.
So wird die Brennkraftmaschine beispielsweise in einem leerlaufnahen
Betriebspunkt, bei dem der Restgasgehalt im Hinblick auf die Laufruhe
der Brennkraftmaschine zu minimieren ist, üblicherweise bei einer kleinen
Ventilüberschneidung
zwischen den Einlass- und den Auslassventilen sowie bei einem kleinen
Maximalhub betrieben. Demgegenüber
ist im Teillastbereich eine aus Abgasemissions- und Kraftstoffverbrauchsgründen größere Ventilüberschneidung
zur Restgasbereitstellung vorteilhaft, während jedoch der Maximalhub
des Gaswechselventils gegenüber dem
im Leerlauf eingestellten Maximalhub im wesentlichen unverändert bleiben
soll.
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Ein
weiterer nachteiliger Aspekt der genannten Abhängigkeit ist auch darin zu
sehen, dass die Richtung der Steuerzeitenverschiebung von der Drehrichtung
der Nockenwelle abhängig
ist. Dies kann bei Brennkraftmaschinen in V-Anordnung und spiegelsymmetrisch angeordneten
Ventiltrieben den unerwünschten
Effekt haben, dass die Steuerzeiten von Gaswechselventilen der einen
Zylinderbank mit abnehmendem Maximalhub in Richtung eines späten Nockenwellenwinkels
und die Gaswechselventile der anderen Zylinderbank mit abnehmendem
Maximalhub gleichzeitig in Richtung eines frühen Nockenwellenwinkels verschoben
werden. Die dann für
den Betrieb der Brennkraftmaschine zwingend erforderliche Synchronisation
der Steuerzeiten beider Zylinderbänke wäre grundsätzlich zwar durch eine überlagerte
Winkelverstellung einer oder beider Nockenwellen beispielsweise
durch Einsatz eines Nockenwellenverstellers möglich, würde jedoch aufgrund der erheblichen
und entgegen gesetzten Steuerzeitenverschiebungen einen außerordentlich
großen
und in die Praxis nur sehr aufwändig
umzusetzenden Verstellbereich des Nockenwellenverstellers bedingen.
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Aufgabe
der Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, einen Ventiltrieb der vorgenannten Art
zu schaffen, bei welchem die zitierten Nachteile beseitigt sind.
Demnach soll der Ventiltrieb eine variable Übertragung der Erhebung des
Nockens auf das Gaswechselventil derart ermöglichen, dass der Maximalhub
des Gaswechselventils stufenlos reduzierbar ist, während dessen Steuerzeiten
im wesentlichen unverändert
bleiben.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe dadurch gelöst,
dass das Zentrum der Verlagerungsbahn mit dem Drehzentrum der Lagerstelle
im wesentlichen identisch ist, wenn die Abgriffsfläche mit einem
erhebungsfreien Grundkreis des Nockens zusammenwirkt. Aufgrund der
sich hieraus ergebenden kinematischen Verhältnisse zwischen dem Grundkreis
des Nockens und der Abgriffsfläche
des Nockenfolgers bleiben die Winkelposition der Abgriffsfläche gegenüber dem
Nocken und somit die Steuerzeiten des Gaswechselventils bei einer
Positionsänderung
des Schwenklagers auf seiner Verlagerungsbahn konstant. Die bei
Veränderung
des Maximalhubs allenfalls geringfügig auftretende Verschiebung der
Ventilhubspreizung, unter welcher der Nockenwellenwinkel des Maximalhubs
bezogen auf eine obere Totpunktlage der Kurbelwelle zu verstehen
ist, kann bei Bedarf vergleichsweise aufwandsarm durch den Einsatz
eines Nockenwellenverstellers kompensiert werden.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung soll der Nockenfolger
einen den nockenfernen Endabschnitt mit dem nockennahen Endabschnitt verbinden den
Bodenabschnitt mit einer dem Nocken abgewandten Unterseite aufweisen,
auf welcher die eine um das Drehzentrum der Lagerstelle kreisbogenförmig verlaufende
Kontur aufweisende Übertragungsfläche angeordnet
ist. Dabei kann der Nockenfolger mit vom Bodenabschnitt ausgehenden
sowie dem Nocken zugewandten Seitenwänden einen im wesentlichen
U-förmigen
Querschnitt aufweisen, wobei die Lagerstelle als in Bohrungen der
Seitenwände gelagerter
und form- und/oder kraftschlüssig
an den Seitenwänden
befestigter Bolzen und die Abgriffsfläche als auf dem Bolzen gleit-
oder wälzgelagerte
Rolle ausgebildet sind.
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Der
so ausgebildete Nockenfolger stellt im Hinblick auf eine hohe Ventiltriebssteifigkeit
ein äußerst kompakt
und somit leicht bauendes Ventiltriebsbauteil mit hoher Gestaltfestigkeit
dar. Unter Berücksichtigung
der Kontaktauswanderung der Übertragungsfläche gegenüber dem
Schaftende des Gaswechselventils ist es als weitere Leichtbaumaßnahme darüber hinaus
denkbar, dass der Nockenfolger in unmittelbaren Kontakt mit dem
Schaftende des Gaswechselventils steht. Bei einer großen Kontaktauswanderung
ist alternativ aber auch der Einsatz einer zwischen der Übertragungsfläche des
Nockenfolgers und dem Schaftende des Gaswechselventils angeordneten
Komponente möglich.
Bei einer solchen Komponente kann es sich um einen linear geführten Tassenstößel oder
um einen weiteren Nockenfolger jeweils mit oder ohne hydraulisches
Ventilspielausgleichselement handeln. Der Einsatz einer gleit- oder wälzgelagerten
Rolle als Abgriffsfläche
für den
Nocken gewährleistet
außerdem
einen reibungsarmen und somit verlustarmen Betrieb des Ventiltriebs.
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Zugunsten
niedriger Herstellkosten ist es weiterhin zweckmäßig, dass der Bodenabschnitt
gemeinsam mit den Seitenwänden
spanlos aus einem einteiligen Blechrohling hergestellt ist.
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Außerdem soll
zur variablen Positionierung des Schwenklagers auf der Verlagerungsbahn
zumindest ein Lenker vorgesehen sein, der benachbart zu einer der
Seitenwände
des Nockenfolgers verläuft,
einenends mit dem Schwenklager verbunden ist und anderenends eine
Eingriffskontur aufweist, mittels welcher der Lenker um das Zentrum
der Verlagerungsbahn antreibbar ist. Der Nockenfolger bildet in
Verbindung mit einem solchen Lenker eine kompakte, platzsparend
und drehsteif zu positionierende Baueinheit.
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Schließlich kann
das Schwenklager als an der zum Lenker benachbarten Seitenwand befestigter
und parallel zum Bolzen verlaufender weiterer Bolzen ausgebildet
sein, welcher weitere Bolzen einen über die Seitenwand überstehenden
Endabschnitt als Anlenkpunkt für
den Lenker aufweist. Alternativ ist beispielsweise aber auch die
Verwendung von Abstützelementen,
wie sie als solche von konventionellen Schlepphebel-Ventiltrieben
mit oder ohne hydraulischen Ventilspielausgleich her bekannt sind,
als Schwenklager möglich,
wenn solche Abstützelemente
um geeignete Mittel zu deren Verlagerung erweitert werden würden.
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Kurze
Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung ist anhand der beiliegenden Zeichnungen, in denen das
kinematische Grundprinzip sowie ein Ausführungsbeispiel des Ventiltriebs dargestellt
sind, näher
erläutert.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche
Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist. Es zeigen:
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1 ein
kinematisches Ersatzbild des Ventiltriebs bei einem großen Maximalhub;
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2 ein
kinematisches Ersatzbild des Ventiltriebs bei einem kleinen Maximalhub;
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3 eine
mit dem Ventiltrieb erzeugbare Hubkurvenschar;
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4 ein
Ausführungsbeispiel
des Ventiltriebs in vereinfachter perspektivischer Darstellung bei
einem großen
Maximalhub und
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5 den
Ventiltrieb gemäß 4 bei
einem kleinen Maximalhub.
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In 1 ist
die grundlegende Kinematik eines erfindungsgemäßen Ventiltriebs 1,
der zur variabel einstellbaren Übertragung
einer Erhebung 2 eines Nockens 3 einer Nockenwelle 4 auf
ein Gaswechselventil 5 dient, zunächst für einen großen Maximalhub des Gaswechselventils 5 anhand
eines kinematischen Ersatzbildes offenbart. Ein nockennaher Endabschnitt 6 eines
hebelartigen Nockenfolgers 7 weist eine Lagerstelle 8,
auf welcher eine Abgriffsfläche 9 für den Nocken 3 drehbar
gelagert ist, sowie eine mit dem Gaswechselventil 5 in
Wirkverbindung stehende Übertragungsfläche 10 auf.
Die Betätigung des
Gaswechselventils 5 ist hierbei durch den Kontakt zwischen
der Übertragungsfläche 10 und
einer am Schaftende 11 des Gaswechselventils 5 angeordneten
Nehmerfläche 12 stark
vereinfacht dargestellt. Entsprechendes gilt auch für die das
Gaswechselventil 5 in Schließrichtung betätigenden,
zur Vereinfachung jedoch nicht dargestellten Komponenten, wie beispielsweise
die Ventilfeder.
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Der
Nockenfolger 7 stützt
sich mit einem nockenfernen Endabschnitt 13 auf einem Schwenklager 14 ab,
das zur Veränderung
des Ventilhubs in Abhängigkeit
eines Betriebspunkts der Brennkraftmaschine auf einer kreisbogenförmigen Verlagerungsbahn 15 variabel
positionierbar ist. Die Betätigung des
Gaswechselventils 5 in Öffnungs-
und Schließrichtung
erfolgt in an sich bekannter Weise dadurch, dass die auf dem gestrichelt
dargestellten Kreis 16 umlaufende Erhebung 2 des
Nockens 3 den Nockenfolger 7 um das Schwenklager 14 in
die gestrichelt dargestellte Position verdreht und der Hub der Übertragungsfläche 10 in
Hubrichtung des Gaswechselventils 5 auf dieses übertragen
wird. Dadurch, dass die Übertragungsfläche 10 eine
um das Drehzentrum 17 der Lagerstelle 8 kreisbogenförmige Kontur 18 aufweist,
kann die Mittelpunktsbewegung der Übertragungsfläche 10 in
eine dem Ventilhub entsprechende erste Wegkomponente 19 und
eine zweite, zur Hubrichtung des Gaswechselventils 5 orthogonale
Wegkomponente 20 zerlegt werden. Wie aus 1 ersichtlich,
ist bei der dargestellten Position des Schwenklagers 14 auf
der Verlagerungsbahn 15 diese zweite Wegkomponente 20 vergleichsweise klein,
so dass die von der Erhebung 2 des Nockens 3 erzeugte
Schwenkbewegung des Nockenfolgers 7 größ tenteils in Hubrichtung des
Gaswechselventils 5 entsprechend einem großen Maximalhub
wirksam ist.
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Eine
hiervon abweichende Übertragung
der Erhebung 2 des Nockens 3 auf das Gaswechselventil 5 ist
in 2 anhand des kinematischen Ersatzbildes des Ventiltriebs 1 mit
veränderter
Position des Schwenklagers 14 auf der Verlagerungsbahn 15 dargestellt.
Der gegenüber 1 reduzierte
Maximalhub des Gaswechselventils 5 ergibt sich dadurch, dass
die Mittelpunktsbewegung der Übertragungsfläche 10 bei
der gestrichelt dargestellten Schwenkbewegung des Nockenfolgers 7 nunmehr
eine vergleichsweise kleine, dem Ventilhub entsprechende erste Wegkomponente 19 und
eine nun deutlich größere zweite
Wegkomponente 20 orthogonal zur Hubrichtung des Gaswechselventils 5 aufweist.
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Eine
für die
Funktion des Ventiltriebs 1 wesentliche Eigenschaft besteht
weiterhin darin, dass das Zentrum der Verlagerungsbahn 15 mit
dem Drehzentrum 17 der Lagerstelle 8 im wesentlichen
identisch ist, wenn die Abgriffsfläche 9 mit einem erhebungsfreien
Grundkreis 21 des Nockens 3 zusammenwirkt. Dies
ist Voraussetzung dafür,
dass eine Positionsänderung
des Schwenklagers 14 auf der Verlagerungsbahn 15 ohne
Einfluss auf die Lage des Drehzentrums 17 der Lagerstelle 8 und
somit auf die Lage des Kontaktpunkts der Abgriffsfläche 9 gegenüber dem
Grundkreis 21 ist. Da gleichzeitig der Mittelpunkt 22 der Übertragungsfläche 10 mit
dem Drehzentrum 17 der Lagerstelle 8 identisch
ist, rollt bei einer Verlagerung des Schwenklagers 14 auf
der Verlagerungsbahn 15 die Übertragungsfläche 10 auf
der Nehmerfläche 12 gleichsam
ab, ohne die in Hubrichtung wirksame erste Wegkomponente 19 zu
erzeugen. Insofern wird das Gaswechselventil 5 auch bei einer
Verlagerung des Schwenklagers 14 weder in Öffnungs-
noch in Schließrichtung
betätigt,
wenn die Abgriffsfläche 9 mit
dem Grundkreis 21 des Nockens 3 zusammenwirkt.
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Letzterer
Sachverhalt ist wiederum Voraussetzung für die erfolgreiche Integration
eines hydraulischen Ventilspielausgleichselements in den Ventiltrieb 1.
Ein solches Ventilspielausgleichselement kann beispielsweise in
einem längsbeweglich
geführten
Tassenstößel integriert
sein und in an sich bekannter Weise auf das Schaftende 11 des
Gaswechselventils 5 einwirken. Gleichzeitig würde die
Nehmerfläche 12 durch
den Tassenboden des Tassenstößels gebildet
sein, um der Auswanderung der Übertragungsfläche 10 auf
der Nehmerfläche 12, entsprechend
der zweiten Wegkomponente 20 orthogonal zur Hubrichtung
des Gaswechselventils 5, gerecht zu werden. Alternativ
besteht jedoch auch die Möglichkeit,
das Schwenklager 14 als an sich bekanntes hydraulisches
Abstützelement
auszubilden, das mit geeigneten Zusatzmitteln auf der Verlagerungsbahn 15 positionsvariabel
auszustatten wäre.
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Eine
mit dem Ventiltrieb 1 erzeugbare Hubkurvenschar ergibt
sich aus dem Diagramm nach 3, in dem Öffnungsverläufe des
Gaswechselventils 5 mit unterschiedlichem Maximalhub L über der Winkelstellung °C des Nockens 3 dargestellt
sind. So würde
beispielsweise die in 1 dargestellte Position des
Schwenklagers 14 mit dem mit a bezeichneten Öffnungsverlauf
und einem großen
Maximalhub korrespondieren, während
die in 2 dargestellte Position des Schwenklagers 14 zu
dem mit b bezeichneten Öffnungsverlauf
mit kleinerem Maximalhub führt.
Aus dem Diagramm geht weiterhin hervor, dass die Steuerzeiten, d.h.
die Öffnungs-
und Schließzeitpunkte
des Gaswechselventils 5, unabhängig vom jeweiligen Maximalhub
L konstant bleiben. Wie bereits vorstehend erläutert, wird eine Verschiebung
der Steuerzeiten dadurch verhindert, dass der Kontaktwinkel der
Abgriffsfläche 9 gegenüber dem
Grundkreis 21 des Nockens 3 bei einer Verlagerung
des Schwenklagers 14 unverändert bleibt. Eine geringfügige und
von den konkreten kinematischen Verhältnissen des Ventiltriebs 1 abhängige Verschiebung
der Ventilhubspreizung resultiert daher, dass der Maximalhub L bei
unterschiedlichen Winkelstellungen °C des Nockens 3 entsprechend
Größe und Richtung
der zweiten Wegkomponente 20 erreicht wird. Bei Bedarf
kann diese Verschiebung der Ventilhubspreizung jedoch vergleichsweise
aufwandsarm durch den Einsatz eines Nockenwellenverstellers, der
zur vom Maximalhub L unabhängigen
Veränderung
der Steuerzeiten ohnehin sinnvoll einsetzbar ist, ausgeregelt werden.
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Ein
konstruktives Ausführungsbeispiel
des in den 1 und 2 anhand
des kinematischen Ersatzbildes erläuterten Ventiltriebs 1 ist
in den 4 und 5 offenbart. Der Ventiltrieb 1 befindet
sich jeweils in der Stellung des maximal geöffneten, jedoch nicht vollständig dargestellten
Gaswechselventils 5. Dabei wird in der in 4 gezeigten
Stellung der in 3 mit a bezeichnete Öffnungsverlauf
mit großem Maximalhub
erzeugt, während
der in 5 erzeugte Maximalhub dem Öffnungsverlauf b der 3 entspricht.
Verantwortlich hierfür
ist die in den 4 und 5 unterschiedliche
Position des Schwenklagers 14, das auf seiner hier nicht
dargestellten Verlagerungsbahn 15 stufenlos positionierbar
ist.
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Der
aus einem einteiligen Blechrohling spanlos hergestellte Nockenfolger 7 weist
mit einem Bodenabschnitt 23, der den nockenfernen Endabschnitt 13 mit
dem nockennahen Endabschnitt 6 verbindet und mit vom Bodenabschnitt 23 ausgehenden
sowie dem Nocken 3 zugewandten Seitenwänden 24 einen im wesentlichen
U-förmigen
Querschnitt auf. Die Lagerstelle 8 für die als gleit- oder wälzgelagerte
Rolle 25 ausgebildete Abgriffsfläche 9 für den Nocken 3 ist als
in Bohrungen 26 der Seitenwände 24 gelagerter und
an den Seitenwänden 24 form
und/oder kraftschlüssig
befestigter Bolzen 27 ausgebildet. Eine besonders wirtschaftliche
und bevorzugte Befestigung des Bolzens 27 besteht in einem
radialen Aufweiten der Stirnseiten des Bolzens 27 in einem
Verstemmvorgang, wie er dem Fachmann auf dem Gebiet herkömmlicher
Schlepp- oder Kipphebel bekannt ist.
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Die
in diesem Ausführungsbeispiel
das Gaswechselventil 5 unmittelbar beaufschlagende Übertragungsfläche 10 des
Nockenfolgers 7 ist auf einer dem Nocken 3 abgewandten
Unterseite 28 des Bodenabschnitts 23 angeordnet
und weist die mit dem Bolzen 27 konzentrische, kreisbogenförmig verlaufende
Kontur 18 auf.
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Das
Schwenklager 14 ist als weiterer Bolzen 29 ausgebildet,
der ebenfalls an den Seitenwänden 24 befestigt
ist und parallel zu dem Bolzen 27 für die Rolle 25 verläuft. Zur
variablen Positionierung des Schwenklagers 14 auf seiner
Verlagerungsbahn 15 dienen zu beiden Seitenwänden 24 benachbart
verlaufende Lenker 30. Als Anlenkpunkt für die Lenker 30 dient
jeweils ein über
eine Sei tenwand 24 überstehender
und den zugehörigen
Lenker 30 lagernder Endabschnitt 31 des weiteren
Bolzens 29.
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Zum
drehsteifen Antrieb jedes Lenkers 30 dient eine Eingriffskontur 32,
die in diesem Ausführungsbeispiel
als ein zur Nockenwelle 4 achsparallel verlaufender und
mit einem nicht dargestellten Verstellantrieb verbindbarer Zapfen 33 ausgebildet
ist. Gemäß den Erläuterungen
der 1 und 2, wonach die Verlagerungsbahn 15 konzentrisch
mit dem Bolzen 27 für
die Rolle 25 ist, wenn die Rolle 25 mit dem erhebungsfreien
Grundkreis 21 des Nockens 3 zusammenwirkt, ist
auch der Zapfen 33 dann mit dem Bolzen 27 konzentrisch,
wenn die Abgriffsfläche 9 mit dem
Grundkreis 21 zusammenwirkt. Der Zapfen 33 kann
auf beliebige, dem Fachmann bekannte Arten der Welle-Nabe Verbindungen
mit dem Verstellantrieb verbunden werden. Alternativ kann der Zapfen 33 auch
durch eine Ausnehmung im Lenker 30 ersetzt werden, in welche
der Verstellantrieb mit komplementären Außenkonturen eingreift.
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Als
Verstellantrieb kommen ebenfalls beliebige und dem Fachmann bekannte
Antriebe in Frage. Hierzu zählen
bevorzugt elektromechanische und elektrohydraulische Antriebe, die
als selektive Einzelantriebe oder eine Gruppe von Nockenfolgern
gemeinsam betätigende
Antriebe ausgebildet sein können.
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- 1
- Ventiltrieb
- 2
- Erhebung
- 3
- Nocken
- 4
- Nockenwelle
- 5
- Gaswechselventil
- 6
- nockennaher
Endabschnitt
- 7
- Nockenfolger
- 8
- Lagerstelle
- 9
- Abgriffsfläche
- 10
- Übertragungsfläche
- 11
- Schaftende
- 12
- Nehmerfläche
- 13
- nockenferner
Endabschnitt
- 14
- Schwenklager
- 15
- Verlagerungsbahn
- 16
- Kreis
- 17
- Drehzentrum
der Lagerstelle
- 18
- Kontur
- 19
- erste
Wegkomponente
- 20
- zweite
Wegkomponente
- 21
- Grundkreis
- 22
- Mittelpunkt
der Übertragungsfläche
- 23
- Bodenabschnitt
- 24
- Seitenwand
- 25
- Rolle
- 26
- Bohrung
- 27
- Bolzen
- 28
- Unterseite
- 29
- weiterer
Bolzen
- 30
- Lenker
- 31
- Endabschnitt
- 32
- Eingriffskontur
- 33
- Zapfen
- L
- Maximalhub
- °C
- Winkelstellung
des Nockens