DE102007016977A1

DE102007016977A1 - Vorrichtung zum Verstellen der Hubfunktion eines nockenbetätigten Ventils

Info

Publication number: DE102007016977A1
Application number: DE102007016977A
Authority: DE
Inventors: Roland Kraft
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2007-04-10
Filing date: 2007-04-10
Publication date: 2008-10-16

Abstract

Bei einer Vorrichtung zum Verstellen der Hubfunktion eines nockenbetätigten Ventils, mit einer drehfest mit einer Kurbelwelle einer Hubkolbenbrennkraftmaschine verbindbaren Hohlwelle (12), wenigstens einer drehfest, jedoch axial verschiebbar auf der Hohlwelle angeordnete Hülse (14, 16), die mit wenigstens zwei axial unmittelbar benachbarten Nockenflächen (24, 26) zum Betätigen eines Abtastgliedes (34, 52) verbunden ist, wobei mit gleichem Radius ausgebildete Grundkreisbereiche (28) der Nockenflächen einander unmittelbar benachbart sind und Erhebungsbereiche unterschiedlich sind, und einer Verstelleinrichtung, mittels der die Hülse axial derart verschiebbar ist, dass das Abtastglied von der Abtastung einer Nockenfläche auf die Abtastung der anderen Nockenfläche axial relativ zu den Nockenflächen bewegbar ist, ist die Verstelleinrichtung (40, 56, 58) zumindest teilweise innerhalb der Hohlwelle (12) angeordnet und ist die auf der Hohlwelle angeordneten Hülse (14, 16) von innerhalb der Hohlwelle aus verschiebbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verstellen der Hubfunktion eines nockenbetätigten Ventils.
Unter Hubfunktion wird im Folgenden der Hub verstanden, den ein Ventil in Abhängigkeit von der Drehstellung einer Nockenwelle bzw. in Abhängigkeit von der Stellung eines Kolbens macht, der mit der Nockenwelle über ein Pleuel verbunden ist. Der Ventilhub bestimmt den Öffnungsquerschnitt einer von dem Ventil öffen- bzw. schließbaren Einlass- oder Auslassöffnung. Die Abhängigkeit des Öffnungsquerschnitts von der Drehstellung der Kurbelwelle hat maßgeblichen Einfluss auf die Füllung einer Arbeitskammer im Zylinder einer Brennkraftmaschine, die an den Kolben grenzt und deren Füllung bzw. Entleerung über die Öffnung wenigstens eines Einlassventils und wenigstens eines Auslassventils gesteuert wird.
Breitbandig in Serie befinden sich inzwischen sogenannte Phasensteller, mit denen die Phase zwischen der Drehstellung der Kurbelwelle und einer von der Kurbelwelle drehangetriebenen Nockenwelle beispielsweise an unterschiedliche Drehzahlen der Brennkraftmaschine anpassbar ist. Erst vereinzelt in Serie befinden sich Vorrichtungen, mit denen auch die Hubfunktion eines nockenbetätigten Ventils an jeweilige Betriebs- bzw. Lastzustände der Brennkraftmaschine angepasst werden kann. Mit solchen Hubfunktionsverstellvorrichtungen lassen sich der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine, deren Leistungsentfaltung und die Abgasqualität verbessern.
Im Oberbegriff des Anspruchs 1 wird von einer Hubfunktionsverstellvorrichtung ausgegangen, wie sie in dem VDI-Bericht Nr. 1934, 2006 „Rudi valvelift system – Ein neues innovatives Ventiltriebssystem von Audi" von Seite 15 bis Seite 38 beschrieben ist. Bei dieser bekannten Hubfunktionsverstellvorrichtung werden auf eine Welle Hülsen aufgeschoben, die mit der Welle drehfest, jedoch axial verschiebbar verbunden sind. Jede Hülse weist wenigstens zwei axial unmittelbar benachbarte Nockenscheiben zum Betätigen eines einem Ventil zugeordneten Abtastgliedes auf, deren mit gleichem Radius ausgebildete Grundkreisbereiche sich zumindest teilweise überlappen und deren Nockenkonturen unterschiedlich sind. Zur axialen Verstellung der Nockenkonturen ist auf jeder Seite einer Hülse jeweils eine Verschiebenut angebracht, die eine axial wirkende Hubkontur aufweist. Zur Verschiebung der Hülse wird zu Beginn einer Nocken grundkreisphase über einen im Zylinderkopfrahmen eingebauten elektromagnetischen Aktor ein Stift in die Verschiebenut eingefahren. Durch die Drehung der Hülse verschiebt sich diese während der Nockengrundkreisphase entsprechend der axialen Hubkontur, so dass am Ende der Grundkreisphase das Abtastglied in Anlage am Grundkreis der jeweils anderen Nockenscheibe ist. Die Rückverschiebung der Hülse in ihre Ausgangslage erfolgt in gleicher Weise durch Aktivierung eines zweiten Aktors, der in eine weitere Verschiebenut der Hülse eingreift. Die mit den Verschiebenuten und den Nockenscheiben ausgebildeten Hülsen sind verhältnismäßig schwere und aufwendig zu fertigende Bauteile, die das Trägheitsmoment des Nockentriebs und dessen Kosten erhöhen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung dahingehend weiter zu entwickeln, dass ihr Aufbau vereinfacht ist und die Hubverstellung zu keiner wesentlichen Erhöhung des Trägheitsmoments des Nockentriebs führt.
Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gemäß dem Anspruch 1 gelöst.
Dadurch, dass erfindungsgemäß die Verstellvorrichtung von innerhalb der Nockenwelle mit der auf die Nockenwelle aufgesetzten Hülse zusammenwirkt, kann die Hülse in ihrem Aufbau vereinfacht sein und wird das Trägheitsmoment des Nockentriebs gegenüber herkömmlichen, nicht hubverstellbaren Nockentrieben nur unwesentlich erhöht, so dass dessen Ansprechverhalten und die Drehzahlfestigkeit nicht nachteilig beeinflusst werden.
Die Unteransprüche sind auf vorteilhafte Ausführungsform und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung gerichtet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung, die platzsparend baut, kann nachträglich an vielerlei Hubkolbenbrennkraftmaschinen angebracht werden oder sie kann von vornherein in neue Brennkraftmaschinen einkonstruiert werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer schematischen Zeichnung beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
1 zeigt einen Schnitt durch eine „Nockenwelle" mit Elementen zur Steuerung der Hubfunktionsverstellung.
2 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines in Anlage an einer Nockenscheibe befindlichen Abtastgliedes.
Gemäß 1 weist eine insgesamt mit 10 bezeichnete „Nockenwelle" eine Hohlwelle 12 auf, die gegebenenfalls unter Zwischenanordnung eines Phasenstellers von einer nicht dargestellten Kurbelwelle drehangetrieben ist. Auf die Hohlwelle 12 sind gegenseitig axial beabstandet zwei Hülsen 14 und 16 aufgeschoben, die jeweils beispielsweise mittels einer Keilverzahnung 18 bzw. 20 drehfest und axial verschiebbar mit der Hohlwelle 12 verbunden sind. Im Folgenden wird zunächst nur die weitere Ausgestaltung der gemäß 1 rechten Hülse 14 beschrieben.
Die Hülse 14 ist starr mit einem Nockenring 22 verbunden, der zwei axial unmittelbar benachbarte umlaufende Nockenkonturen bzw. Nockenflächen 24 und 26 aufweist. Die Nockenflächen 24, 26 haben einen gemeinsamen Grundkreisbereich 28, der in mit unterschiedlichem Hub und/oder unterschiedlicher Umfangswinkelerstreckung ausgebildete Erhebungsbereiche 30 und 32 übergeht. Im dargestellten Beispiel ist der Erhebungsbereich 30 mit geringerer Höhe als der Erhebungsbereich 32 ausgebildet, so dass der Erhebungsbereich 30 beispielsweise einem Teillastnocken entspricht und der Erhebungsbereich 32 einem Volllastnocken entspricht. Jeweils eine der Nockenflächen 24 bzw. 26 wird von einem Abtastglied 34 abgetastet, das beispielsweise als Rollenschlepphebel, Kipphebel oder sonstwie in an sich bekannter Weise ausgebildet ist und ein Ladungswechselventil der Brennkraftmaschine betätigt.
Die Hülse 14 ist mittels eines oder mehrerer in Umfangsrichtung gleichmäßig beabstandeter radial gerichteter, beispielsweise bolzenförmiger Übertragungsglieder 36 durch in der Hohlwelle 12 ausgebildete Langlöcher 37 hindurch mit einer Übertragungshülse 38 verbunden, die einen sich axial durch die Hohlwelle 12 erstreckenden Betätigungsstab 40 umgibt. Die Übertragungshülse 38 weist eine der Anzahl der Übertragungsglieder 36 entsprechende Anzahl von Ansätzen 42 auf, in denen Sacklöcher zur spielfreien Aufnahme jeweils eines Übertragungsgliedes 36 ausgebildet sind.
Die Übertragungshülse 38 ist an beiden Stirnseiten mit einem radial einwärts vorstehenden Flansch 44 versehen, der die Übertragungshülse 38 axial an dem Betätigungsstab 40 führt. Innerhalb der Übertragungshülse 38 ist ein Hohlraum gebildet, in dem zwei Druckfedern 46 angeordnet sind, von denen sich je eine zwischen einem der Flansche 44 und einem starr mit dem Betätigungsstab 40 verbundenen Ringflansch 48 abstützt, so dass die Übertragungshülse 38 bezogen auf den Ringflansch 48 in eine mittlere Ruhestellung vorgespannt ist.
Die vorstehend beschriebene Ausbildung der Hülse mit dem Nockenring 22 und die Kopplung mit dem Betätigungsstab 40 ist in gleicher Weise bei der Hülse 16 vorhanden und wird nicht nochmals beschrieben.
Der mit der Hülse 16 starr verbundene Nockenring 50 ist in gleicher Weise wie der Nockenring 22 ausgebildet, jedoch relativ zum Nockenring 22 um 180 Grad versetzt, so dass ein Abtastglied 52, das den Nockenring 50 abtastet, sich auf der Nockenerhebung befindet, wenn sich das Abtastglied 34 an einem Grundkreis befindet.
Der Betätigungsstab 40 ist innerhalb der Hohlwelle 12 axial verschiebbar. Dazu ist der Betätigungsstab 40 an seinem gemäß der 1 rechten Ende mit einer Platte versehen, zwischen der und einem starr mit der Hohlwelle 12 verbundenen Abschlussdeckel 54 sich eine Druckfeder 56 abstützt, die den Betätigungsstab 40 gemäß 1 nach links vorspannt. Der starr mit der Hohlwelle 12 verbundene Abschlussdeckel 54 kann mit einer Außenverzahnung bzw. einer Umfangsfläche ausgebildet sein, die eine Eingriffsfläche für einen Zahnriemen bildet, der die Hohlwelle 12 drehfest mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbindet.
Am gemäß 1 linken Ende des Betätigungsstabes 40 ist ein Kolben 56 ausgebildet, der einen Zylinderraum 58 begrenzt, der an einer starr mit der Hohlwelle 12 verbundenen linksseitigen Stirnwand 60 der Hohlwelle 12 ausgebildet ist.
Der Zylinderraum 58 kann über ein Steuerventil 62 wahlweise mit der Druckseite einer Hydraulikpumpe 64 oder einer Rücklaufleitung 66 verbunden sein. Die Hydraulikpumpe 64 saugt Hydraulikmittel aus einem Hydraulikvorrat 68 an. Die Rücklaufleitung 66 führt zurück in den Hydraulikmittelvorrat 68.
Zur Steuerung der beschriebenen Anordnung ist eine elektronische Steuereinrichtung 70 vorgesehen, deren Eingänge 72 mit Sensoren verbunden sind, die den Betriebszustand der nicht dargestellten Brennkraftmaschine beispielsweise anhand von deren Drehzahl, der Stellung eines Laststellgliedes usw. erfassen. Ausgänge 74 der Steuereinrichtung 70 sind beispielsweise mit dem Steuerventil 62 und der Hydraulikpumpe 64 verbunden.
Die beschriebene Anordnung kann montiert werden, indem der Betätigungsstab 40 mit an ihm angebrachten Übertragungshülsen und darin aufgenommenen Druckfedern 46 (einer der Flansche 44 kann mit der Übertragungshülse verschraubt sein) in die Hohlwelle 12 eingeschoben wird, wobei der Kolben 56 in den Zylinderraum 58 eingeschoben wird. Anschließend werden die Hülsen 14 und 16 auf die Hohlwelle 12 aufgeschoben und die Übertragungsglieder 36 durch Durchgangsbohrungen der Hülsen und die Langlöcher 37 der Hohlwelle 12 hindurch in die Ansätze 42 eingesetzt. Anschließend werden die Nockenringe 22 und 50 auf die Hülsen aufgeschoben und in richtiger Positionierung starr mit den Hülsen verbunden. Es versteht sich, dass die Hülsen 16 auch mit axialen Nuten versehen sein können, so dass sie auf die in die Ansätze 42 eingeschobenen Übertragungsglieder 36 aufgeschoben werden können, wobei die Übertragungsglieder in den Nuten anschließend mit geeigneten Mitteln festgesetzt werden.
Abschließend wird der Abschlussdeckel 54 mit der eingesetzten Druckfeder 56 starr mit der Hohlwelle 12 verbunden.
Die Funktion der Anordnung ist wie folgt:
Es sei in der dargestellten Ausgangsposition angenommen, dass der Zylinderraum 58 drucklos ist. Der Betätigungsstab 40 wird dann von der Druckfeder 56 gemäß der Figur so weit wie möglich nach links gegen einen nicht dargestellten Anschlag innerhalb der Hohlwelle 12 bewegt. Die Abtastglieder 34 bzw. 52 tasten jeweils die gemäß der Figur rechte Nockenfläche des jeweiligen Nockenrings ab.
Wenn von der Steuerreinrichtung 70 gelieferte Signale eine Umschaltung auf die anderen Nockenflächen fordern, wird die Pumpe 64 in Betrieb gesetzt und verbindet das Steuerventil 62 die Druckseite der Pumpe mit dem Zylinderraum 58. Der Betätigungsstab 40 wird gegen die Kraft der Druckfeder 56 nach rechts bis zu einem entsprechenden nicht dargestellten Anschlag bewegt. Dasjenige der Abtastglieder 34 und 52, das sich an einem Grundkreisbereich 28 befindet, ist nur mit einer geringen Anlagekraft beaufschlagt, so dass sich der Grundkreisbereich relativ zu dem Abtastglied nach rechts bewegen kann und eine Umschaltung auf die andere Nockenfläche erfolgt.
Dasjenige Abtastglied, das beim Bewegen des Betätigungsstabes 40 nach rechts gerade einen Erhebungsbereich abtastet, ist mit einer hohen Kraft in Anlage an den Erhebungsbereich, so dass sich der Erhebungsbereich zunächst nicht relativ oder kaum zu dem Abtastglied axial bewegt. Die jeweilige Übertragungshülse bleibt somit zunächst in ihrer axialen Stellung und der Betätigungsstab 40 bewegt sich nach rechts relativ zu der Übertragungshülse. Dabei wird eine der Druckfedern 46 komprimiert und die andere der Druckfedern entlastet, so dass sich die Übertragungshülse relativ zu dem Ringflansch 48 axial bewegt. Durch die unsymmetrische Verformung der Druckfedern wirkt eine Kraft, die die Übertragungshülse 38 in die zum Ringflansch 48 symmetrische Ruhestellung zurückbewegen will. Infolge dieser Kraft wird der zugehörige Nockenring relativ zu dem jeweiligen Abtastglied axial verschoben, sobald dessen Anlagekraft an der Nockenfläche bei Annäherung an den Grundkreisbereich soweit abnimmt, dass die Kraft der Druckfedern 46 zu einer Axialverschiebung des Nockenrings relativ zu dem Abtastglied ausreicht, so dass die Verstellung auf die andere Nockenfläche erfolgt.
Wenn, von der Steuereinrichtung 70 gesteuert, wiederum auf die anderen Nockenflächen umgeschaltet werden soll, steuert das Steuerventil 62 den Zylinderraum 58 drucklos und wird die Pumpe 64 gegebenenfalls abgestellt, so dass sich der Betätigungsstab 40 unter Wirkung der Druckfeder 56 gemäß 1 nach links bewegt.
2 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung der Nockenflächen 24, 26 sowie des Abtastgliedes 34 bzw. 52. Dargestellt sind die Nockenflächen 24, 26 in einem dem Grundkreisbereich benachbarten Bereich, in denen sich ihre Erhebungen geringfügig unterscheiden. Die beiden Nockenflächen 24, 26 gehen über einen geschrägten Übergangsbereich 74 möglichst glatt ineinander über. Das Abtastglied 34 weist beispielsweise eine Abtastwalze auf, die einen zylindrischen Anlagebereich aufweist, der über gerundete Übergangsbereiche in die radial gerichteten Bereiche der Walze übergeht. Es versteht sich, dass die Abtastfläche des Abtastgliedes 34 nicht zwingend durch eine Walze bzw. Rolle gebildet sein muss, sondern die Stirnfläche des Abtastgliedes selbst entsprechend ballig gestaltet sein kann. Mit der Gestaltung gemäß 2 wird erreicht, dass eine Umschaltung zwischen den Nockenflächen 24, 26 auch in dem Grundkreisbereich benachbarten Bereichen folgen kann.
Die Anordnung, die am Beispiel eines Zweizylindermotors beschrieben wurde, wobei die Ventile der beiden Zylinder bezogen auf die Nockenwelle um 180 Grad versetzt zueinander betätigt werden, kann in vielfältiger Weise abgeändert werden:
Zur Verstellung des Betätigungsstabes 40 können unterschiedliche Mechanismen verwendet werden, beispielsweise doppelt wirkende Hydraulikzylinder (die Druckfeder 46 kann dann entfallen), in beide Richtungen wirkende Elektromagnete usw. Bei entsprechend starrer Kupplung des Betätigungsstabes 40 mit einem Aktor und rascher aktorischer betätigter Bewegung des Betätigungsstabes 40 können die Hülsen 14 bzw. 16 starr mit dem Betätigungsstab 40 verbunden sein. Bei einer solchen aktorischen Betätigung des Betätigungsstabes 40 kann beispielsweise ein außerhalb der Hohlwelle 12 angeordneter Nockenfolger in axialen Richtung starr mit dem Betätigungsstab 40 verbunden sein und eine umlaufende Nut abtasten, mittels der eine Verschiebung des Betätigungsstabes 40 nur erfolgt, wenn ein Abtastglied sich längs des Grundkreisbereiches bewegt. Es versteht sich, dass diese Ausführungsform nur möglich ist, wenn die Ventile gleichphasig betätigt werden oder mit der Nockenwelle nur ein Zylinder betätigt wird.
Die Hydraulikpumpe 64 muss nicht zwangsläufig eine gesonderte Pumpe sein. Sie kann beispielsweise die zum Aufbau des Öldrucks verwendete Pumpe der Brennkraftmaschine sein und der Zylinderraum 58 kann mit dem Systemöldruck der Brennkraftmaschine beaufschlagt werden. Dies ist insbesondere deshalb möglich, weil eine Nockenumschaltung nur bei Drehzahlen erfolgt, bei denen ein ausreichender Systemdruck gewährleistet ist. Im in 1 dargestellten Beispiel ist der hydraulikdrucklose Zustand des Systems der Zustand, in dem die Volllastnocken wirksam sind. Es versteht sich, dass das System auch derart ausgelegt werden kann, dass im drucklosen Zustand die Teillastnocken wirksam sind.
Die Nockenringe können mehr als zwei Nockenflächen aufweisen und aus einzelnen, unmittelbar benachbart an der Hülse befestigten Nockenscheiben bestehen.

10: „Nockenwelle"
12: Hohlwelle
14: Hülse
16: Hülse
18: Keilverzahnung
20: Keilverzahnung
22: Nockenring
24: Nockenfläche
26: Nockenfläche
28: Grundkreisbereich
30: Erhebungsbereich
32: Erhebungsbereich
34: Abtastglied
36: Übertragungslied
37: Langloch
38: Übertragungshülse
40: Betätigungsstab
42: Ansatz
44: Flansch
46: Druckfeder
48: Ringflansch
50: Nockenring
52: Abtastglied
54: Abschlussdeckel
56: Kolben
58: Zylinderraum
60: Stirnwand
62: Steuerventil
64: Hydraulikpumpe
66: Rücklaufleitung
68: Hydraulikmittelvorrat
70: elektronische Steuereinrichtung
72: Eingänge
74: Ausgänge

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- VDI-Bericht Nr. 1934, 2006 „Rudi valvelift system – Ein neues innovatives Ventiltriebssystem von Audi" von Seite 15 bis Seite 38 [0004]

Claims

Vorrichtung zum Verstellen der Hubfunktion eines nockenbetätigten Ventils, mit einer drehfest mit einer Kurbelwelle einer Hubkolbenbrennkraftmaschine verbindbaren Hohlwelle (12), wenigstens einer drehfest, jedoch axial verschiebbar auf der Hohlwelle angeordnete Hülse (14, 16), die mit wenigstens zwei axial unmittelbar benachbarten Nockenflächen (24, 26) zum Betätigen eines Abtastgliedes (34, 52) verbunden ist, wobei mit gleichem Radius ausgebildete Grundkreisbereiche (28) der Nockenflächen einander unmittelbar benachbart sind und Erhebungsbereiche unterschiedlich sind, und einer Verstelleinrichtung, mittels der die Hülse axial derart verschiebbar ist, dass das Abtastglied von der Abtastung einer Nockenfläche auf die Abtastung der anderen Nockenfläche axial relativ zu den Nockenflächen bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung (40, 56, 58) zumindest teilweise innerhalb der Hohlwelle (12) angeordnet ist und ist die auf der Hohlwelle angeordnete Hülse (14, 16) von innerhalb der Hohlwelle aus verschiebbar.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich axial durch die Hohlwelle (12) hindurch ein Betätigungsstab (40) erstreckt, der über eine Übertragungsbaugruppe (36, 38) mit einem Übertragungsglied (36), das sich radial durch ein in der Hohlwellenwandung ausgebildetes Langloch (37) hindurch erstreckt, mit der Hülse (14) verbunden ist und mittels eines Aktors (56, 58) axial verschiebbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsbaugruppe (36, 38) mit dem Betätigungsstab (40) mittels Federn (46) gekoppelt ist, die eine Verschiebung des Übertragungsgliedes (36) relativ zum Betätigungsstab (40) bezüglich beider axialer Bewegbarkeitsrichtungen der Hülse (14) ermöglichen und das Übertragungsglied relativ zum Betätigungsstab (40) in eine Ruhestellung vorspannen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Betätigungsstab (40) zwischen zwei Endstellungen hin- und her bewegbar ist, wobei er in die eine Endstellung von einer Feder (56) bewegbar ist und mittels eines Hydraulikzylinders (58) gegen die Kraft der Feder in die andere Endstellung bewegbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hydraulikzylinder (58) mit einem Öldruck der Hubkolbenbrennkraftmaschine beaufschlagbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenflächen (24, 26) an einem starr mit der Hülse verbundenen Nockenring (22) ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Hohlwelle (12) in axialem Abstand zwei Hülsen angeordnet sind, deren Nockenflächen gegeneinander um 180° versetzt sind und die von der Verstelleinrichtung gleichzeitig betätigt werden.