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Die
Erfindung betrifft einen Ventiltrieb für Gaswechselventile
einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Zur
Verbesserung der thermodynamischen Eigenschaften von Brennkraftmaschinen
sind Ventiltriebe bekannt, bei denen das Arbeitsspiel beeinflusst
werden kann, um beispielsweise eine drehzahlabhängige Veränderung
der Öffnungszeiten und/oder des Hubs der Gaswechselventile
zu ermöglichen.
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Aus
der
EP 1 608 849 B1 ist
bereits ein Ventiltrieb der eingangs genannten Art für
einen Vierzylinder-Reihenmotor bekannt, bei dem die Einlassventile
und die Auslassventile der vier Zylinder mittels einer Einlassnockenwelle
bzw. einer Aslassnockenwelle gesteuert werden. Sowohl auf der Einlassnockenwelle
und auf der Auslassnockenwelle sind jeweils vier Nockenträger
drehfest und axial verschiebbar angeordnet, von denen jeder die
Einlass- bzw. Auslassventile eines Zylinders steuert. Jeder Nockenträger
weist zwei axial versetzte Nockenpaare auf, von denen jede zwei
Nocken mit verschiedenen Nockenprofilen umfasst. Durch axiale Verschiebung
des Nockenträgers auf der Nockenwelle zwischen zwei Endstellungen
kann jeweils einer der beiden Nocken jedes Nockenpaars mit einem
Schlepphebel von einem der Ventile in Anlagekontakt gebracht werden,
wodurch sich der Hub und/oder die Öffnungszeiten des Ventils
verstellen lassen. Die axiale Verschiebung jedes Nockenträgers
auf der Nockenwelle in entgegengesetzten Richtungen erfolgt mit
Hilfe von zwei Schneckentrieben an den Stirnenden des Nockenträgers.
In den beiden Endstellungen der Nockenträger werden diese
jeweils mittels einer Kugelraste gegen eine Anlagefläche
des Zylinderkopfgehäuses anliegend fixiert. Die Kugelraste
umfasst eine Schraubendruckfeder und eine Rastkugel, die in eine
radiale Sacklochbohrung der Kurbelwelle eingesetzt sind. Die Rastkugel
steht in jeder Endstellung des Nockenträgers mit einer
von zwei axial versetzten Rastrillen in der inneren Umfangsfläche
des Nockenträgers im Rasteingriff, wobei sie von der Schraubendruckfeder gegen
eine schräge Flanke der jeweiligen Rastrille angepresst
wird, um eine Axialkraft in den Nockenträger einzuleiten
und diesen dadurch gegen eine der beiden entgegengesetzten gehäusefesten
Anlageflächen anliegend zu arretieren.
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Da
die Längsmittelachse der Schraubendruckfeder unter einem
Winkel von etwa 30 Grad zur Oberfläche der Flanke der Rastrille
ausgerichtet ist, kann jedoch nur ein Teil der Federkraft der Schraubendruckfeder
in eine auf den Nockenträger einwirkende Axialkraft umgewandelt
werden, so dass die für eine gewünschte Axialkraft
erforderliche Federkraft und damit auch die von der Schraubendruckfeder
radial und einseitig in die Grundnockenwelle eingeleitete Reaktionskraft
relativ hoch ist. Infolge des vorhandenen Spiels zwischen der Grundnockenwelle und
dem Nockenträger kann dies zu einer unerwünschten
exzentrischen Verlagerung der Grundnockenwelle in Bezug zum Nockenträger
führen. Außerdem führt die von der Flanke
der Rastrille auf die Rastkugel ausgeübte Reaktionskraft
dazu, dass die Rastkugel auf der von der Flanke abgewandten Seite der
Sacklochbohrung gegen deren Rand angepresst wird, was zu einem einseitigen
Verschleiß des Bohrungsrandes führen kann.
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Ausgehend
hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Ventiltrieb
der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass mindestens
eines und bevorzugt sämtliche der vorgenannten Probleme
vermieden werden können.
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Eine
exzentrische Verlagerung der Nockenwelle kann dadurch verhindert
werden, dass die Bohrung gemäß einer ersten Erfindungsvariante
eine Durchgangsbohrung ist, in der zwei federbelastete Rastkugeln
angeordnet sind, die zweckmäßig durch eine zwischen
den beiden Rastkugeln angeordnete Schraubendruckfeder gegen zwei
entgegengesetzte Abschnitte des inneren Umfangs des Nockenträgers angepresst
werden. Dadurch kann die Einleitung einer einseitigen Kraft in die
Grundnockenwelle und damit auch eine exzentrische Verlagerung derselben vermieden
werden.
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Während
in jeder der beiden Endstellungen des Nockenträgers vorteilhaft
eine der beiden federbelasteten Rastkugeln in eine Rastvertiefung
im inneren Umfang des Nockenträgers eingreift und gegen
eine schräge Flanke der Rastvertiefung angepresst wird,
um eine Axialkraft in den Nockenträger einzuleiten und
diese gegen eine Anschlagfläche des Zylinderkopfgehäuses
anzupressen, wird die jeweils andere der beiden federbelasteten
Rastkugeln zweckmäßig gegen einen zylindrischen
Oberflächenabschnitt des inneren Umfangs des Nockenträgers angepresst.
Dadurch wird vermieden, dass von der anderen Rastkugel eine zur
Anpresskraft entgegengesetzte Kraft in den Nockenträger
eingeleitet wird.
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Grundsätzlich
könnte die Durchgangsbohrung als radiale, diametral durch
die Grundnockenwelle verlaufende Bohrung ausgebildet sein, in welchem
Fall die beiden Rastkugeln ähnlich wie beim eingangs genannten
Stand der Technik gemäß
EP 1 608 849 B1 in den beiden
Endstellungen des Nockenträgers jeweils mit einer von zwei
im axialen Abstand voneinander im inneren Umfang des Nockenträgers
ausgesparten, zweckmäßig in Form von Rastnuten
ausgebildeten Rastvertiefungen in Eingriff gebracht würden.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung und für sich patentbegründende
Erfindungsvariante sieht dagegen vor, dass die Längsmittelachse der
Bohrung einen Winkel von ungleich 90 Grad mit der Drehachse der
Grundnockenwelle einschließt und vorzugsweise senkrecht
zu einer schrägen Flanke einer Rastvertiefung des Nockenträgers
ausgerichtet ist, gegen welche die mindestens eine Rastkugel in
den Endstellungen des Nockenträgers angepresst wird.
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Dadurch
kann zum einen die in Richtung der Längsmittelachse der
Bohrung wirkende Federkraft optimal ausgenutzt werden und zum anderen
eine von der Rastkugel auf den Rand der Bohrung ausgeübte
Reaktionskraft minimiert und dadurch ein Verschleiß des
Randes der Sacklochbohrung verhindert werden.
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Diese
schräge Bohrung könnte zwar grundsätzlich
wie beim eingangs genannten Stand der Technik gemäß
EP 1 608 849 B1 als
Sachlockbohrung ausgebildet sein und eine einzige federbelastete
Rastkugel enthalten. Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der
Erfindung sieht jedoch eine Kombination der Merkmale der beiden
Erfindungsvarianten vor, indem eine schräge Durchgangsbohrung
und zwei in die Durchgangsbohrung eingesetzte Rastkugeln verwendet
werden, von denen in jeder Endstellung des Nockenträgers
jeweils eine gegen eine gegenüberliegende schräge
Flanke der Rastvertiefung angepresst wird. Diese Kombination verhindert
nicht nur eine exzentrische Verlagerung der Nockenwelle und eine
Belastung des Randes der Bohrung, sondern kommt darüber
hinaus gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung mit einer einzigen Rastvertiefung in Form einer umlaufenden Rastnut
im inneren Umfang des Nockenträgers aus.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass
die Längsmittelachse der Bohrung mit der Drehachse der
Grundnockenwelle einen Winkel zwischen 45 und 80 Grad und vorzugsweise
von etwa 60 Grad einschließt, während die schräge
Flanke der Rastvertiefung an derjenigen Stelle, an der die mindestens
ein Rastkugel in den Endstellungen des Nockenträgers gegen
die Flanke angepresst wird, mit der Drehachse der Grundnockenwelle
einen Winkel von etwa 30 Grad einschließt, das heißt
einen Winkel, der sich mit dem zuvor genannten Winkel zu etwa 90
Grad ergänzt.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
teilweise weggeschnittene Ansicht eines Teils eines Ventiltriebs
von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine mit einer Grundnockenwelle
und einem auf der Grundnockenwelle verschiebbaren Nockenträger;
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2 eine
teilweise weggeschnittene und geschnittene perspektivische Ansicht
eines Teils des Nockenträgers und der Grundnockenwelle
aus 1;
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3 eine
Längsschnittansicht des Teils des Nockenträgers
und der Grundnockenwelle aus 2;
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4a bis 4c Längsschnittansichten des
Teils des Nockenträgers und der Grundnockenwelle aus 2 und 3 beim
Verschieben des Nockenträgers zwischen seinen beiden Endstellungen.
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Der
in der Zeichnung nur teilweise dargestellte Ventiltrieb 1 von
Einlass- oder Auslassventilen 2 von Zylindern einer Brennkraftmaschine
(nicht dargestellt) gestattet es, den Hub und/oder die Öffnungszeiten
der Ventile 2 jedes Zylinders unabhängig vom Hub
und/oder den Öffnungszeiten der Ventile 2 der übrigen
Zylinder einer Zylinderbank zum Beispiel drehzahlabhängig
zu verstellen.
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Der
Ventiltrieb 1 umfasst dazu eine obenliegende, an ihren
Stirnenden (nicht dargestellt) in einem Zylinderkopfgehäuse
der Brennkraftmaschine drehbar gelagerte Grundnockenwelle 3,
auf der für jedes Paar von Ventilen 2 ein Nockenträger 4 drehfest
und axial verschiebbar auf der Grundnockenwelle 3 montiert
ist. Der Veritiltrieb 1 umfasst weiter für jeden
Nockenträger 4 zwei Aktuatoren 5, mit
denen sich der Nockenträger 4 auf der Grundnockenwelle 3 zwischen
zwei im axialen Abstand voneinander angeordneten definierten Endstellungen
verschieben lässt.
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Der
hohlzylindrische Nockenträger 4 weist an seinem äußeren
Umfang jeweils zwei im axialen Abstand voneinander angeordnete Paare
von Nocken 6, 7 und 8, 9 auf,
wobei die beiden Nocken 6, 7 bzw. 8, 9 jedes
Nockenpaars unterschiedliche Konturen besitzen. Jedes der beiden
Paare von Nocken 6, 7 und 8, 9 wirkt
mit einer Rolle 10 eines schwenkbar gelagerten Rollenschlepphebels 11 des
zugehörigen Ventils 2 zusammen. Zur Veränderung
des Hubs und/oder Öffnungszeit der Ventile 2 kann
durch ein axiale Verschiebung des Nockenträgers 4 in
eine der Endstellungen nach Bedarf einer der beiden Nocken 6, 7 bzw. 8, 9 jedes
Nockenpaars mit der Rolle 10 des zugehörigen Rollenschlepphebels 11 in
Anlagekontakt gebracht werden, so dass sich die Rolle 10 während
jeder Umdrehung der Grundnockenwelle 3 einmal über
die Kontur des gegen die Rolle 10 anliegenden Nockens 6 oder 7 bzw. 8 oder 9 hinwegbewegt und
den Rollenschlepphebel 11 entsprechend der Kontur des Nockens 6 oder 7 bzw. 8 oder 9 verschwenkt.
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Die
Nocken 6, 7 bzw. 8, 9 der beiden
Nockenpaare sind jeweils beiderseits eines zylindrischen Abschnitts 12 des
Nockenträgers 4 angeordnet, dessen Umfangsfläche 13 eine
Lagerfläche eines zur Lagerung der Grundnockenwelle 3 zwischen ihren
Stirnenden dienenden Gleitlagers 14 bildet, durch das sich
der Nockenträger 4 drehbar und axial verschiebbar
hindurch erstreckt. Das Gleitlager 14 ist in einen ortsfesten
Lagerbock 15 des Zylinderkopfgehäuses eingesetzt.
Um für eine definierte Position des Nockenträgers 4 in
seinen Endstellungen zu sorgen, bilden entgegengesetzte Stirnflächen 16, 17 des Lagerbocks 15 Anschläge,
gegen die in jeder der beiden Endstellungen eine innere Stirnfläche 18 eines zum
Abschnitt 12 benachbarten Nockens 7 oder 8 anliegt,
wie in 1 am Beispiel des Nockens 7 dargestellt.
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Um
eine drehfeste und axial verschiebbare Montage der Nockenträger 4 auf
der Grundnockenwelle 3 zu ermöglichen, weisen
die hohlzylindrischen Nockenträger 4 an ihrem
inneren Umfang eine Innenverzahnung 20 auf, die mit einer
Außenverzahnung 19 auf der Grundnockenwelle 3 kämmt.
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Die
axiale Verschiebung des Nockenträgers 4 in eine
der beiden Endstellungen wird vorgenommen, wenn Grundkreisabschnitte
der Kontur der Nocken 6, 7 bzw. 8, 9 den
Rollen 10 der Rollenschlepphebel 11 gegenüberliegen.
Zur Verschiebung wird jeweils einer der Aktuatoren 5 betätigt,
um einen Mitnehmer 21 des betätigten Aktuators 5 auszufahren, in
eine gegenüberliegende links- bzw. rechtsgängige schraubenförmige
Nut 22 im äußeren Umfang des Nockenträgers 4 einzuspuren
und über eine Umdrehung der Grundnockenwelle 3 im
Eingriff mit der Nut 22 zu halten. Infolge der Bewegung
des Mitnehmers 21 durch die schraubenförmige Nut 22 wird
der Nockenträger 4 mittels des vom Mitnehmer 21 und
der Nut 22 gebildeten Schraubentriebs nach links bzw. nach
rechts in die jeweils andere Endstellung verschoben, deren Abstand
dem Mittenabstand der beiden Nocken 6, 7 bzw. 8, 9 jedes
Nockenpaars entspricht.
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Um
den Nockenträger 4 in jeder der beiden Endstellungen
gegen eine der Stirnflächen 16, 17 des
Lagerbocks 15 anliegend festzuhalten oder zu arretieren,
ist im hohlen Inneren des Nockenträgers 4 eine
Arretiereinrichtung 23 vorgesehen.
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Wie
am besten in den 2 bis 4 dargestellt, ist
die Arretiereinrichtung 23 in der Nähe von einem Stirnende
des Nockenträgers 4 radial einwärts von der
schraubenförmigen Nut 22 angeordnet. Die Arretiereinrichtung 23 umfasst
eine in eine schräge Durchgangsbohrung 24 der
Grundnockenwelle 3 eingesetzte Kugelraste 25,
sowie eine mit der Kugelraste 25 zusammenwirkende radial
umlaufende Rastnut 26 an eine benachbarten inneren Umfangsabschnitt des
Nockenträgers 4.
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Die
Kugelraste 25 besteht im Wesentlichen aus zwei an den entgegengesetzten
Stirnenden der Durchgangsbohrung 24 angeordneten Rastkugeln 27, 28,
deren Außendurchmesser geringfügig kleiner als
der Innendurchmesser der Durchgangsbohrung 24 ist, sowie
einer zwischen den beiden Rastkugeln 27, 28 in
der Durchgangsbohrung 24 angeordneten vorgespannten Schraubendruckfeder 29.
Wie am besten in 3 dargestellt, übt
die Schraubendruckfeder 29 eine in Richtung der Längsmittelachse 30 der
Bohrung 24 ausgerichtete Federkraft F auf die beiden in
der Durchgangsbohrung 24 verschiebbaren Rastkugeln 27, 28 aus.
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Wie
am besten in 4a und 4c für
die beiden Endstellungen des Nockenträgers 4 dargestellt,
hält diese Federkraft F in jeder Endstellung eine der beiden
Rastkugeln 27 bzw. 28 im Eingriff mit einem der
Rastkugel 27 bzw. 28 gegenüberliegenden Abschnitt
der Rastnut 26. Dabei wird die Rastkugel 27 bzw. 28 gegen
eine von zwei gegenüberliegenden schrägen Flanken 31 bzw. 32 der
Rastnut 26 angepresst, wodurch über diese Rastkugel 27 bzw. 28 von der
Schraubendruckfeder 29 eine in Richtung der Drehachse 33 der
Grundnockenwelle 3 wirkende Axialkraft FA in
den Nockenträger 4 eingeleitet wird, wie in 3 dargestellt,
um diesen in der Endstellung in Richtung des Kraftpfeils gegen eine
der Stirnflächen 16, 17 des Lagerbocks 15 anzupressen
und dadurch in der jeweiligen Endstellung zu arretieren.
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Bei
dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die durch die Mitte der Grundnockenwelle 3 verlaufende
schräge Durchgangsbohrung 24 so geneigt, dass
ihre Längsmittelachse 30 die Drehachse 33 der
Grundnockenwelle 3 unter einem Winkel α von 60
Grad schneidet, wie am besten aus 3 ersichtlich
ist. Auf der anderen Seite ist bei diesem Ausführungsbeispiel
die Rastnut 26 so geformt, dass ihre beiden schrägen
Flanken 31, 32 an denjenigen Stellen, an denen
in den beiden Endstellungen des No ckenträgers 4 eine
der beiden Rastkugeln 27 oder 28 gegen die jeweils
benachbarte Flanke 32 bzw. 31 angepresst wird,
unter einem Winkel β von 30 Grad zur Drehachse 33 der
Grundnockenwelle 3 geneigt sind, wie in 3 dargestellt,
so dass die Summe der beiden Winkel α und β 90
Grad beträgt. Dadurch wird erreicht, dass die Federkraft
F der Schraubendruckfeder 29 über die Rastkugel 27 bzw. 28 zu
100% in die gegenüberliegende Flanke 32 bzw. 31 der
Rastnut 26 eingeleitet wird.
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Da
somit die Federkraft F der Schraubendruckfeder 29 vollständig
in den Nockenträger 4 eingeleitet wird, kann bei
gleicher Federkraft im Vergleich zu einer radial ausgerichteten
Kugelraste auch die auf den Nockenträger 4 einwirkende
Axialkraft FA vergrößert
oder umgekehrt die Federkraft F verkleinert werden, die zum Aufbringen
einer vorbestimmten Axialkraft FA erforderlich
ist. Außerdem wirkt die vom Nockenträger 4 an
der schrägen Flanke 31, 32 auf die Rastkugel 28 bzw. 27 ausgeübte
Reaktionskraft in Richtung der Längsmittelachse 30 der
Bohrung 24 und der Schraubendruckfeder 29 auf
die Rastkugel 28, 27 ein, so dass die Rastkugel 28, 27 anders
als bei einer radial ausgerichteten Kugelraste von der Reaktionskraft
nicht einseitig gegen den Rand der Bohrung 24 angepresst
und dieser daher nicht einseitig belastet wird. Dies führt
zu einem geringeren Verschleiß an der Wand der Bohrung 24,
so dass ggf. auf eine Härtung der gebohrten Grundnockenwelle 3 durch
Nitrierung verzichtet werden kann.
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Zudem
wird anders als bei einer in eine Sacklochbohrung der Grundnockenwelle
eingesetzten Kugelraste mit einer einzigen Rastkugel die Federkraft
F der Schraubendruckfeder 29 nicht über den Boden
der Sacklochbohrung in die Grundnockenwelle 3 eingeleitet,
sondern von den beiden Rastkugeln 27 und 28 gleichmäßig
auf Abschnitte des inneren Umfangs des Nockenträgers 4 übertragen,
die sich in Umfangsrichtung gegenüberliegen, wodurch eine
exzentrische Verlagerung des Nockenträgers 4 auf
der Grundnockenwelle 3 vermieden werden kann.
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Der
innere Umfang des Nockenträgers 4 ist so ausgebildet,
dass sich beiderseits der Rastnut 26 zylindrische Umfangsabschnitte 34, 35 anschließen, gegen
welche jeweils diejenige Rastkugel 27 bzw. 28 angepresst
wird, die nicht in die Rastnut 26 eingreift. Auf diese
Weise wird vermieden, dass von der nicht in die Rastnut 26 eingreifenden
Rastkugel 27 bzw. 28 abgesehen von einer geringen
Reibkraft eine der Axialkraft FA entgegenwirkende
Kraft in den Nockenträger 4 eingeleitet wird.
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Wenn
der Nockenträger 4 durch Betätigung eines
Aktuators 5 aus einer der beiden Endstellungen in die andere
Endstellung verschoben wird, wie durch den Pfeil in 4b und 4c für
eine Verschieberichtung beispielhaft dargestellt, wird die Schraubendruckfeder 29 der
Kugelraste 25 zwischen den beiden Endstellungen zusammengedrückt,
wie in 4b dargestellt, während
beide Rastkugeln 27 und 28 gegen den Fuß der
Flanken 32 bzw. 31 anliegen. Dies verhindert ein
unbeabsichtigtes Verschieben des Nockenträgers 4.
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- 1
- Ventiltrieb
- 2
- Ventile
- 3
- Grundnockenwelle
- 4
- Nockenträger
- 5
- Aktuator
- 6
- Nocken
- 7
- Nocken
- 8
- Nocken
- 9
- Nocken
- 10
- Rolle
- 11
- Rollenschlepphebel
- 12
- zylindrischer
Abschnitt
- 13
- Umfangsfläche
- 14
- Gleitlager
- 15
- Lagerbock
- 16
- Stirnfläche
Lagerbock
- 17
- Stirnfläche
Lagerbock
- 18
- Stirnfläche
Nocken
- 19
- Außenverzahnung
- 20
- Innenverzahnung
- 21
- Mitnehmer
- 22
- schraubenförmige
Nut
- 23
- Arretiereinrichtung
- 24
- Durchgangsbohrung
- 25
- Kugelraste
- 26
- Rastnut
- 27
- Rastkugel
- 28
- Rastkugel
- 29
- Schraubendruckfeder
- 30
- Längsmittelachse
Bohrung
- 31
- schräge
Flanke
- 32
- schräge
Flanke
- 33
- Drehachse
Grundnockenwelle
- 34
- zylindrischer
Abschnitt
- 35
- zylindrischer
Abschnitt
- F
- Federkraft
- FA
- Axialkraft
- α
- Winkel
- β
- Winkel
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1608849
B1 [0003, 0008, 0011]