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Hintergrund der Erfindung
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Die Erfindung beschreibt eine vollvariable Hubventilsteuerung für Brennkraftmaschinen.
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Mit derartigen Ventilsteuerungen kann die Ventilöffnungszeit sowie der Ventilhub variiert werden, sodass eine drosselfreie Lastregelung der Brennkraftmaschine über die Ventilsteuerung erfolgen kann.
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Durch den Entfall der Drosselklappe kann eine erhebliche Reduktion des Kraftstoffverbrauchs, sowie eine verbesserte Leistung bzw. ein höheres Drehmoment erreicht werden.
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Stand der Technik
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Neben dem seit Jahren bewährten BMW-Valvetronic-System drängen nunmehr verstärkt weitere Systeme mit ähnlicher Zielsetzung auf den Markt.
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Hierbei sei nur das Toyota Valvematic-System oder das Nissan-VVEL-System genannt, wobei diese Systeme jedoch einen recht komplexen Aufbau mit vielen ineinandergreifenden Bauteilen beinhalten.
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In der
US3261338 ist eine Hubventilsteuerung offenbart, bei welcher ein vertikal angeordneter Zwischenhebel über eine Exzenterwelle in eine Schwingbewegung versetzt wird, wobei der obenliegende Drehpunkt des Schwinghebels durch eine, als Parallelogramm ausgebildete Verstelleinrichtung im Kreisbogen um die Rolle eines Rollenstößels verlagert wird.
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Am unteren Ende ist der Zwischenhebel mit einer Steuerbahn versehen, welche mit der Rolle des Rollenstößels in Wirkverbindung steht.
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Durch ein Verlagern der Lagerachse des wälzgelagerten Zwischenhebels kann die Steuerbahn mit unterschiedlichen Sektionen auf die Rolle des Rollenstößels einwirken.
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Eine derartig ausladende Hubventilsteuerung mit ihrer komplexen und relativ labilen Verstelleinrichtung kann den heutigen Anforderungen an Steifigkeit, Baugröße und Dynamik jedoch leider nicht mehr gerecht werden.
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Ein vollvariable Hubventilsteuerung gemäß der Offenlegungsschrift
DE 101 23 186 (BMW-Valvetronic-System der zweiten Generation) zeichnet sich mit Vorteil durch einen recht einfachen Aufbau auf, wobei das System insbesondere durch seine geringe Bauteilanzahl sowie hohe Steifigkeit der Basiskonstruktion besticht.
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Bei diesem System wird von der Nockenwelle ein federrückgestellter Zwischenhebel über dessen Nockenrolle in eine Schwingbewegung versetzt, wobei der Schwenkpunkt des Zwischenhebels an dessen oberen Ende durch ein freiliegendes Nadellager gebildet ist.
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Weiter weist der Zwischenhebel am gegenüberliegendem, unteren Ende eine Steuerbahn auf, wobei die Steuerbahn von einer Ventilrastsektion, welche eine Radiuskontur um den Schwenkpunkt des Zwischenhebels beschreibt, über eine Anlauframpe in eine Hubsektion übergeht.
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Diese Steuerbahn steht mit der Laufrolle eines Rollenschlepphebels in Kontakt, welcher mit seinem einen Ende auf dem Kugelkopf eines Abstützelements mit hydraulischem Ventilspielausgleich, einem so genannten HVA, aufliegt.
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Weiter steht der Rollenschlepphebel mit seinem gegenüberliegenden, freien Ende mit dem schließfederbeaufschlagten Hubventil in Wirkkontakt.
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Zur Variation des Ventilhubs und der Ventilöffnungsdauer wird nunmehr das Nadellager am oberen Ende des Zwischenhebels im Kreisbogen um ein temporäres Lagezentrum der Laufrolle des Rollenschlepphebels verlagert.
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Dieses temporäre Lagezentrum wird hierbei durch das Lagezentrum der Laufrolle während der Schließphase des Hubventils definiert.
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Resultierend wird also der Schwenkpunkt des Zwischenhebels im Kreisbogen verlagert, wobei der Zwischenhebel über die Nockenrolle abkippt und dabei der jeweilig wirksame Anteil der Hubsektion bzw. der jeweilig unwirksame Anteil der Ventilrastsektion auf die Laufrolle des Rollenschlepphebels variiert.
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Das obere Ende des Zwischenhebels ist über dessen Nadellager an einem gehäusefesten Kulissenblock abgestützt, wobei das Nadellager mit seinem Außenring an einer konkav ausgebildeten Kulissenbahn anliegt, welche einen Kreisbogen um das Lagezentrum der Schlepphebelrolle beschreibt. Der Kontakt des Nadellagers zur Kulissenbahn wird bei geschlossenem Hubventil durch das HVA bzw. bei geöffnetem Hubventil durch dessen Schließfederkraft gewährleistet.
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Zum Verlagern des Schwenkpunktes des Zwischenhebels liegt der Außenring des Nadellagers weiter an der Verstellkurve einer seitlich angeordneten Verstellwelle an, wobei ein Verdrehen der Verstellwelle ein Verschieben der äußeren Zylindermantelfläche des Nadellagers entlang der Kulissenbahn bewirkt.
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Der Außenring des Nadellagers liegt also lediglich über zwei Berührlinien an der Kulissenbahn und der Verstellkurve an, wodurch der Zwischenhebel an seinem oberen Ende quasi „fliegend” abgestützt ist.
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Von Nachteil ist hierbei, dass eine satte Anlage des Nadellagers zur Verstellkurve alleinig über eine Federkraft gewährleistet werden muss.
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Hierzu ist in der
DE 101 23 186 eine Schenkelfeder vorgesehen, der hierbei eine Doppelfunktion zufällt.
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Diese Schenkelfeder greift hierzu am unteren Ende des Zwischenhebels an und muss dabei einerseits den Kontakt der Nockenrolle zur Nockenwelle, sowie andererseits den Kontakt des oberen Nadellagers zur Verstellkurve gewährleisten.
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Zur Erzeugung der Anpresskraft des Nadellagers an die Verstellkurve wirkt der Zwischenhebel dabei quasi als Kipphebel, wobei die Nockenrolle als Drehpunkt dient.
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Die Windungen der Schenkelfeder und deren Befestigung liegen relativ hoch oberhalb des Kulissenblocks angeordnet, um eine möglichst geringe Auslenkbewegung der Feder zu gewährleisten.
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Von Nachteil ist weiter, das der Federanlagepunkt am Zwischenhebel bei einer Verstellbewegung desselben eine erhebliche Lageveränderung erfährt, wodurch sich auch die Federvorspannung verändert. Insgesamt weist die genannte Hubventilsteuerung eine nicht unerhebliche Bauhöhe auf, welche einer flexiblen Anordnung der Brennkraftmaschine in einem Automobil engere Grenzen setzt.
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Aus vorgenannten Gründen wäre eine formschlüssige Führung des Nadellagers in horizontaler Verstellrichtung wünschenswert, sodass die Aufgabe der Rückstellfeder lediglich auf eine Gewährleistung des satten Kontakts zwischen der Nockenrolle des Zwischenhebels und der Nockenwelle begrenzt bleibt.
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Hierdurch wären mit Vorteil größere Freiheitsgrade bei der Positionierung und Ausgestaltung der Rückstellfeder ermöglicht, wobei ggf. auch die Dynamik und Drehzahlfestigkeit des Ventiltriebs werter erhöht werden könnte.
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Denkbar wäre nunmehr, an der beschriebenen Hubventilsteuerung den Zwischenhebel im Bereich des oberen Nadellagers an einer Verstellschwinge anzulenken, welche dabei als Zug- und Druckstrebe fungieren könnte.
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Zweckmäßig könnte diese Verstellschwinge über einen Exzenterzapfen verlagert werden, wobei das obere Nadellager des Zwischenhebels in horizontaler Richtung mitgenommen würde.
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Durch den begrenzten Bauraum unterhalb des Kulissenblocks erscheint ein derartiger Lösungsansatz bei adäquater Bauteildimensionierung jedoch nur über den Einsatz eines größeren Nadellagerdurchmessers am oberen Ende des Zwischenhebels realisierbar.
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Hierbei müsste die Einbauposition des Kulissenblocks noch weiter nach Oben rücken, welche Maßnahme der Zielsetzung geringstmöglicher Bauhöhe weiter entgegenstehen würde.
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Aufgabe der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine vollvariable Hubventilsteuerung zu schaffen, bei welcher der Schwenkpunkt eines schwingbeweglich angetriebenen Zwischenhebels mittels einer neuartig ausgestalteten Verstelleinrichtung im Kreisbogen um das Zentrum der Laufrolle eines Rollenschlepphebels oder eines Rollenstößels verlagert wird.
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Hierdurch soll insbesondere eine formschlüssige Führung der Zwischenhebellagerung in ihrer horizontalen Hauptverstellrichtung ermöglicht werden, sodass der Rückstellfeder des Zwischenhebels alleinig die Funktion der Anlage des Zwischenhebels an der Nockenwelle zuteilwird.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung soll weiter eine hohe Steifigkeit und Dynamik aufweisen, sowie einfach zu montieren sein.
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Unter Berücksichtigung der vorgenannten Kriterien soll die neuartige Hubventilsteuerung jedoch keine erhöhte Bauhöhe gegenüber dem letztgenannten Stand der Technik aufweisen.
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Lösung
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Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe durch eine vollvariable Hubventilsteuerung nach den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen aufgezeigt.
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Die Erfindung soll im Folgenden mit Hilfe der 1 bis 6 beschrieben werden:
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In der 1 ist ein Zwischenhebel ZH mit seiner bereits vormontierten, wälzgelagerten Nockenrolle NR gezeigt, welche freidrehend auf einem eingepressten Lagerbolzen im Zwischenhebel ZH gelagert ist.
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Der Nockenrollenbolzen ist dabei verlängert ausgeführt und zweckmäßig hohlgebohrt.
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Weiter sind ein Lagerbolzen LB, sowie eine Verstellschwinge VS mit vormontiertem Nadellager ZHL dargestellt.
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Von Bedeutung ist die eingefräste Nut N im oberen Bereich der Verstellschwinge VS, welche Nut die Wandung des Nadellagersitzes durchdringt.
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In diesen teiloffenen Lagersitz wurde das Nadellager ZHL eingepresst.
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Nunmehr liegt der Außenring des montierten Nadellagers ZHL in jenem ausgefrästen Teilbereich frei, wobei dieser Außenringbereich besonders platzsparend zur späteren Abstützung des Zwischenhebels ZH dient.
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Mit Vorteil wird die Nut N zusätzlich zur axialen Orientierung der Verstellschwinge VS im fertigmontierten Zylinderkopf genutzt.
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Nach dem Zentrieren der oberen Bohrung des Zwischenhebels ZH zum Nadellager ZHL wird der Lagerbolzen LB in den Zwischenhebel ZH eingepresst, welcher nunmehr drehfest mit dem Zwischenhebel ZH verbunden ist.
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Die gefügten Bauteile bilden nun jenen gelenkigen Verbund, wie er in der 1a dargestellt ist. Der Schwenkpunkt dieses Verbundes aus Verstellschwinge VS und Zwischenhebel ZH liegt dabei in der Lagerachse C4.
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Der Zwischenhebel ZH ist an seiner unteren Seite mit einer Steuerbahn SB versehen, wobei die Steuerbahn SB von einer Ventilrastsektion VR, welche eine Radiuskontur R um den Schwenkpunkt C4 des Zwischenhebels ZH beschreibt, über eine Anlauframpe AR in eine Hubsektion HS übergeht.
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In der 2 ist ein Teilstück einer Exzenterwelle EW gezeigt, wobei sich das gezeigte Teilstück über zwei Zylinder eines nicht dargestellten Zylinderkopfes erstreckt.
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Die Exzenterwelle EW ist mit axial zueinander beabstandeten Lagerzapfen LZ versehen, deren Mittelachsen im Zentrum C2 angeordnet liegen.
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Diese Lagerzapfen LZ werden später in den Lagerstühlen des Zylinderkopfgehäuses gelagert, sodass die Exzenterwelle EW um ihre Lagerachse C2 im Zylinderkopfgehäuse verdreht werden kann.
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Weiter sind an der Exzenterwelle EW Exzenterzapfen EXZ vorgesehen, deren Mittelachse exzentrisch zur Lagerachse C2 angeordnet liegen.
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Zweckmäßig ist je Zylinder ein einzelner Exzenterzapfen EXZ vorgesehen
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Die Bearbeitungsdurchmesser der Lagerzapfen LZ und Exzenterzapfen EXZ überlappen sich in einigen Teilbereichen, wobei diese überlappenden Teilbereiche jeweilig etwas breiter als eine einzelne Verstellschwinge VS ausgeführt sind.
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Die Lagerzapfen LZ sind dabei mit geringfügig kleinerem Durchmesser als die Exzenterzapfen EXZ ausgeführt, so dass nun vormontierte Verbunde aus Verstellschwinge VS und Zwischenhebel ZH nacheinander auf die Exzenterzapfen EXZ aufgefädelt werden können.
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Die Verstellschwingen VS sind dabei drehbeweglich und spielfrei auf den Exzenterzapfen EXZ gelagert.
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In der 2 sind zwei Verstellschwingen VS mit gelenkig verbundenem Zwischenhebeln ZH auf den hinteren Exzenterzapfen EXZ der Exzenterwelle EW aufgefädelt, welche Zwischenhebel ZH zwei benachbarten Hubventilen, insbesondere zwei Einlassventilen eines einzelnen Zylinders zugeordnet sind.
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In der 3 ist die neuartige Hubventilsteuerung perspektivisch dargestellt, wobei der Betätigungsmechanismus für ein einzelnes Hubventil gezeigt ist.
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Im unteren Bereich der 3 ist lediglich eine wälzgelagerte Schlepphebelrolle SHR mit ihrem Drehzentrum C5 gezeigt, wobei der zugehörige Rollenschlepphebel und das Hubventil aus Platzgründen nicht dargestellt sind.
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Die Achse C5 definiert dabei das Lagezentrum der Schlepphebelrolle SHR während der Schließphase des Hubventils.
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Weiter ist ein Teilstück der Nockenwelle NW gezeigt, welche um ihre Lagerachse C1 rotiert. Die Nockenwelle NW wird von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetrieben, wobei im Antriebsstrang zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle NW zweckmäßig eine Phasenverstelleinrichtung bekannter Bauart vorgesehen ist.
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Auf der rechten Seite ist ein Teilstück der Exzenterwelle EW gezeigt, auf dessen Exzenterzapfen EXZ eine einzelne Verstellschwinge VS mit gelenkig verbundenem Zwischenhebel ZH aufgefädelt ist.
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Die Steuerbahn SB des Zwischenhebels ZH steht dabei mit der Schlepphebelrolle SHR in Kontakt.
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Neben der Exzenterwelle EW als Hauptverstellwelle ist erfinderisch eine zweite Welle als Stützwelle SW vorgesehen, welche einerseits zur vertikalen Abstützung des Zwischenhebels ZH im Bereich der gelenkigen Verbindung C4 dient, jedoch andererseits noch eine weitere Funktion zur gesteuerten Verlagerung des Zwischenhebels ZH erfüllt.
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Die Stützwelle SW ist hierzu um ihre Achse C3 drehbeweglich im Zylinderkopfgehäuse gelagert. Auf die Zusatzfunktion der Stützwelle SW soll später noch näher eingegangen werden.
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Zur Abstützung eines Zwischenhebels ZH ist die Stützwelle SW in der axialen Ebene eines zugeordneten Zwischenhebels ZH mit einem Bund versehen.
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An dessen Außenfläche ist eine Stützkurve SK vorgesehen, wobei diese Stützkurve SK erfinderisch von einer kreisrunden Form um die Lagerachse C3 der Stützwelle SW abweicht.
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Der Bund mit seiner außenliegenden Stützkurve SK durchdringt die Nut N der Verstellschwinge VS, wobei die Stützkurve SK direkt mit dem freiliegenden Außenringbereich des Nadellagers ZHL in Kontakt gelangt.
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Hierdurch ist eine platzsparende und sehr stabile Abstützung des Zwischenhebels ZH in vertikaler Richtung verwirklicht.
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Der satte Kontakt des Nadellageraußenrings zur Stützkurve SK wird bei geschlossenem Hubventil HV durch das HVA bzw. bei geöffnetem Hubventil HV durch dessen Schließfederkraft gewährleistet. Ggf. kann eine nicht dargestellte, unterstützende Feder vorgesehen werden, welche die Verstellschwinge VS in Richtung der Stützwelle SW drückt.
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Die Zentrumslage C4 des Nadellagers ZHL wird nun durch dessen formschlüssige Anbindung über die Verstellschwinge VS an den Exzenterzapfen EXZ und durch den Kontakt des Lageraußenrings an die Stützkurve SK definiert.
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Die rotierende Nockenwelle NW wirkt seitlich über die Nockenrolle NR auf den Zwischenhebel ZH ein, welcher dabei in eine Schwingbewegung um seine Lagerachse C4 versetzt wird.
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Bei Hochdrehzahlkonzepten kann zur Reduzierung der bewegten Massen die Nockenrolle NR auch gänzlich entfallen und durch einen konvex ausgebildeten Gleitabgriff am Zwischenhebel ZH ersetzt sein.
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Der Kontakt der Nockenrolle NR zur Nockenwelle NW wird durch eine Rückstellkraft F gewährleistet, welche bevorzugt von einer vorgespannten Schenkelfeder erzeugt wird.
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Diese Schenkelfeder kann symmetrisch mit zwei wirksamen Schenkeln ausgestaltet werden, welche beidseits am verlängerten, hohlgebohrten Bolzen der Nockenrolle NR angreifen können.
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Diese Lösung hat zunächst den Vorteil, dass bei einer Verlagerung der Zwischenhebelschwenkachse C4 die Nockenrollenachse nur eine vernachlässigbare Positionsänderung erfährt.
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Somit bleibt die Federvorspannung über den gesamten Verstellbereich nahezu konstant, ferner wird durch den kurzen Abstand des Nockenrollenbolzens zur Schwenkachse C4 der Auslenkwinkel der Rückstellfeder reduziert, wobei die Feder entlastet und die Gefahr eines Ermüdungsbruchs erheblich reduziert ist.
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Der neuartige Verstellmechanismus zur Verlagerung der Zwischenhebelschwenkachse C4 soll im Folgenden mit Hilfe der 3, 4, 5 und 6 näher erläutert werden.
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In der perspektivischen Ansicht 3, sowie der ergänzenden Seitenansicht 4 ist die Hubventilsteuerung in einer Einstellung dargestellt, in welcher keine Betätigung des Hubventils HV erfolgt. (Nullhubstellung)
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In der 4 ist nun auch der Rollenschlepphebel SH gezeigt, welcher mit seinem einen Ende auf dem Kugelkopf eines Abstützelements mit hydraulischem Ventilspielausgleich HVA aufliegt.
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Weiter steht der Rollenschlepphebel SH an seinem gegenüberliegenden, freien Ende mit dem schließfederbeaufschlagten Hubventil HV in Wirkkontakt.
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Wird der Zwischenhebel ZH in der gezeigten Stellung von der Nockenwelle NW in eine Schwingbewegung um die Schwenkachse C4 versetzt, so wälzt sich die Schlepphebelrolle SHR lediglich an der kreisbogenförmigen Ventilrastsektion ab, wobei der Rollenschlepphebel SH nicht ausgelenkt wird und das Hubventil HV geschlossen bleibt.
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Zur Variation von Ventilhub und Öffnungsdauer wird der Schwenkpunkt C4 des Zwischenhebels ZH nunmehr im Kreisbogen KB um die Lagerachse C5 der Schlepphebelrolle SHR verlagert.
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In der 3 markiert der Punkt P1 dabei die Nullhubstellung, der Punkt P2 markiert die Volllaststellung, in welcher der maximale Hub und die maximale Öffnungsdauer am Hubventil HV erzeugt wird.
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Zwischen den Punkten P1 und P2 liegt also der gesamte Verstellbereich.
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Erfinderischer Grundgedanke ist es nun, die Exzenterwelle EW und die Stützwelle SW gemeinschaftlich zur Verlagerung der Zwischenhebelschwenkachse C4 entlang des Kreisbogens KB zu nutzen.
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Die Exzenterwelle EW und die Stützwelle SW werden hierzu zeitgleich in eine Drehbewegung versetzt.
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Besonders zweckmäßig können die Exzenterwelle EW und die Stützwelle SW hierbei über ein Zahnradpaar ZRP mechanisch miteinander gekoppelt werden.
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Ergänzend kann dabei an einem Zahnrad ein Beiläuferrad vorgesehen werden, um das Zahnflankenspiel bzw. das Umkehrspiel auf ein Minimum zu reduzieren.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß der 3 ist das Übersetzungsverhältnis zwischen Exzenterwelle EW und Stützwelle SW mit 1:1 gewählt, sodass eine Winkellageänderung der Exzenterwelle EW um 90 Grad eine gegensinnige Drehbewegung der Stützwelle SW um 90 Grad bewirkt.
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Zur Verstellung steht bevorzugt die Exzenterwelle EW oder alternativ die Stützwelle SW mit einem Verstellmotor VM in Antriebsverbindung.
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Die Formgestaltung der gezeigten Stützkurve SK kann wie Folgt hergeleitet werden:
In Abhängigkeit der vorgewählten, geometrischen Parameter (Achsposition C2, Versatz des Exzenterzapfens EXZ zur Lagerachse C2, Radius und Mittelpunkt des Kreisbogens KB, Abstand der Lagerzentren in der Verstellschwinge) kann zu jeder Winkelstellung der Exzenterwelle EW die Position der Schwenkachse C4 auf der Kreisbogenbahn KB in der XY Ebene eindeutig identifiziert werden.
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Somit ist auch in jeder Winkelstellung der Exzenterwelle EW der Abstand der Lagerachse C4 zur fixen Lagerachse C3 der Stützwelle SW bekannt.
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Wird nunmehr der Radius des Nadellagers ZHL vom jeweilig einer Winkelstellung zugeordnetem Abstandmaß C4 zu C3 subtrahiert, so ist auch zu jeder Winkellage der korrespondierenden Stützwelle SW ein eindeutiger Abstand zwischen der Berührlinie des Nadellagers und dem Zentrum C3 der Stützwelle SW definiert.
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Somit kann mit Vorteil computergestützt die geometrische Formgebung einer Stützkurve generiert werden, welche geometrische Form nunmehr als Stützkurve SK an der Stützwelle SW gefertigt wurde.
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Zweckmäßig ist die Stützwelle SW aus Stahl gefertigt, wobei die Stützkurve SK gehärtet ausgeführt und CNC-gesteuert geschliffen wird.
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Im Zusammenspiel mit den präzise gefertigten Restkomponenten der Hubventilsteuerung (Zylinderkopfgehäuse, Exzenterwelle, Verstellschwinge) ist nunmehr eine sehr genaue und steife Führung der Zwischenhebelschwenkachse C4 entlang des Kreisbogens KB realisiert.
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Um den Verschleiß an der Stützkurve SK auf ein Minimum zu reduzieren, kann es zweckmäßig sein, eine vom Ausführungsbeispiel abweichende Übersetzung zu wählen.
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Beispielsweise kann das Übersetzungsverhältnis mit 2:3 gewählt sein, wobei durch eine Winkellageänderung der Exzenterwelle EW von 180 Grad an der Stützwelle SW eine Winkellageänderung von 270 Grad resultiert. Hierdurch kann ein ggf. auftretender Verschleiß über einen erweiterten Winkelbereich der Stützkurve verteilt werden.
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Es ist klar, dass die jeweilig gewählte Übersetzung ebenfalls bei der Berechnung der Stützkurvengeometrie mit einfließt.
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Eine mechanische Koppelung der Exzenterwelle EW und der Stützwelle SW kann auch über einen Zahnriemen oder eine Rollenkette erfolgen, wobei Exzenterwelle EW und Stützwelle SW gleichsinnig verdreht werden.
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Im Grunde ist es sogar denkbar, der Exzenterwelle EW und der Stützwelle SW je einen einzelnen Verstellmotor VM zuzuordnen, deren zueinander koordinierte Drehbewegung durch ein Steuergerät vorgegeben werden.
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Zur vertiefenden Erklärung zeigt die 5 die Hubventilsteuerung in einem Teillastzustand. Hierzu wurde die Exzenterwelle EW um 90 Grad im Uhrzeigersinn verdreht, wobei eine gleichzeitige Drehbewegung der Stützwelle SW um 90 Grad entgegen dem Uhrzeigersinn erfolgte.
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Wird der Zwischenhebel ZH in der gezeigten Stellung nun von der Nockenwelle NW in eine Schwingbewegung versetzt, so wälzt sich die Schlepphebelrolle SHR zunächst an der kreisbogenförmigen Ventilrastsektion ab und wird erst im weiteren Verlauf von der Anlauframpe und Hubsektion der Steuerkurve beaufschlagt, wobei der Rollenschlepphebel SH verspätet und im reduziertem Winkel ausgelenkt wird, woraus ein reduzierter Ventilhub und eine verkürzte Öffnungsdauer resultiert.
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Zur weiteren Verdeutlichung zeigt die 6 die Hubventilsteuerung in einem Volllastzustand. Hierzu wurde die Exzenterwelle EW um weitere 90 Grad im Uhrzeigersinn verdreht, wobei eine gleichzeitige Drehbewegung der Stützwelle SW um weitere 90 Grad entgegen dem Uhrzeigersinn erfolgte.
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Wird der Zwischenhebel ZH in der gezeigten Stellung (entsprechend P2, 3) nun von der Nockenwelle NW in eine Schwingbewegung versetzt, so wird die Schlepphebelrolle SHR unmittelbar von der Anlauframpe und Hubsektion der Steuerkurve beaufschlagt, wobei der Rollenschlepphebel SH voll ausgelenkt wird und ein maximaler Hub und eine maximale Öffnungsdauer am Hubventil HV resultiert.
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In den 7 und 7a ist eine mögliche Anordnung der Rückstellfeder gezeigt, welche beispielhaft als Schenkelfeder SF mit zwei wirksamen Schenkeln ausgeführt ist.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist jedem Zwischenhebel ZH eine eigene Schenkelfeder SF zugeordnet, deren wirksame Schenkel beidseits am Nockenrollenbolzen angreifen.
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Mehrere Schenkelfedern können zweckmäßig an einer Federachse FA gehalten werden, welche oberhalb der Nockenwelle angeordnet am Zylinderkopfgehäuse befestigt ist.
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Alternativ können die Schenkelfederwindungen bzw. eine Federachse FA auch oberhalb der Exzenterwelle EW angeordnet werden.
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In der 8 ist ein zweckmäßig ausgebildeter Lagerstuhl am Zylinderkopfgehäuse ZKG gezeigt.
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Hierzu wird vorgeschlagen, die Lagerung der Exzenterwelle EW und Nockenwelle NW als geteilte Lagerbohrungen mit aufgeschraubten Lagerdeckeln auszugestalten.
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Die Montage der Stützwelle SW kann mit Vorteil als einfache Steckmontage in geschlossenen Lagerbohrungen erfolgen.
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In der Montage erfolgt zunächst der Einbau von Hubventilen HV, Abstützelementen HVA und Rollenschlepphebeln SH.
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Anschließend erfolgt der Einbau der Stützwelle SW.
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Nunmehr kann der Einbau der Exzenterwelle EW mit aufgefädelten Verstellschwingen VS erfolgen.
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Im nächsten Schritt folgt der Einbau der Federachse FA, welche mit vormontierten Schenkelfedern bestückt ist.
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Als letzter Montageschritt folgt der Einbau der Nockenwelle NW, wobei die nicht dargestellten Schenkelfedern beim Festschrauben der Nockenwellenlagerdeckel vorgespannt werden.
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In der 9 ist eine alternative Ausgestaltung der Verstellschwinge VS gezeigt, wobei die gelenkige Verbindung aus Verstellschwinge VS und Zwischenhebel ZH über eine Stützfläche SF an der Stützkurve SK der Stützwelle SW abgestützt wird.
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Die Stützfläche SF ist an der Verstellschwinge VS gefertigt und dabei zweckmäßig als Zylindermantelfläche ausgebildet, welche konzentrisch zur Lagerachse C4 des Nadellagers ZHL angeordnet liegt.
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Die Verstellschwinge VS ist beispielsweise aus Stahl gefertigt, wobei deren Stützfläche SF zur Verschleißminderung gehärtet ausgeführt wird, alternativ kann die Verstellschwinge VS, sowie auch der Zwischenhebel ZH aus einem geeigneten, verschleißfesten Sinterwerkstoff hergestellt sein.
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Zur Berechnung der Stützkurvenform SK wird entsprechend der Radius der Stützfläche SF zur Lagerachse C4 zugrunde gelegt.
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Diese Ausführung hat den Vorteil, dass zu Lasten einer etwas größeren Bauhöhe die Baubreite der Verstellschwinge VS und des Zwischenhebels ZH reduziert werden kann.
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Dies ist insbesondere für kleinere Brennkraftmaschinen mit engen Zylinderabständen von Vorteil.
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Ferner bietet sich in dieser Ausführung an, die nicht dargestellte Rückstellschenkelfeder mit ihren Windungen zumindest annähernd konzentrisch zur Lagerachse C3 der Stützwelle SW anzuordnen.
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Hierbei wird der innere Windungsdurchmesser der Schenkelfedern etwas größer als der Lagerdurchmesser der Stützwelle SW ausgeführt, so dass die Stützwelle SW beim Einbau in den Zylinderkopf durch die Federwindungen hindurchgefädelt werden kann.
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Eine axiale Orientierung der Verstellschwinge VS auf der Exzenterwelle EW kann auf einfache Weise durch einen radial angeordneten Passstift PS erfolgen, welcher in eine umlaufende Nut im Exzenterzapfen EXZ eingreift.
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Zusammenfassend lässt sich für alle bisher beschriebenen Ausgestaltungsformen der Hubventilsteuerung festhalten, dass durch den erfinderischen Einsatz einer drehbaren Stützwelle SW mit Stützkurve SK als Alternative zur Kulissenbahn aus der
DE 101 23 186 erheblicher Bauraum im Abstützbereich des Zwischenhebels ZH gewonnen wird, welcher den Einsatz einer Verstellschwinge VS erst ermöglicht oder jedoch zumindest erheblich vereinfacht.
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Durch die neuartige Führung des Zwischenhebels ZH kann die Rückstellkraft F der Rückstellfeder an nahezu jeder beliebigen Position des Zwischenhebels ZH angreifen, da diese nun als alleinige Aufgabe die Anpresskraft der Nockenrolle zur Nockenwelle gewährleisten muss.
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Hierdurch wird mit Vorteil eine flexiblere Positionierung und Ausgestaltung der Rückstellfeder ermöglicht.
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Die Hubventilsteuerung baut in ihrer gezeigten Ausgestaltung zu Lasten minimal zugenommener Baubreite mit Vorteil niedriger als der letztgenannte Stand der Technik.
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Im Folgenden soll eine Hubventilsteuerung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 5 erläutert werden.
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Der erfinderische Kerngedanke, zur Abstützung eines Zwischenhebels ZH neben einer ersten, drehbaren Verstellwelle eine zweite, drehbare Stützwelle SW mit Stützkurve SK zu verwenden, lässt sich durchaus auch auf eine Hubventilsteuerung übertragen, bei welcher das Zwischenhebellager ZHL über eine Verstellkurve einer Verstellwelle verlagert wird.
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Dies soll nun kurz mit Hilfe der 10 erläutert werden.
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In der
10 wird ein Zwischenhebel ZH mit freiliegendem Zwischenhebellager ZHL verwendet, wie er in ähnlicher Ausgestaltung bereits aus der
DE 101 23 186 bekannt ist.
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Ebenso ist die Ausgestaltung und Funktion der Verstellwelle VW in ähnlicher Art ausgestaltet.
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Die Führungsfunktion der Kulissenbahn aus dem letztgenannten Stand der Technik wird jedoch nun erfinderisch von der Stützkurve SK der drehbeweglichen Stützwelle SW übernommen.
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Im Grunde wird als Alternative zur Kulissenbahn aus der
DE 101 23 186 jetzt die drehbare Stützkurve SK mit ihrem Drehzentrum C2 eingesetzt.
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Auch bei dieser Ausgestaltungsform kann die Drehbewegung der Stützwelle SW bzw. deren Stützkurve SK direkt von der Verstellwelle VW abgegriffen werden, welche mit einem Verstellmotor in Antriebsverbindung steht.
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Hierzu wird zweckmäßig ebenfalls ein Zahnradpaar ZRP eingesetzt.
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Zur Verlagerung der Schwinghebelachse C4 im Kreisbogen KB um das Zentrum C5 der Schlepphebelrolle SHR werden die Verstellwelle VW und die Stützwelle SW nun gleichzeitig verdreht.
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Eine Drehbewegung der Verstellwelle VW um ihre Lagerachse C2 im Uhrzeigersinn bewirkt also eine Drehbewegung der Stützwelle SW entgegen dem Uhrzeigersinn um ihre Lagerachse C3.
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Das Zwischenhebellager ZHL mit dem Drehzentrum C4 ist bevorzugt als Nadellager ausgeführt und liegt mit seinem Außenring über eine erste Berührlinie an der Verstellkurve VK der Verstellwelle VW an und über eine zweite Berührlinie an der Stützkurve SK der Stützwelle SW an.
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Ergänzend ist das Zwischenhebellager ZHL zu beiden Seiten mit nicht dargestellten Spurkränzen versehen, um den Zwischenhebel in seiner axialen Ebene zu orientieren.
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Die Kontaktkraft des Zwischenhebellagers ZHL zur Verstellkurve VK wird mittels einer nicht dargestellten Schenkelfeder erzeugt, welche mit einer Kraft F im unteren Bereich des Zwischenhebels ZH angreift.
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Die geometrische Kontur der Stützkurve SK zur Verlagerung des Zwischenhebellagerzentrum C4 im Kreisbogen KB um das Zentrum C5 der Schlepphebelrolle SHR kann in Abhängigkeit zu vorgewählten, geometrischen Parametern (Achsposition C2, geometrische Ausgestaltung der Verstellkurve VK, Radius und Mittelpunkt des Kreisbogens KB, Durchmesser des Zwischenhebellagers ZHL) folgendermaßen ermittelt werden:
Unter Berücksichtigung der gegebenen Parameter kann zu jeder Winkelstellung der Verstellwelle VW die Position des Lagerzentrums C4 auf der Kreisbogenbahn KB in der XY Ebene eindeutig identifiziert werden.
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Somit ist auch in jeder Winkelstellung der Verstellwelle VW der Abstand der Lagerachse C4 zur fixen Lagerachse C3 der Stützwelle SW bekannt.
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Wird nunmehr der Radius des Zwischenhebellagers ZHL vom jeweilig einer Winkelstellung zugeordnetem Abstandmaß C4 zu C3 subtrahiert, so ist auch zu jeder Winkellage der korrespondierenden Stützwelle SW ein eindeutiger Abstand zwischen Berührlinie des Zwischenhebellager ZHL und dem Zentrum C3 der Stützwelle SW definiert.
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Somit kann mit Vorteil computergestützt die geometrische Formgebung einer Stützkurve generiert werden, welche geometrische Form nunmehr als Stützkurve SK an der Stützwelle SW gefertigt wurde.
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Abschließend sollen die Vorteile einer Hubventilsteuerung in der zuletzt beschriebenen Ausgestaltung gemäß dem Patentanspruch 5 kurz zusammengefasst werden:
Statt mehrerer Kulissenblöcke und deren Befestigungselemente, wie diese in der BMW-Valvetronic-Technologie verwendet werden, kann nunmehr eine einzelne Stützwelle SW eingesetzt werden, welche sich über alle Zylinder der betreffenden Brennkraftmaschine bzw. über eine jeweilige Zylinderbank einer Brennkraftmaschine in V-Bauweise erstreckt.
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Somit ist die Bauteilanzahl weiter reduziert.
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Ebenso entfallen zahlreiche Bearbeitungsschritte zur Orientierung und Befestigung einzelner Kulissenblöcke.
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Zur Lagerung und Orientierung der Stützwelle sind lediglich fluchtende Lagerbohrungen in den Lagerstühlen des Zylinderkopfgehäuses notwendig.
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Da die Stützwelle zur Steckmontage vorgesehen ist, können die Lagerbohrungen geschlossen ausgeführt werden.
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Die Lagerung der Stützwelle im Zylinderkopfgehäuse lässt sich dabei gemäß dem Stand der Technik besonders kostengünstig und Präzise mittels einer mehrfach geführten Bohrstange herstellen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 3261338 [0006]
- DE 10123186 A [0010]
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