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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4.
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Bei modernen Brennkraftmaschinen werden zur Optimierung der Ladungsbewegung im Brennraum variable Ventiltriebe verwendet, mit denen bei den Gaswechselventilen unterschiedliche Ventilhübe eingestellt werden können.
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Aus der
DE 196 11 641 C1 ist ein Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4 bekannt, mit dem die Betätigung eines Gaswechselventils mit mehreren unterschiedlichen Hubkurven ermöglicht wird. Hierzu ist auf der Nockenwelle ein Schiebenocken mit mehreren Nockenbahnen drehfest aber axial verschieblich gelagert, der eine Hubkontur aufweist, in die ein als Stift ausgebildetes Betätigungselement eines Aktuators zur Erzeugung einer axialen Verschiebung des Nockens eingreift. Durch die axiale Verschiebung des Nockens wird der jeweilige Ventilhub eingestellt. Der Schiebenocken ist nach der axialen Verschiebung desselben relativ zur Nockenwelle dadurch in seiner axialen Relativposition auf der Nockenwelle rastierbar, dass abhängig von der axialen Relativposition mindestens eine federbeaufschlagte Rastkugel, die in der Nockenwelle aufgenommen und gelagert ist, in mindestens eine Rastnut eingreift, die auf einer radial innenliegenden Fläche des Schiebenockens ausgebildet ist. Nach diesem Stand der Technik bilden die Rastvertiefungen des Schiebenockens und mindestens eine mit den Rastvertiefungen des Schiebenockens zusammenwirkende Rastkugel eine Arretiervorrichtung zur Arretierung der axialen Relativposition des Schiebenockens auf der Nockenwelle aus.
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Aus der
DE 10 2007 027 979 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem Ventiltrieb nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt, dessen Arretiervorrichtung von zwei Rastelementen gebildet ist, nämlich einem ersten Rastelement mit mehreren Rastvertiefungen, das Bestandteil des Schiebenockens ist und zusammen mit dem Schiebenocken relativ zur Nockenwelle axial verlagerbar ist, sowie von mindestens einem zweiten Rastelement, bei welchem es sich um eine federbeaufschlagte Rastkugel handelt. Das oder jedes federbeaufschlagte, zweite Rastelement ist nicht in der Nockenwelle aufgenommen, sondern vielmehr in Tunnelabschnitten eines Tunnellagers der jeweiligen Nockenwelle.
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Aus der
DE 10 2008 060 166 A1 ist ein Ventiltrieb bekannt, bei welchem ein auf einer Nockenwelle drehfest aber axial verschieblich gelagerter Schiebenocken einen Kulissenabschnitt mit mehreren Nuten aufweist, und bei welchem zur Bewirkung einer axialen Verschiebung des Schiebenockens ein Aktuator mit mehreren betätigbaren Stiften vorgesehen ist. Der Kulissenabschnitt verfügt über eine erste, rechtsgängige Nut und eine zweite, linksgängige Nut, die am Umfang des Kulissenabschnitts nebeneinander angeordnet sind und in eine gemeinsame Auslaufnut übergehen. Mit den Nuten des Kulissenabschnitts wirken die Stifte des Aktuators zusammen.
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Ferner ist aus der Praxis bereits ein Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine bekannt, bei welchem die Nuten des Kulissenabschnitts am Umfang des Kulissenabschnitts hintereinander positioniert sind, nämlich eine erste Nut für eine axiale Verschiebung des Schiebenockens in einer ersten Richtung und eine zweite Nut für eine axiale Verschiebung des Schiebenockens in einer entgegengesetzten zweiten Richtung. Auch bei diesem Ventiltrieb umfasst der Aktuator zur Bewirkung der axialen Verschiebung des Schiebenockens mehrere betätigbare Stifte, nämlich einen ersten Stift für eine axiale Verschiebung des Schiebenockens in den beiden Richtungen um ein erstes Axialsegment und einen zweiten Stift für eine axiale Verschiebung des Schiebenockens in den beiden Richtungen um ein zweites Axialsegment.
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Die Stifte des Aktuators, die zur Bewirkung der axialen Verschiebung des Schiebenockens mit den Nuten des Kulissenabschnitts des Schiebenockens zusammenwirken, sind, wie dies aus der
DE 10 2008 060 166 A1 bekannt ist, über als Rastkugeln ausgebildete Rastelemente in einem Gehäuse des Aktuators verrastet und damit festgelegt, wobei zum Lösen der Verrastung der Stifte der Aktuator, nämlich ein Elektromagnet desselben, bestromt wird, um die über die Rastelemente bewirkte Verrastung der Stifte im Gehäuse des Aktuators aufzuheben. Die durch Bestromung des Aktuators freigegebenen Stifte desselben können in radialer Richtung des Schiebenockens bzw. Kulissenabschnitts des Schiebenockens zum Eingriff in eine Nut des Kulissenabschnitts axial verlagert werden.
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Wie oben dargestellt, erfolgt bei aus der Praxis bekannten Ventiltrieben die Rastierung des Schiebenockens auf der Nockenwelle nach einer axialen Verschiebung des Schiebenockens mithilfe von Rastkugeln, die in Rastvertiefungen eingreifen. Bei einer solchen Arretierung eines Schiebenockens auf der Nockenwelle sind hohe Verschiebekräfte erforderlich, um den Schiebenocken relativ zur Nockenwelle axial zu verlagern. Dies ist von Nachteil.
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Ein weiterer Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten Ventiltriebe besteht darin, dass es im Betrieb in Folge unterschiedlicher thermischer Dehnungen von Zylinderkopf bzw. Zylinderkopfdeckel und Nockenwelle zu einer unzulässig hohen Positionsabweichung zwischen dem Stift des Aktuators und der jeweiligen Nut des Kulissenabschnitts des Schiebenockens kommen kann, wodurch die Funktionsfähigkeit des Ventiltriebs beeinträchtig werden kann. Diesem Effekt kann bislang nur durch eine hochpräzise Fertigung der Einzelteile des Ventiltriebs entgegengewirkt werden, wodurch hohe Fertigungszeiten und hohe Fertigungskosten verursacht werden. Auch dies ist von Nachteil.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie einen Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4 zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und einen Ventiltrieb mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4 gelöst.
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Erfindungsgemäß greift zur Rastierung des jeweiligen Schiebenockens der Stift des jeweiligen Aktuators in einer Ruheposition desselben formschlüssig in eine Rastierkontur, die von einer zusammen mit dem jeweiligen Schiebenocken axial verschiebbaren Schiebemuffe bereitgestellt ist, ein, wohingegen der Stift des jeweiligen Aktuators in einer Betriebsposition desselben in die Rastierkontur nicht formschlüssig eingreift.
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Mit der hier vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, die Rastierung eines Schiebenockens auf einer Nockenwelle mithilfe des Stifts des jeweiligen Aktuators vorzunehmen, wobei zur Rastierung des Schiebenockens der Stift des jeweiligen Aktuators mit einer auf dem Schiebenocken positionierten und zusammen mit dem Schiebenocken axial verschiebbaren Schiebemuffe zusammenwirkt, und wobei diese Schiebemuffe eine Rastierkontur bereitstellt, mit welcher der Stift des jeweiligen Aktuators zur Rastierung des jeweiligen Schiebenockens formschlüssig zusammenwirkt. Dadurch können einerseits zur Verschiebung benötigte Verschiebekräfte reduziert werden, andererseits werden im Betrieb unzulässig hohe Positionsabweichungen zwischen dem Stift des Aktuators und der jeweiligen Nut des Kulissenabschnitts des jeweiligen Schiebenockens vermieden. Der Ventiltrieb ist einfach und kostengünstig herstellbar und unempfindlich gegenüber unterschiedlichen thermischen Dehnungen der Baugruppen.
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Der Stift des jeweiligen Aktuators weist einen ersten Abschnitt mit einer relativ großen Querschnittsfläche und einen hierzu benachbarten zweiten Abschnitt mit einer relativ kleinen Querschnittsfläche auf, wobei in der Ruheposition des jeweiligen Aktuators, in welcher der Stift desselben eingefahren ist, der erste Abschnitt außer Eingriff mit der jeweiligen Nut des Kulissenabschnitts und in formschlüssigem Eingriff mit der Rastierkontur der Schiebemuffe steht, und wobei in der Betriebsposition des jeweiligen Aktuators, in welcher der Stift desselben ausgefahren ist, der erste Abschnitt in Eingriff mit der jeweiligen Nut des Kulissenabschnitts und außer Eingriff mit der Rastierkontur der Schiebemuffe steht.
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Diese Ausgestaltung des Stifts des jeweiligen Aktuators erlaubt einerseits die Reduzierung benötigter Verschiebekräfte sowie andererseits die Vermeidung unzulässig hoher Positionsabweichungen zwischen dem Stift und der jeweiligen Nut des Kulissenabschnitts des Schiebenockens.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Rastierkontur der Schiebemuffe von miteinander verbundenen Ausnehmungen gebildet, wobei dann, wenn der erste Abschnitt in formschlüssigem Eingriff mit der Rastierkontur steht, derselbe in eine der Ausnehmungen der Rastierkontur formschlüssig eingreift, wohingegen dann, wenn der erste Abschnitt außer Eingriff mit der Rastierkontur steht, derselbe aus den Ausnehmungen herausbewegt ist und der zweite Abschnitt in eine der Ausnehmungen hineinragt und hierbei eine Relativbewegung zwischen der Schiebemuffe und dem Aktuator derart zulässt, dass der zweite Abschnitt zwischen den Ausnehmungen der Rastierkontur überführbar ist. Ein solcher Ventiltrieb ist besonders bevorzugt und einfach herstellbar.
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Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
- 1 einen schematischen Ausschnitt aus einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ventiltriebs einer Brennkraftmaschine in einer perspektivischen Ansicht;
- 2 den Ausschnitt der 1 in teilweiser Explosionsdarstellung;
- 3 den Ausschnitt der 1, 2 in Seitenansicht;
- 4 ein Detail der 3 in einem ersten Zustand;
- 5 das Detail der 4 in einem zweiten Zustand;
- 6 das Detail der 4 in dem ersten Zustand in einer perspektivischen Ansicht; und
- 7 das Detail der 4 in dem zweiten Zustand in einer perspektivischen Ansicht.
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1 bis 3 zeigen jeweils einen Ausschnitt aus einer Brennkraftmaschine im Bereich einer Nockenwelle 1 eines Ventiltriebs der Brennkraftmaschine. Die Nockenwelle 1 ist über nicht gezeigte Nockenwellenlager in einem nicht gezeigten Zylinderkopf der Brennkraftmaschine gelagert, der vorzugsweise aus einem Zylinderkopfunterteil und einem Nockenwellengehäuse zusammengesetzt ist. Zylinderkopfunterteil und Nockenwellengehäuse können auch einstückig ausgebildet sein.
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Die Nockenwelle 1 der 1 bis 3 ist als Einlassnockenwelle ausgeführt und dient der Steuerung von Einlassventilen 2 der Brennkraftmaschine mit Hilfe von Rollenschlepphebeln. Zur Steuerung von nicht gezeigten Auslassventilen der Brennkraftmaschine ist eine nicht gezeigte Auslassnockenwelle vorhanden. Bei den Einlassventilen und Auslassventilen handelt es sich um Gaswechselventile der Brennkraftmaschine. Pro Zylinder sind vorzugsweise zwei Einlassventile 2 und zwei nicht gezeigte Auslassventile vorgesehen, wobei die Einlassventile 2 von der Einlassnockenwelle 1 in bekannter Weise gesteuert betätigt werden. Die Auslassventile werden von der nicht gezeigten Auslassnockenwelle in bekannter Weise gesteuert betätigt. Hierzu weist die Einlassnockenwelle 1 bzw. die nicht gezeigte Auslassnockenwelle jeweils mehrere Schiebenocken 3 auf.
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Der Schiebenocken 3 ist aus einem in der Mitte positionierten Kulissenabschnitt 4 und zwei äußeren Nockenabschnitten 5 gebildet. Jeder äußere Nockenabschnitt 5 umfasst im gezeigten Ausführungsbeispiel zwei Nockenbahnen 6, wobei mit jeder der Nockenbahnen 6 ein unterschiedlicher Ventilhub eingestellt wird. Der Schiebenocken 3 umfasst demnach für jedes Ventil einen Nockenabschnitt 5 mit zwei Nockenbahnen 6, der axial verschiebbar ist.
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Jedem Schiebenocken 5 ist ein Aktuator 7 zugeordnet, der einen einzigen Stift 8 aufweist, der mit an einer Mantelfläche des Kulissenabschnitts 4 ausgebildeten Nuten 9a, 9b des Schiebenockens 3 zusammenwirkt. Dadurch erfolgt eine axiale Verschiebung des Schiebenockens 3 auf der Nockenwelle 1. Durch die axiale Verschiebung des Schiebenockens 3 wird das jeweilige Gaswechselventil gezielt mit einer bestimmten Nockenbahn 6 betätigt, so dass eine unterschiedliche Ventilhubeinstellung erfolgt.
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Der Kulissenabschnitt 4 des Schiebenockens 3 umfasst mehrere in Umfangsrichtung des Kulissenabschnitts 4 und damit am Umfang des Schiebenockens 3 hintereinander positionierte Nuten, nämlich eine erste Nut 9a für eine axiale Verschiebung des Schiebenockens 3 in einer ersten axialen Richtung und eine zweite Nut 9b für eine axiale Verschiebung des Schiebenockens 3 in einer entgegengesetzten, zweiten axialen Richtung. Die in Umfangsrichtung des Kulissenabschnitts 4 hintereinander positionierten Nuten 9a und 9b sind dabei jeweils S-förmig konturiert und erstrecken sich über unterschiedliche Umfangsabschnitte des Schiebenockens 3.
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Beide S-förmig konturierten Nuten 9a und 9b definieren zusammen einen doppel-S-förmig konturierten Kulissenabschnitt 4. Beide Nuten 9a und 9b erstrecken sich jeweils über einen Umfangsabschnitts von jeweils in etwa 180° des Kulissenabschnitts 4
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Radial außen auf dem Schiebenocken 3 ist eine Schiebemuffe 10 positioniert, die gegenüber dem Schiebenocken 3 axial unverschiebbar auf demselben aufgenommen ist, jedoch zusammen mit dem Schiebenocken 3 relativ zur Nockenwelle 1 axial verlagerbar ist.
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Der Aktuator 7 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel in einem im Detail nicht gezeigten Zylinderkopfdeckel der Brennkraftmaschine gelagert bzw. aufgenommen. Vom Zylinderkopfdeckel ist lediglich eine Abdeckung 11 gezeigt, die mit dem Zylinderkopfdeckel verschraubt werden kann und der Abdeckung einer Aufnahmeöffnung des Zylinderkopfdeckels für den Aktuator 7 dient. Die Abdeckung 11 weist eine Ausnehmung 12 auf, in welcher die Schiebemuffe 10 axial verschiebbar geführt ist. Im Unterschied hierzu ist es auch möglich, den Aktuator 7 im Zylinderkopf zu lagern. Dann, wenn der Zylinderkopf aus einem Zylinderkopfunterteil und einem zwischen dem Zylinderkopfdeckel und dem Zylinderkopfunterteil positionierten Nockenwellengehäuse gebildet ist, kann der Aktuator 7 im Nockenwellengehäuse gelagert sein.
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Nach einer axialen Verschiebung des Schiebenockens 3 relativ zur Nockenwelle 1 ist die axiale Relativposition des Schiebenockens 3 auf der Nockenwelle 1 relativ zu einem zu betätigenden Gaswechselventil rastierbar.
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Die Rastierung des Schiebenockens 3 auf der Nockenwelle 1 erfolgt derart, dass zur Rastierung des jeweiligen Schiebenockens 3 der Stift 8 des jeweiligen Aktuators 7 in einer Ruheposition desselben, in welcher der Stift 8 eingefahren und demnach in Radialrichtung der Nockenwelle 1 gesehen nach radial außen verlagert ist, formschlüssig in eine Rastierkontur 13 eingreift, die von der zusammen mit dem jeweiligen Schiebenocken 3 axial verschiebbaren Schiebemuffe 10 bereitgestellt ist.
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4 und 6 zeigen einen Zustand des Aktuators 7 in der Ruheposition des Stifts 8, in welcher dieser eingefahren ist und formschlüssig mit der Rastierkontur 13, die von der zusammen mit dem Schiebenocken 3 verschiebbaren Schiebemuffe 10 bereitgestellt ist, zusammenwirkt. In dieser Ruheposition des Stifts 8 legt demnach der Stift 8 des Aktuators 7 die Axialposition der Schiebemuffe 10 und damit des Schiebenockens 3 auf der Nockenwelle 1 fest, sodass der Schiebenocken 3 nicht verschoben werden kann.
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In der Betriebsposition des Stifts 8 des Aktuators 7 (siehe 5 und 7) greift der Stift 8 nicht formschlüssig in die Rastierkontur 13 der zusammen mit dem Schiebenocken 3 axial verschiebbaren Schiebemuffe 10 ein und gibt so die axiale Verschiebung der Schiebemuffe 10 und damit des Schiebenockens 3 auf der Nockenwelle 1 frei.
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Wie am besten 2 entnommen werden kann, ist die Rastierkontur 13 der Schiebemuffe 10 im gezeigten Ausführungsbeispiel von zwei miteinander verbundenen Ausnehmungen 14 und 15 gebildet.
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Die beiden Ausdehnungen 14 und 15 verfügen im gezeigten Ausführungsbeispiel über eine kreisrunde Konturierung, wobei ein Durchbruch die beiden Ausnehmungen 14 und 15 miteinander verbindet, und wobei ein Querschnitt dieses Durchbruchs kleiner ist als der Querschnitt der Ausnehmungen 14 und 15.
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Wie am besten 4 und 5 entnommen werden kann, verfügt der Stift 8 des Aktuators 7 über zwei benachbarte Abschnitte 16 und 17, wobei ein erster Abschnitt 16 des Stifts 8 eine relativ große Querschnittsfläche und ein hierzu benachbarter, zweiter Abschnitt 17 des Stifts 8 eine relativ kleine Querschnittsfläche aufweist.
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Die Querschnittsfläche des ersten Abschnitts 16 ist an die Querschnittsfläche der Ausnehmungen 14 und 15 angepasst, nämlich derart, dass dann, wenn der Stift 8 sich in der in 4 und 6 gezeigten Ruheposition befindet, der erste Abschnitt 16 des Stifts 8 in formschlüssigem Eingriff mit der Rastierkontur 13, nämlich einer der Ausnehmungen 14 und 15 der Rastierkontur 13, der Schiebemuffe 10 steht.
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Dann, wenn der Aktuator 7 bzw. der Stift 8 desselben die Betriebsposition einnimmt und demnach ausgefahren bzw. bezogen auf die Nockenwelle 1 nach radial innen verlagert ist (5, 7), steht der erste Abschnitt 16 des Stifts 8 nicht in formschlüssigem Eingriff mit der Rastierkontur 13 der Schiebemuffe 10, vielmehr greift dann dieser erste Abschnitt 16 in eine der Nuten 9a, 9b des Kulissenabschnitts 4 des jeweiligen Schiebenockens 3 ein, um hierdurch eine axiale Verschiebung des Schiebenockens 3 relativ zur Nockenwelle 1 zu ermöglichen.
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In diesem Zustand, also in der Betriebsposition des jeweiligen Aktuators 7, ragt der zweite Abschnitt 17 des Stifts 8 in eine der Ausnehmungen 14, 15 der Rastierkontur 13 der Schiebemuffe 10 hinein, nämlich derart, dass hierbei eine Relativbewegung zwischen der Schiebemuffe 10 und dem jeweiligen Aktuator 7 möglich ist, sodass die Schiebemuffe 10 und damit der Schiebenocken 3 axial verschoben werden kann, wobei hierbei der zweite Abschnitt 17 des Stifts 8 zwischen den Ausnehmungen 14 und 15 der Schiebemuffe 10 überführbar ist, sodass die Relativverschiebung der Schiebemuffe 10 und damit des Schiebenockens 3 relativ zur Nockenwelle 1 sowie zum Aktuator 7 möglich ist.
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Ein Querschnitt des zweiten Abschnitts 17 des Stifts 8 ist demnach kleiner als ein Querschnitt des zwischen den beiden Ausnehmungen 14 und 15 der Rastierkontur 13 ausgebildeten Durchbruchs zwischen den Ausnehmungen 14 und 15.
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Beim Ventiltrieb bzw. der Brennkraftmaschine mit einem solchen Ventiltrieb sind die Schiebenocken 3 auf der jeweiligen Nockenwelle 1 demnach frei verschiebbar und werden durch eine zusammen mit denselben axial verschiebbare Schiebemuffe 10 geführt, wobei die Schiebemuffe 10 eine Rastierkontur 13 bereitstellt, die zur Arretierung des Schiebenockens 3 auf der Nockenwelle 1 formschlüssig mit dem ersten Abschnitt 16 des Stifts 8 des Aktuators 7 in Eingriff steht.
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Zum Schalten und demnach axialen Verschieben des Schiebenockens 3 relativ zur Nockenwelle 1 wird der Stift 8 des Aktuators 7 ausgefahren und in eine der Nuten 9a, 9b des Kulissenabschnitts 4 des Schiebenockens 3 eingeführt.
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In dieser Betriebsposition des Stifts 8 des Aktuators 7 steht der erste Abschnitt 16 des Stifts 8 nicht mehr in formschlüssigem Eingriff mit der Rastierkontur 13 der Schiebemuffe 10. Vielmehr durchdringt dann der zweite Abschnitt 17 des Stifts 8, der einen geringeren Querschnitt aufweist als der erste Abschnitt 16 desselben, die Rastierkontur 13, wobei dann die Schiebemuffe 10 und damit die Rastierkontur 13 relativ zum Stift 8 verlagert werden kann, um die axiale Verschiebung des Schiebenockens 3 zu ermöglichen.
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Nach dem Erreichen der Endposition des Schiebenockens 3 wird der Stift 8 des Aktuators 7 über rampenartige Rückführelemente, die mit dem Stift 8 zusammenwirken, wieder eingefahren und der erste Abschnitt 16 desselben wieder in formschlüssigen Eingriff mit der Rastierkontur 13, nämlich einer der Ausnehmungen 14 und 15, der Schiebemuffe 10 gebracht. Die rampenartigen Rückführelemente sind durch radiales Ansteigen des Nutgrundes der Kontur 9a und 9b gebildet, so dass der Stift 8 zurückgedrückt wird, bis dieser im Aktuator 7 verrastet werden kann.
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Die Erfindung ermöglicht eine Reduzierung der Fertigungszeit und der Fertigungskosten. Weiterhin kann die Schaltdrehzahl des Ventiltriebs erhöht werden. Zum Verlagern des Schiebenockens 3 sind nur geringe Verschiebekräfte erforderlich. Der Stift 8 des Aktuators 7 kann stets mit hoher Positionsgenauigkeit relativ zu den Nuten 9a, 9b des Kulissenabschnitts 4 ausgerichtet werden, insbesondere werden durch unterschiedliche thermische Dehnungen der Baugruppen bewirkte Positionsabweichungen zwischen dem Stift 8 und den Nuten 9a, 9b des Kulissenabschnitts 4 eliminiert.
