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Die Erfindung betrifft einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine, mit einer Nockenwelle, die eine Antriebswelle sowie ein darauf drehfest und zwischen Axialpositionen verschiebbar angeordnetes Nockenstück umfasst, das eine Gruppe benachbarter Nocken unterschiedlicher Erhebungen aufweist und auf dem eine nutartige Axialkulisse angeordnet ist, deren Nutwände zwei sich in einem Kreuzungsbereich kreuzende Kulissenbahnen vorgeben, und mit einem in die Axialkulisse einfahrenden Betätigungsstift zur Verschiebung des Nockenstücks in Richtung der der Verschieberichtung entsprechenden Orientierung der Kulissenbahnen.
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Hintergrund der Erfindung
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Ein hubvariabler Ventiltrieb mit einer derartigen Axialkulisse, bei der ein einziger Betätigungsstift ausreicht, um das Nockenstück entlang der beiden sich kreuzenden Kulissenbahnen zwischen zwei Axialpositionen zu verschieben, ist beispielsweise aus der
DE 101 48 177 A1 bekannt. Aufgrund des mangelnden axialen Bauraumangebots ist die Axialkulisse nur von äußeren Nutwänden begrenzt und folglich als x-förmig offene Nut ausgebildet. Bei diesen äußeren Nutwänden handelt es sich – bezüglich der Drehrichtung des Nockenstücks – vor dem Kreuzungsbereich um die beiden gegenüberliegenden Beschleunigungsflanken, mit denen sich das Nockenstück am Betätigungsstift um etwa die Hälfte einer Nockenbreite zwangsverschiebt, und hinter dem Kreuzungsbereich um die beiden Verzögerungsflanken, mit denen sich das (träge) Nockenstück nach einer Freiflugphase im Kreuzungsbereich am Betätigungsstift zwangsabstützt.
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Im Falle eines unzureichend großen Verhältnisses von Trägheits- zu Reibkräften, insbesondere aufgrund zu geringer Nockenwellendrehzahl, kann jedoch eine Zwangsweiterverschiebung des Nockenstücks erforderlich sein, damit sich dieses auch hinter dem Kreuzungsbereich um etwa die zweite Hälfte der Nockenbreite vollständig und somit fehlschaltungsfrei von der einen in die andere Axialposition verschiebt. Zur Wiederherstellung der hinter dem Kreuzungsbereich zunächst fehlenden Zwangsweiterverschiebung sind in der Patentliteratur verschiedene Lösungsansätze zur Bildung innerer Nutwände vorgeschlagen. So offenbart die
DE 10 2008 024 911 A1 flexible Führungselemente, die durch den Betätigungsstift gesteuert die Kulissenbahnen in deren Kreuzungsbereich ähnlich einer Weiche freigeben bzw. versperren. Vergleichbare Systeme sind in der
DE 10 2012 210 212 A1 ,
DE 10 2012 210 213 A1 und
DE 10 2012 212 240 A1 sowie mit umschaltbaren Leitflügeln auch in der
DE 10 2009 007 819 A1 vorgeschlagen.
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Alternativ ist es aus der
DE 10 2009 053 116 A1 bekannt, den Nutgrund der beiden Kulissenbahnen in unterschiedlichen Tiefen anzuordnen. Dies löst die genannte Problematik jedoch nur zum Teil, da lediglich die tiefere Kulissenbahn eine zusätzliche innere Führungswand hinter dem Kreuzungsbereich erhält.
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Die
DE 10 2007 056 337 A1 offenbart einen Ventiltrieb mit Nutwänden, die auf einem Nutwandteil verlaufen, das um die Nockenwellendrehachse relativ zum Nockenstück verdrehbar ist.
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Aufgabe der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ventiltrieb der eingangs genannten Art mit einer Axialkulisse anzugeben, die hinsichtlich der Zwangsweiterverschiebung des Nockenstücks hinter dem Kreuzungsbereich eine konstruktive Alternative darstellt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Demnach sollen die Nutwände auf zwei axial gegenüberliegenden Nutwandteilen verlaufen, die jeweils um die Nockenwellendrehachse relativ zum Nockenstück und mit den darauf verlaufenden Nutwänden gegensinnig verdrehbar sind und die durch ein Umlenkgetriebe gekoppelt sind, das deren gegensinnige Verdrehung erzeugt. Dabei ist der axiale Abstand der gegenüberliegenden Nutwände an deren axial höchsten Punkten im Übergang zwischen den bezüglich der Drehrichtung des Nockenstücks vor dem Kreuzungsbereich axial ansteigenden Nutwänden und hinter dem Kreuzungsbereich axial abfallenden Nutwänden kleiner als die Dicke (typischerweise der Durchmesser) des Betätigungsstifts. Die zueinander gegensinnige Verdrehbarkeit der Nutwandteile ermöglicht es, die sich gegenüber liegenden Nutwände im Kreuzungsbereich axial einander anzunähern, so dass deren Axialhub dementsprechend vergrößert wird und dennoch der Betätigungsstift den Kreuzungsbereich frei passieren kann. Der durch derartige Nutwände zusätzlich erzwungene Axialhub des Nockenstücks ist zugunsten der Risikominimierung von Fehlschaltungen des Nockenstücks dann maximal, wenn die axial höchsten Punkte im Übergang zwischen den axial ansteigenden Nutwänden vor dem Kreuzungsbereich und den axial abfallenden Nutwänden hinter dem Kreuzungsbereich in derselben axialen Ebene liegen und (im Idealzustand) folglich der kleinste axiale Abstand der gegenüberliegenden Nutwände Null ist.
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Die gegensinnige Verdrehung der Nutwandteile mittels des Umlenkgetriebes soll vorzugsweise durch die Umfangskraft zwischen dem Betätigungsstift und demjenigen Nutwandteil erzeugt werden, das der in die Axialkulisse eingefahrene Betätigungsstift vor dem Kreuzungsbereich kontaktiert.
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Das Umlenkgetriebe kann durch Druckstücke und eine im Nockenstück verlaufende Umlenknut gebildet sein, in dem die Druckstücke, insbesondere Kugeln, mit einer 180°-Umlenkung aneinandergereiht aufgenommen sind. Dabei soll jedes Nutwandteil einen in der Umlenknut verfahrenden Mitnehmer aufweisen, der unter gegensinniger Verdrehung des jeweils anderen Nutwandteils die Druckstücke in der Umlenknut verlagert. Als Alternative zu den Druckstücken kann die Umlenkung auch mittels Zugelementen, wie beispielsweise ein Seilzug oder eine Kugelkette erfolgen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist. Sofern nicht anders erwähnt, sind dabei gleiche oder funktionsgleiche Merkmale oder Bauteile mit gleichen Bezugszahlen versehen. Es zeigen:
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1 einen Ausschnitt eines bekannten hubvariablen Gaswechselventiltriebs einer Brennkraftmaschine in Seitenansicht;
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2 ein erfindungsgemäßes Nockenstück in Draufsicht auf die Axialkulisse;
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3 das Nockenstück mit gegenüber 2 verdrehten Nutwandteilen in perspektivischer Draufsicht;
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4 das Nockenstück in perspektivischer Rückansicht;
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5 das Nockenstück in teilaufgeschnittener perspektivischer Rückansicht gemäß 4;
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6 das Nockenstück in explodierter perspektivischer Draufsicht gemäß 3;
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7 das Nockenstück in explodierter perspektivischer Rückansicht gemäß 5;
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8 den Schnitt A-A gemäß 5 vor der Verdrehung der Nutwandteile;
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9 den Schnitt A-A gemäß 5 vor dem Beginn der Nockenstückverschiebung;
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10 in schematischer Darstellung eine erste alternative Nutgrundgestaltung zur Erzeugung der Nutwandverdrehung;
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11 in schematischer Darstellung eine zweite alternative Nutgrundgestaltung zur Erzeugung der Nutwandverdrehung.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt einen bekannten hubvariablen Gaswechselventiltrieb
1 einer Brennkraftmaschine, dessen grundlegendes Funktionsprinzip sich dahingehend zusammenfassen lässt, dass eine konventionell starr ausgebildete Nockenwelle durch eine außenverzahnte Antriebswelle
2 und darauf mittels Innenverzahnung
3 (siehe
3) drehfest und axialverschiebbar gelagerte Nockenstücke
4 ersetzt ist. Jedes Nockenstück
4 weist zwei Gruppen axial unmittelbar benachbarter Nocken
5a und
5b auf, deren unterschiedliche Erhebungen mittels Schlepphebeln
6 auf die Gaswechselventile
7 übertragen werden. Die zur betriebspunktabhängigen Aktivierung des jeweiligen Nockens
5a oder
5b erforderliche Verschiebung des Nockenstücks
4 auf der Antriebswelle
2 erfolgt über zwei nutartige Kulissenbahnen
8 und
9 am Nockenstück
4, die sich entsprechend der Verschieberichtung in ihrer Orientierung unterscheiden, und über zylindrische Betätigungsstifte
10 und
11, die je nach momentaner Stellung des Nockenstücks
4 selektiv in eine der Kulissenbahnen
8,
9 einfahren. Jeder Betätigungsstift
10,
11 ist Teil eines nicht dargestellten elektromagnetischen Aktuators, wie er beispielsweise aus der
EP 1 421 591 B1 bekannt ist.
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Die 2 bis 4 zeigen verschiedene Ansichten eines erfindungsgemäßen Nockenstücks 4, das zwei Gruppen mit jeweils drei benachbarten Nocken 5a, 5b, 5c unterschiedlicher Erhebungen und eine zwischen den Nockengruppen angeordnete Axialkulisse 12 mit zwei sich kreuzenden Kulissenbahnen 8 und 9 aufweist. Die Betätigung des entsprechend der Nockenanzahl pro Gruppe dreistufig hubvariablen Ventiltriebs 1 erfolgt mittels zwei Betätigungsstiften 10 und 11, die axial um eine Nockenbreite beabstandet nebeneinander angeordnet sind und die selektiv in die nutartige Axialkulisse 12 einfahren, um das Nockenstück 4 zwischen den drei Axialpositionen zu verschieben. Im nicht dargestellten Alternativfall eines zweistufig hubvariablen Ventiltriebs mit zwei Nocken pro Nockengruppe reicht ein einziger Betätigungsstift aus, um das Nockenstück in die dann zwei Axialpositionen zu verschieben.
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Die beiden Kulissenbahnen 8 und 9 werden durch die Nutwände 13, 14, 15, 16 der Axialkulisse 12 vorgegeben. Wie weiter unten im Detail erläutert, verlaufen die Nutwände 13, 14, 15, 16 auf zwei axial gegenüberliegenden Nutwandteilen 17 und 18, die um die Nockenwellendrehachse 19 verdrehbar sind, und zwar sowohl relativ zum Nockenstück 4 als auch relativ zueinander. Die Nutwandteile 17, 18 sind in 2 so gegeneinander verdreht, dass sich das mit der jeweils eingezeichneten Drehrichtung rotierende Nockenstück 4 beim Einfahren des in 2 rechten Betätigungsstifts 10 entlang der ersten, mit durchgezogener Linie dargestellten Kulissenbahn 8 um eine Axialposition nach rechts verschiebt. Das Einfahren des linken Betätigungsstifts 11 in die Axialkulisse 12 würde hingegen zunächst eine gegensinnige Verdrehung der Nutwandteile 17, 18 in deren in 3 dargestellte Relativposition bewirken, bevor sich das Nockenstück 4 entlang der zweiten, mit gepunkteter Linie dargestellten Kulissenbahn 9 um eine Axialposition nach links verschiebt.
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Der kleinste axiale Abstand der – bezüglich der Drehrichtung des Nockenstücks 4 – vor dem Kreuzungsbereich 20 axial ansteigenden, d. h. sich annähernden Nutwände 13 und 14, und hinter dem Kreuzungsbereich 20 axial abfallenden, d. h. sich voneinander entfernenden Nutwände 15 und 16 ist so bemessen, dass deren axial höchste Punkte 21 und 22 im wesentlichen spielfrei aneinander vorbei drehen. Anders als bei bekannten Axialkulissen, die mit starren und im Hinblick auf den Freigang des Betätigungsstifts im Kreuzungsbereich entsprechend voneinander beabstandeten Nutwänden x-förmig offen sind, ermöglicht die gegensinnige Verdrehbarkeit der gegenüberliegenden Nutwände 13, 14, 15, 16, dass der Axialhubbereich der Axialkulisse 12, in dem sich das Nockenstück 4 zwangsweise am Betätigungsstift 10 oder 11 verschiebt, um etwa den halben Durchmesser des Betätigungsstifts 10, 11 vergrößert werden kann. Aus der Krümmung der Nutwände 13 und 14 wird zudem deutlich, dass diese bereits vor ihrem axial höchsten Punkt 21 bzw. 22 von einer Beschleunigung in eine Verzögerung übergehen können, um so hinter dem Kreuzungsbereich 20 einen möglichst sanften Anlagewechsel des Betätigungsstifts 10, 11 an die jeweils gegenüberliegende Nutwand 16 bzw. 15 zu erzeugen.
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Die Kulissenbahnen 8, 9 haben nicht nur eine axiale, sondern auch eine radial veränderliche Erhebung derart, dass jeweils der Nutgrund 23 bzw. 24 vor dem Kreuzungsbereich 20 abfällt und hinter dem Kreuzungsbereich 20 wieder ansteigt, um den eingefahrenen Betätigungsstift 10 oder 11 nach dem Verschieben des Nockenstücks 4 aktiv aus der Axialkulisse 12 auszufahren.
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Die konstruktive Gestaltung des Nockenstücks 4 mit den verdrehbar darauf gelagerten Nutwandteilen 17, 18 sei anhand der 5 bis 7 erläutert. Wie es in 5 mit Hilfe eines Ausbruchs gezeigt ist, sind die beiden Nutwandteile 17, 18 durch ein Umlenkgetriebe 25 gekoppelt, das die gegensinnige Verdrehung der Nutwandteile 17, 18 erzeugt. Das Umlenkgetriebe 25 ist durch Druckstücke und hier durch Kugeln 26 gebildet, die in einer im Nockenstück 4 radial unterhalb der Nutwandteile 17, 18 verlaufenden Umlenknut 27 aneinandergereiht aufgenommen sind. Der Umlenkwinkel der Umlenknut 27 beträgt 180°. Jedes Nutwandteil 17, 18 weist am zugehörigen Ende der Kugelreihe einen in der Umlenknut 27 verfahrenden Mitnehmer 28 bzw. 29 auf, der bei Verdrehung des Nutwandteils 17, 18 relativ zum Nockenstück 4 den anderen Mitnehmer 28, 29 mittels der in der Umlenknut 27 abrollenden Kugeln 26 verschiebt und folglich das jeweils andere Nutwandteil 17, 18 gegensinnig verdreht.
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Das Nockenstück 4 umfasst einen zylindrischen Nockenträger 30 mit der Innenverzahnung 3 und einem radial vorspringenden Zapfen 31 sowie die beiden Nockengruppen, die als einstückige Nockenpakete 32, 33 beidseits des Zapfens 31 auf dem Nockenträger 30 aufgepresst sind. Auf dem Zapfen 31 sind die Umlenknut 27 und dazu im wesentlichen diametral gegenüberliegend zwei Führungsnuten 34, 35 eingearbeitet und die Nutwandteile 17, 18 sowohl radial als auch axial gelagert aufgenommen. Die Nutwandteile 17, 18 sind als Ringe 17, 18 ausgebildet und zweckmäßigerweise als Sinter-, Schmiede-, Feinguss- oder Metallspritzgussteile hergestellt. Die Radiallagerung ist durch den Gleitkontakt zwischen dem Außenmantel 36 des Zapfens 31 und dem Innenmantel des jeweiligen Rings 17 oder 18 gebildet. Die Axiallagerung ist jeweils durch den Mitnehmer 28, 29 und einen dazu diametral gegenüberliegenden Führungsstift 37, 38 gebildet, wobei die Mitnehmer 28, 29 und die Führungsstifte 37, 38 radial einwärts vorstehend in diametral gegenüberliegenden Querbohrungen 39, 40, 41, 42 der Ringe 17, 18 eingepresst sind und axial an den Nutwänden der Umlenknut 27 bzw. an den Nutwänden der Führungsnuten 34, 35 anlaufen. Darüber hinaus kontaktieren sich die Nutwandteile 17, 18 ringstirnseitig. Um bei deren Verdrehung die umfängliche Stoßbelastung auf das Umlenkgetriebe 25 zu begrenzen, dienen die Führungsstifte 37, 38 als den Verdrehwinkel der Nutwandteile 17, 18 begrenzende Drehanschläge. Andernfalls kann diese Funktion auch von den Mitnehmern 28, 29 erzeugt werden, so dass die Führungsstifte 37, 38 und die Führungsnuten 34, 35 dann auch entfallen können.
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Die Umlenknut 27 hat im Bereich ihres Nutgrunds einen der Kugelform entsprechenden, kreissegmentförmigen Querschnitt, an den die darin verfahrenden Mitnehmer 28, 29 mit entsprechend sphärischen Stiftenden angepasst sind.
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Die gegensinnige Verdrehung der Nutwandteile 17, 18 erfolgt durch die in die Axialkulisse 12 selektiv eingefahrenen Betätigungsstifte 10 oder 11. Dies ist in den 8 und 9 illustriert, die den Schnitt A-A gemäß 5 vor Verdrehbeginn der Nutwandteile 17, 18 bzw. vor Verschiebebeginn des Nockenstücks 4 in Verbindung mit dem eingefahrenen Betätigungsstift 10 zeigen. Die Verdrehung der Nutwandteile 17, 18 wird dadurch initiiert, dass der Betätigungsstift 10 bereits vor dem Anstieg des Nutgrunds 23 in die Axialkulisse 12 einfährt und somit vor dem Kreuzungsbereich 20 (siehe 2) das zugehörige Nutwandteil 17 mit einer in Umfangsrichtung wirkenden Kontaktkraft beaufschlagt. Falls, wie in 8 dargestellt, dieses Nutwandteil 17 noch in Drehrichtung des Nockenstücks 4 verdreht ist, dann bewirkt die Kontaktkraft eine Relativverdrehung dieses Nutwandteils 17 entgegen der Drehrichtung und – aufgrund der umlenkenden Kopplung durch das Umlenkgetriebe 25 – eine gleichzeitige Verdrehung des anderen Nutwandteils 18 in die Drehrichtung. Dabei weicht der in Richtung des Nutgrunds 23 kraftbeaufschlagte Betätigungsstift 10 dem Anstieg des Nutgrunds 23 aus, um anschließend dem abfallenden Nutgrund 23 folgend wieder vollständig in die Axialkulisse 12 einzufahren. Nach Abschluss dieser gegensinnigen Verdrehung ergibt sich die in 9 dargestellte Relativdrehstellung des Nutwandteils 17, bei der der Führungsstift 37 am anderen Ende der Führungsnut 34 anschlägt und die Kugelreihe 26 zum anderen Nutwandteil 18 hin verlagert ist. Wie bereits oben erläutert, erfolgt die anschließende Zwangsverschiebung des Nockenstücks 4 in die andere Axialposition dadurch, dass sich das drehende Nockenstück 4 mit der axial ansteigenden Nutwand 13 am Betätigungsstift 10 abstützt.
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Der endseitige Anschlag der Führungsstifte 37, 38 in den Führungsnuten 34, 35 kann optional eine Endlagendämpfung, beispielsweise einen elastisch verformbaren Überzug des Führungsstifts 37, 38 umfassen (nicht dargestellt).
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Die 10 und 11 zeigen alternative Möglichkeiten zur Initiierung der Nutwandteilverdrehung. Dabei fährt der Betätigungsstift 10 oder 11 erst hinter dem abfallenden Bereich des Nutgrunds 23 oder 24 in die Axialkulisse 12 ein und trifft dort entweder auf eine zusätzliche Radialerhebung 43 gemäß 10 oder auf ein Sperrelement 44 gemäß 11 zur Erzeugung der das Nutwandteil 17 oder 18 verdrehenden, umfänglichen Kontaktkraft. Anders als die zusätzliche Radialerhebung 43 ist das Sperrelement 44 nicht starrer Bestandteil des Nutgrunds 23, 24, sondern kann nach erfolgter Relativverdrehung des Nutwandteils 17, 18 auf dem Nockenträger 30 in eine Ausnehmung 45 des Nockenträgers 30 entgegen der Kraft einer Feder 46 eintauchen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ventiltrieb/Gaswechselventiltrieb
- 2
- Antriebswelle
- 3
- Innenverzahnung
- 4
- Nockenstück
- 5
- Nocken
- 6
- Schlepphebel
- 7
- Gaswechselventil
- 8
- Kulissenbahn
- 9
- Kulissenbahn
- 10
- Betätigungsstift
- 11
- Betätigungsstift
- 12
- Axialkulisse
- 13
- ansteigende Nutwand
- 14
- ansteigende Nutwand
- 15
- abfallende Nutwand
- 16
- abfallende Nutwand
- 17
- Nutwandteil, Ring
- 18
- Nutwandteil, Ring
- 19
- Nockenwellendrehachse
- 20
- Kreuzungsbereich der Kulissenbahnen
- 21
- axial höchster Punkt der Nutwand
- 22
- axial höchster Punkt der Nutwand
- 23
- Nutgrund
- 24
- Nutgrund
- 25
- Umlenkgetriebe
- 26
- Druckstück/Kugel
- 27
- Umlenknut
- 28
- Mitnehmer
- 29
- Mitnehmer
- 30
- Nockenträger
- 31
- Zapfen
- 32
- Nockenpaket
- 33
- Nockenpaket
- 34
- Führungsnut
- 35
- Führungsnut
- 36
- Außenmantel des Zapfens
- 37
- Führungsstift
- 38
- Führungsstift
- 39
- Querbohrung
- 40
- Querbohrung
- 41
- Querbohrung
- 42
- Querbohrung
- 43
- Radialerhebung
- 44
- Sperrelement
- 45
- Ausnehmung
- 46
- Feder
