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Die Erfindung betrifft ein Drei-Wellengetriebe für einen Verbrennungsmotor, umfassend eine Antriebseinheit, eine Abtriebseinheit sowie eine Verstellwelle, wobei die Antriebseinheit eine erste und eine zweite Komponente umfasst und eine der Komponenten eine Verzahnung aufweist, in die ein Umschlingungsmittel oder ein Zahnrad eingreift.
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Bei einem Drei-Wellengetriebe sind drei Wellen vorhanden. Über eine Antriebswelle, hier Antriebseinheit genannt, wird Antriebsleistung dem Getriebe zugeführt und über eine Abtriebswelle, hier Abtriebseinheit genannt, wieder abgegeben. Über eine dritte Welle, die sogenannte Verstellwelle, kann zusätzlich mechanische Leistung in das Getriebe eingekoppelt oder aus diesem abgeführt werden. Die mechanische Leistung der Verstellwelle wird damit der Antriebsleistung überlagert. Dadurch kann die von der Antriebswelle vorgegebene Bewegungsfunktion, wie zum Beispiel Geschwindigkeit, Moment oder Phasenlage, zur Abtriebseinheit hin verändert werden. Beispiele für Drei-Wellengetriebe sind Wellgetriebe, Planetengetriebe, Taumelscheibengetriebe und Einfach-Innenexzentergetriebe.
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Im Stand der Technik sind mehrere Möglichkeiten offenbart, wie die zur Antriebseinheit gehörenden Komponenten miteinander verbunden werden. In der
DE 10 2004 009 128 A1 ist ein Wellgetriebe dargestellt, bei dem das Antriebsrad und ein erstes Hohlrad einteilig ausgebildet sind. Weitere Beispiele für einteilige Ausführungen zeigen die Druckschriften
DE 10 2009 009 523 A1 ,
DE 10 2013 110 015 A1 und
DE 10 2004 038 681 A1 . Die Komponenten der Antriebseinheit weisen jedoch unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich stofflicher Eigenschaften, wie zum Beispiel Festigkeit und Härte, auf. Es werden somit Werkstoffe gewählt, die den höchsten Anforderungen der Antriebseinheit gerecht werden können. Somit sind einteilige Ausgestaltungen aufgrund der Werkstoffauswahl kostenintensiver.
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In der
DE 10 2004 038 681 A1 wird des Weiteren ein Einfach-Innenexzentergetriebe offenbart, bei dem ein Antriebsrad mit einem Hohlrad entweder einteilig gesintert oder verdrehfest verbunden wurde, zum Beispiel durch Aufpressen oder Laserschweißen. Des Weiteren wird ein Taumelscheibengetriebe offenbart, bei dem die Komponenten der Antriebseinheit mittels Schrauben verbunden sind.
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Die
DE 10 2012 203 984 A1 sowie die
DE 10 2013 216 183 A1 zeigen ebenfalls eine drehfeste Verbindung zwischen einem als Antriebselement ausgebildeten Hohlrad und einem Kettenrad.
DE 10 2004 020 124 A1 zeigt ein weiteres Drei-Wellengetriebe. Ein gattungsgemäßes Drei-Wellengetriebe geht aus
US 2012/0 145 104 A1 hervor.
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Pressverbindungen weisen jedoch neben den bekannten Vorteilen auch einige Nachteile auf. Zum einen können Verformungen an den einzelnen Bauteilen auftreten, wodurch die Funktionen eingeschränkt werden können. Zum anderen werden die verpressten Bauteile auch stark belastet, das zu einer Reduzierung der Lebensdauer führen kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist demnach, ein Drei-Wellengetriebe anzugeben, das gegenüber dem Stand der Technik eine einfachere und fertigungstechnisch günstigere Verbindung zwischen den Komponenten der Antriebseinheit aufweist.
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Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wird das im Anspruch 1 angegebene Drei-Wellengetriebe vorgeschlagen. Optionale vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich ganz oder teilweise aus den abhängigen Ansprüchen.
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Das erfindungsgemäße Drei-Wellengetriebe zeichnet sich dadurch aus, dass die erste und die zweite Komponente der Antriebseinheit miteinander formschlüssig verbunden sind. Das Drei-Wellengetriebe wird mittels eines Umschlingungsmittels, wie zum Beispiel eine Kette oder ein Zahnriemen, oder mittels eines in die Verzahnung der Komponente der Antriebseinheit eingreifendes Zahnrad angetrieben. Die Verzahnung ist vorzugsweise an der ersten Komponente der Antriebseinheit entweder am Außenumfang oder auf einer ihrer Stirnseiten angeordnet. Das bedeutet, dass die erste Komponente der Antriebseinheit als Ketten-, Riemen-, Stirnrad oder als sonstiges Zahnrad ausgebildet ist. Die zweite Komponente der Antriebseinheit weist vorzugsweise eine Innenverzahnung auf, die mit der Verstellwelle gekoppelt ist.
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Die erste Komponente der Antriebseinheit weist Aussparungen und die zweite Komponente zu den Aussparungen korrespondierende Formelemente auf, die in die Aussparungen der ersten Komponente eingreifen. Hierbei sind alle geometrischen Formen denkbar, wie beispielsweise rechteckig, trapezförmig, polygonförmig usw.
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Ferner sind die Formelemente und Aussparungen so ausgebildet, dass zwischen beiden Komponenten der Antriebseinheit ein Verdrehspiel vorhanden ist. Das bedeutet, es entsteht eine spielbehaftete Verbindung zwischen erster und zweiter Komponente der Antriebseinheit.
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Das Verdrehspiel kann beispielsweise kleiner oder größer als 0,3° sein. Bei einem größeren Winkel als 0,3° sind vorzugsweise in Umfangsrichtung neben den in den Aussparungen angeordneten Formelementen Federelemente angeordnet, wobei wenigstens eine Aussparung jeweils ein oder mehrere, vorzugsweise zwei, Federelemente aufweist. Die Federelemente sind in Umfangsrichtung ausgerichtet und ermöglichen einen Spielausgleich. Bei entsprechender Auslegung der Federelemente kann eine zusätzliche Dämpfung der eventuell auftretenden schädigenden Drehmomentspitzen erreicht werden. Das bedeutet, dass die angreifenden Belastungsmomente reduziert werden, wodurch das Getriebe kleiner und leichter dimensioniert werden kann. Die Steifigkeit und Vorspannung der Federelemente soll so gewählt werden, dass sie innerhalb des spezifizierten Betriebsmoments nicht oder nur unwesentlich einfedern und somit keine zu großen Schwingungen, zum Beispiel beim Halten eines geregelten Phasenwinkels, erreichen. Die Federelemente können demnach auch als Dämpfungselemente ausgebildet sein, so dass das Verdrehspiel mit den darin angeordneten Federelementen eine Dämpfungseinheit darstellt, die eine Drehdämpfung erzeugt.
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Es ist des Weiteren vorteilhaft, wenn axial bündig an der zweiten Komponente ein Distanzelement oder ein Deckel angeordnet ist, das von einem Sicherungselement fixiert ist. Distanzelemente können beispielsweise ein Distanzring, eine Distanzhülse oder auch ein Federelement, wie zum Beispiel ein Wellring oder eine Tellerfeder, sein. Hierfür sind die Aussparungen der ersten Komponente und die Formelemente der zweiten Komponente keilförmig, eventuell auch nur an einer Seite, ausgebildet, so dass die Formelemente in die Aussparungen eingreifen können. Durch das Distanzelement kann das entstandene Spiel in Umfangsrichtung zwischen Formelement und Aussparung durch axiales Zustellen kompensiert werden.
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Die axiale Position des Sicherungsrings und die Wanddicken von Deckel und zweiter Komponente bilden ein Axialspiel aus. Das mindeste Axialspiel richtet sich dabei nach der Toleranzbreite der Wanddicken. Das Axialspiel muss ausreichend groß dimensioniert werden, um ein sicheres Fügen des Sicherungselements zu gewährleisten. Dadurch ergibt sich bei kleinen Wanddicken von Deckel und/oder zweiter Komponente ein großes Axialspiel, welches ohne Vorspannung zu dynamischen Effekten und Geräuschen führen kann. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, wenn das Sicherungselement gegenüber dem Deckel und der zweiten Komponente axial durch ein Federelement vorgespannt ist.
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Bei Verwendung eines Deckels, ist es auch vorteilhaft, wenn der Deckel mit der zweiten Komponente der Antriebseinheit einteilig ausgebildet ist. Das bedeutet, dass der Deckel in der zweiten Komponente integriert ist und ein einziges Bauteil darstellt.
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Vorzugsweise weist die zweite Komponente einen Absatz zur Zentrierung auf. Der Absatz ragt in den Hohlraum der ersten Komponente hinein. Die Zentrierung soll den Positionsfehler zwischen Innenbohrung der ersten Komponente und der Innenverzahnung der zweiten Komponente minimieren.
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Das erfindungsgemäße Drei-Wellengetriebe kann beispielsweise als Stellglied für Nockenwellenverstellsysteme, zur variablen Ventilverstellung oder zur Verstellung der Kolbenendposition, d. h. zur variablen Verdichtung, verwendet werden. Die bevorzugten Drei-Wellengetriebe sind das Wellgetriebe, Einfach-Innenexzentergetriebe und das Taumelscheibengetriebe.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale, Merkmalskombinationen und Wirkungen auf der Basis der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter, beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung sowie aus den Zeichnungen. Diese zeigen in:
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1 eine Ausführungsform eines Wellgetriebes in Schnittansicht,
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2 die Antriebs- und Abtriebseinheit aus 1 in perspektivischer Schnittansicht,
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3 die zweite Komponente der Antriebseinheit aus 1 und 2,
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4 die erste Komponente der Antriebseinheit aus 1 und 2,
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5 eine weitere Ausführungsform eines Wellgetriebes mit einem in der zweiten Komponente integrierten Deckel,
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6 eine Ausführungsform eines Wellgetriebes mit aufweisendem Verdrehspiel zwischen beiden Komponenten der Antriebseinheit,
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7 einen Teilausschnitt der 6,
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8 eine weitere Ausführungsform eines Wellgetriebes mit aufweisendem Verdrehspiel zwischen erster und zweiter Komponente der Antriebseinheit,
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9 die in 8 dargestellte Aussparung mit angeordneten Federelementen,
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10 eine weitere Ausführungsform eines Wellgetriebes in Draufsicht auf eine Aussparung, in der eine Distanzscheibe angeordnet ist,
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11 eine weitere Ausführungsform eines Wellgetriebes in Draufsicht auf eine Aussparung, in der ein Federelement angeordnet ist,
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12 eine Ausführungsform einer Antriebseinheit in Draufsicht mit radial innenliegender Polygonform,
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13 eine weitere Ausführungsform einer Antriebseinheit in Draufsicht mit radial innenliegender Polygonform,
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14 eine Ausführungsform eines Wellgetriebes mit polygonförmiger Antriebseinheit in Schnittansicht.
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In der 1 bis 4 ist eine erste Ausführungsform eines Wellgetriebes für einen elektrischen Nockenwellenversteller dargestellt. Das Wellgetriebe weist eine Antriebseinheit 1, eine Abtriebseinheit 2 sowie eine Verstellwelle 3 auf. Die Antriebs- 1 und Abtriebseinheit 2 werden auch als Wellen bezeichnet. Die Antriebseinheit 1 umfasst eine erste 4 und eine zweite Komponente 5, die jeweils als Hohlrad ausgebildet sind. Die beiden Komponenten 4, 5 sind axial benachbart angeordnet und miteinander formschlüssig verbunden. Der Antrieb eines Wellgetriebes erfolgt über ein Zug- oder Umschlingungsmittel 6, wie zum Beispiel eine Kette, ein Zahnriemen oder ein Zahnrad, das von einer nicht dargestellten Kurbelwelle angetrieben wird. Hierfür weist die erste Komponente 4 der Antriebseinheit 1 eine Verzahnung 7 am Außenumfang auf. Die zweite Komponente 5 der Antriebseinheit 1 weist eine Innenverzahnung 8 auf, die im Eingriff mit einer Außenverzahnung 9 der Verstellwelle 3 steht. Die Verstellwelle 3 ist des Weiteren mit der Abtriebseinheit 2 gekoppelt, die wiederum mit einer Nockenwelle 10 verdrehfest verbunden ist. Die Nockenwelle 10 gehört zum Nockenwellenversteller, der hier nicht weiter dargestellt ist. Nockenwellenversteller dienen der schrittweisen oder kontinuierlichen Veränderung der Phasenlage der Nockenwelle 10 relativ zu der nicht dargestellten Kurbelwelle. Damit wird der Öffnungs- und Schließzeitpunkt der Gaswechselventile variiert. Die Veränderung der Phasenlage kann im Stillstand erfolgen oder der Drehbewegung der Wellen 1, 2 im Motorbetrieb überlagert werden. Die Abtriebseinheit 2, ebenfalls als Hohlrad ausgebildet, ist konzentrisch in dem Hohlraum der ersten Komponente 4 und drehverstellbar zur ersten Komponente 4 angeordnet.
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Die formschlüssige Verbindung der beiden Komponenten 4, 5 der Antriebseinheit 1 ist vor allem in den 2 bis 4 ersichtlich. Die erste Komponente 4 weist eine Vielzahl an Aussparungen 11 auf, die rechteckig oder zinnenförmig ausgebildet sind. Die Aussparungen 11 erstrecken sich radial komplett durch die erste Komponente 4. Die zweite Komponente 5 weist die gleiche Anzahl an Formelementen 12 auf, die sich in radialer Richtung erstrecken und mit den Aussparungen 11 der ersten Komponente 4 korrespondieren. Das bedeutet, dass die Formelemente 12 der zweiten Komponente 5 der Antriebseinheit 1 in die Aussparungen 11 der ersten Komponente 4 der Antriebseinheit 1 eingreifen.
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Axial bündig neben der zweiten Komponente 5 der Antriebseinheit 1 ist ein Deckel 13 angeordnet, der ebenfalls in den Aussparungen 11 der ersten Komponente 4 eingreift. Der Deckel 13 sowie die zweite Komponente 5 werden mittels eines Sicherungselements 14, in Form eines Sprengrings, positioniert und fixiert. Hierzu weist die erste Komponente 4 eine am Innenumfang angeordnete Nut 15 auf, in diese das Sicherungselement 14 eingelegt ist.
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Ferner weist die zweite Komponente 5 der Antriebseinheit 1 in den 1 bis 5 einen Absatz 16 zur Zentrierung auf. Der Absatz 16 ist auf der zur Abtriebseinheit 2 hin gerichteten Stirnseite angeordnet und in dem Hohlraum der ersten Komponente 4 angeordnet. Dadurch wird eine exakte Positionierung der zweiten Komponente 5 und deren Innenverzahnung 8 gewährleistet.
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In der 5 ist im Unterschied zu den vorherigen Figuren die zweite Komponente 5 der Antriebseinheit 1 mit dem Deckel 13 einteilig ausgebildet. Dadurch wird die Anzahl der Bauteile des Getriebes reduziert.
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In der 6 und 7 ist eine Ausführungsform eines Wellgetriebes dargestellt, bei dem ein Verdrehspiel L kleiner als 2° zwischen der ersten 4 und der zweiten Komponente 5 vorhanden ist. Die 7 stellt eine Vergrößerung der 6 dar. Das Verdrehspiel entsteht dadurch, dass die Aussparungen 11 der ersten Komponente 4 in Umfangsrichtung größer sind als die darin angeordneten Formelemente 12 der zweiten Komponente 5.
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Im Vergleich dazu stellen die 8 und 9 ein Verdrehspiel L größer als 2° zwischen der ersten 4 und der zweiten Komponente 5 dar. Die 9 ist nur zur besseren Sichtweise des Verdrehspiels L ohne Deckel 13 und Sicherungselement 14 dargestellt. In der Aussparung 11, die in Umfangsrichtung erheblich größer ist als das darin angeordnete Formelement 12, sind zwei Federelemente 17 vorhanden, die eine Dämpfung sowie ein Spielausgleich ermöglichen und sich in Umfangsrichtung erstrecken.
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Die 10 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform eines Wellgetriebes. Die Aussparungen 11 der ersten Komponente 4 sowie die Formelemente 12 der zweiten Komponente 5 der Antriebseinheit 1 sind keil- oder trapezförmig ausgebildet. Dadurch kann das durch die Fertigungstoleranzen entstehende Fügespiel ausgeglichen werden. Die zweite Komponente 5 kann abhängig von der Größe des Fügespiels in axialer Richtung zugestellt werden. Der Abstand zwischen Formelement 12 und Sicherungselement 14 wird mittels einer Distanzscheibe 18 festgestellt. Dadurch ist eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Fertigungstoleranzen und des Fügespiels gegeben.
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In der 11 ist im Unterschied zu 10 ein Wellring 19 zwischen Sicherungselement 14 und Formelement 12 der zweiten Komponente 5 der Antriebseinheit 1 angeordnet. Statt eines Wellrings 19 könnte auch beispielsweise eine Tellerfeder verwendet werden. Der Wellring 19 stellt ein axial wirkendes Federelement dar, das die keilförmigen Kontaktflächen zwischen Aussparung 11 und Formelement 12 aufeinander drückt, wodurch eine günstige Dämpfungswirkung aufgrund elastischer Nachgiebigkeit erreicht wird. Dabei resultiert aus dem Drehmoment aufgrund der schrägen Kontaktflächen eine Axialkraftkomponente, welche gegen den Wellring 19 wirkt. Des Weiteren entsteht an den schrägen Kontaktflächen eine Reibungsdämpfung. Mittels des Wellrings 19 oder der Distanzscheibe 18 in 10 kann auch eine Drehdämpfung erreicht werden.
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Die 12 zeigt eine mögliche Ausführungsform einer Antriebseinheit, wobei die zweite Komponente 5 der Antriebseinheit 1 als Polygonform ausgebildet ist. Die Polygonform der zweiten Komponente 5 ähnelt einem Dreieck mit abgerundeten Ecken. Die abgerundeten Ecken stellen die Formelemente 12 dar. Die erste Komponente 4 der Antriebseinheit 1 weist dementsprechend korrespondierende Aussparungen 11 auf, so dass zwischen erster 4 und zweiter Komponente 5 ein Passsitz und somit auch eine formschlüssige Verbindung entsteht. Die Aussparungen 11 erstrecken sich nicht komplett radial durch die erste Komponente 4. Das bedeutet, dass die erste Komponente 4 nur einen Hohlraum und keine radial durchgehenden Öffnungen aufweist. Der Hohlraum ist ebenfalls als Polygonform ausgebildet, der mit der Form der zweiten Komponente korrespondiert. Die zweite Komponente 5 ist in den Hohlraum der ersten Komponente 4 eingebracht, so dass die Formelemente 12 der zweiten Komponente 5 in die Aussparungen 11 der ersten Komponente 4 eingreifen. Um ein axiales Herausrutschen der zweiten Komponente 5 aus der ersten Komponente 4 zu verhindern, ist ein Sicherungselement 14 in die erste Komponente 4 eingebracht. Das Sicherungselement 14 ist, wie auch bereits in den 1 bis 11 beschrieben, in eine Sicherungsnut 15, die am Innenumfang der ersten Komponente 4 angeordnet ist, eingelegt.
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In 13 ist eine zweite Ausführungsform der Antriebseinheit dargestellt. Der Unterschied zu 12 ist die Ausgestaltung der Polygonform. Die Polygonform ähnelt hier einem Stern mit abgerundeten Ecken.
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In der 14 ist eine Ausführungsform eines Wellgetriebes mit polygonförmiger Antriebseinheit in Schnittansicht dargestellt. Der Aufbau unterscheidet sich nur gering gegenüber der Ausführungsform aus 1. Die erste Komponente 4 weist im Vergleich zu 1 keine radial durchgehende Aussparungen 11 auf. Die Aussparungen 11 sind als Hohlraum in der ersten Komponente 4 ausgebildet, in denen die Formelemente 12 der zweiten Komponente 5 eingreifen. Die hier dargestellte Antriebseinheit 1 entspricht der Antriebseinheit 1 aus 13.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebseinheit
- 2
- Abtriebseinheit
- 3
- Verstellwelle
- 4
- Erste Komponente der Antriebseinheit
- 5
- Zweite Komponente der Antriebseinheit
- 6
- Zug- oder Umschlingungsmittel
- 7
- Außenverzahnung der ersten Komponente
- 8
- Innenverzahnung der zweiten Komponente
- 9
- Außenverzahnung der Verstellwelle
- 10
- Nockenwelle
- 11
- Aussparung in der ersten Komponente
- 12
- Formelement der zweiten Komponente
- 13
- Deckel
- 14
- Sicherungselement
- 15
- Nut für Sicherungselement
- 16
- Absatz
- 17
- Federelement
- 18
- Distanzhülse
- 19
- Wellring
- L
- Verdrehspiel
