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Die Erfindung betrifft eine Stößelanordnung zum Übertragen einer Bewegungskraft von einer Antriebswelle auf einen Pumpenkolben einer Kraftstoffhochdruckpumpe sowie eine Kraftstoffhochdruckpumpe, die eine solche Stößelanordnung aufweist.
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Kraftstoffhochdruckpumpen, die einen Kraftstoff, der zu einem Brennraum einer Brennkraftmaschine zugeführt werden soll, mit hohem Druck beaufschlagen, werden zumeist als Kolbenpumpen ausgebildet, wobei ein Pumpenkolben einen in einem Druckraum vorhandenen Kraftstoff durch eine translatorische Bewegung zusammendrückt und so mit hohem Druck beaufschlagt. Beispielsweise beaufschlagen Kraftstoffhochdruckpumpen in Benzin-Brennkraftmaschinen den Kraftstoff mit einem Druck zwischen 200 bar und 300 bar, während Kraftstoffhochdruckpumpen in Diesel-Brennkraftmaschinen den Kraftstoff mit einem Druck zwischen 2000 bar und 3000 bar beaufschlagen.
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Um den Pumpenkolben in seiner translatorischen Bewegung anzutreiben, wird häufig eine Antriebswelle verwendet, die sich um eine Antriebswellendrehachse dreht, wobei beispielsweise ein an der Antriebswelle angeordneter Nocken den Pumpenkolben von der Antriebswellendrehachse wegdrückt, sodass das Volumen in dem Druckraum, in dem sich der Kraftstoff befindet, verkleinert wird, und so der Kraftstoff mit Druck beaufschlagt wird. Bei einem Weiterdrehen der Antriebswelle bewegt sich der Pumpenkolben dann wieder in Richtung auf die Antriebswellendrehachse zu, wodurch sich das Volumen des Druckraumes wieder vergrößert.
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Zum Übertragen der translatorischen Bewegung von der Antriebswelle auf den Pumpenkolben wird zumeist eine Stößelanordnung verwendet, die einerseits eine Oberfläche der Antriebswelle und andererseits den Pumpenkolben kontaktiert, um so die Bewegungskraft der Antriebswelle auf den Pumpenkolben zu übertragen. Solche Stößanordnungen können beispielsweise gebildet sein als Exzenterringe, sogenannte Reiter, die derart in Kontakt mit der Antriebswelle sind, dass sich die Antriebswelle zusammen mit dem darin angeordneten Nocken unter dem Exzenterring wegdreht, während sich der Exzenterring in einer translatorischen Richtung auf und ab bewegt, ohne dabei jedoch selbst zu drehen. Alternativ kann die Stößanordnung auch beispielsweise als ein Rollenstößel ausgebildet sein, wobei eine Stößelrolle auf der Oberfläche der Antriebswelle abrollt und somit die Bewegungskraft der Antriebswelle reibungsarm auf den Pumpenkolben übertragen kann.
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In allen Anwendungen wird demgemäß ein rotatorisches Antriebsmoment der Antriebswelle in eine lineare Bewegung zum Antrieb des Pumpenkolbens der Kraftstoffhochdruckpumpe gewandelt und somit schließlich der Hochdruck aufgebaut. Die Drehmoment-Kraftwandlung erfordert eine axiale Führung der kraftübertragenden Elemente von der Antriebswelle auf den Pumpenkolben entlang einer Bewegungsachse, entlang welcher der Pumpenkolben seine translatorische Bewegung ausführt. Aufgrund der oben genannten hohen Drücke, die durch die Kraftstoffhochdruckpumpe erzeugt werden sollen, sind die Anforderungen an diese Führung sowie die daraus resultierenden Fertigungsaufwendungen recht hoch. Des Weiteren nehmen Standardführungen signifikant Bauraum in Anspruch. Wenn die Führung zusätzlich, wie aus einigen Lösungen bekannt ist, auch als bewegtes Teil realisiert ist, werden höhere Massen in der Kraftstoffhochdruckpumpe beschleunigt, was zu einer weiteren Beanspruchung des Gesamtsystems führt.
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DE 10 2008 002 178 A1 offenbart eine Kraftstoffhochdruckpumpe mit einer Stößelbaugruppe und einem Zylinderkopf, wobei ein Verdrehsicherungsstift, der in dem Zylinderkopf befestigt ist, vollständig in eine Ausnehmung in der Stößelbaugruppe eintaucht.
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EP 1 028 252 A2 offenbart eine Verdrehsicherung zwischen einem Zylinderkopf einer Kraftstoffhochdruckpumpe und einer Stößelbaugruppe, wobei eine in der Stößelbaugruppe angeordnete Rippe in einer Ausnehmung an einer Oberfläche des Zylinderkopfes geführt ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine verbesserte Stößelanordnung für eine Kraftstoffhochdruckpumpe anzugeben.
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Diese Aufgabe wird mit einer Stößelanordnung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
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Eine Kraftstoffhochdruckpumpe, die diese Stößelanordnung aufweist, ist Gegenstand des nebengeordneten Anspruches.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Eine Stößelanordnung zum Übertragen einer Bewegungskraft von einer Antriebswelle auf einen Pumpenkolben einer Kraftstoffhochdruckpumpe weist ein Stößelelement zum Kontaktieren einer Oberfläche der Antriebswelle auf, das eine Kontaktfläche zum Kontaktieren des Pumpenkolbens aufweist, und das zum Ausführen einer Hubbewegung entlang einer im Wesentlichen senkrecht zu der Kontaktfläche angeordneten Bewegungsachse ausgebildet ist. Weiter weist die Stößelanordnung eine axiale Führungsanordnung zum Führen des Stößelelements während seiner Bewegung entlang der Bewegungsachse auf. Die axiale Führungsanordnung weist dabei wenigstens eine sich im Wesentlichen parallel zu der Bewegungsachse erstreckende axiale Nut in einer Oberfläche des Stößelelements und wenigstens eine sich im Wesentlichen parallel zu der Bewegungsachse erstreckende axiale Eingreifeinrichtung zum Eingreifen in die Nut auf.
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Vorteilhaft erstreckt sich die Nut dabei parallel zu der Bewegungsachse über die gesamte Oberfläche des Stößelelements.
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In bisherigen Lösungen wurde eine Führungsanordnung durch ein Stößelhemd realisiert, das das Stößelelement vollständig umgibt und entweder in einer Gehäuseausnehmung eines Pumpengehäuses der Kraftstoffhochdruckpumpe fixiert ist, aber auch als bewegtes Element ausgestaltet sein konnte, das durch das Pumpengehäuse selbst geführt worden ist. Die Führungsanordnung, die nun so ausgebildet ist, dass eine Eingreifeinrichtung in eine Nut im Stößelelement eingreift, führt zu einer Lösung, die sehr viel kleiner ist als bekannte Lösungen mit beispielsweise Stößelhemden. Insbesondere der Fertigungsaufwand dieser kleinen Lösung ist gering, da auf Normteile zurückgegriffen werden kann. Auch ist die erreichbare Genauigkeit der Führung des Stößelelements in Bezug auf die Drehachse der Antriebswelle größer, da die Oberfläche der Führungsanordnung, insbesondere der Eingreifeinrichtung, im Gegensatz zu bekannten Lösungen im montierten Zustand nicht bearbeitet werden muss.
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Die Eingreifeinrichtung ist als stiftförmiges Element ausgebildet, das einen Umfang aufweist, wobei das stiftförmige Element und das Stößelelement derart zueinander angeordnet sind, dass das stiftförmige Element lediglich mit einem Teil des Umfangs in die Nut eingreift. Das bedeutet, dass das stiftförmige Element die Hauptaufgabe der Führung in Bewegungsrichtung des Stößelelements, d.h. entlang der Bewegungsachse, übernimmt. Zusätzlich ist vorteilhaft eine Nebenfunktion dadurch realisiert, dass das stiftförmige Element teilweise mit seinem Umfang in die Nut eingreift, nämlich eine Verdrehsicherung des Stößelelements senkrecht zur Bewegungsachse.
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Es ist ein Gehäuse mit einer Gehäuseausnehmung vorgesehen, in der das Stößelelement mit Hilfe der axialen Führungsanordnung geführt ist, wobei das stiftförmige Element in einer Ausnehmung einer Gehäusewand der Gehäuseausnehmung in einem Presssitz befestigt ist. Das stiftförmige Element ist dabei nur mit einem Teil des Umfangs mittels des Presssitzes in der Gehäusewand befestigt. Dadurch ist die Eingreifeinrichtung besonders sicher in dem Gehäuse gehalten und trägt so zu einer vorzugsweise besonders sicheren Führung des Stößelelements bei.
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Vorzugsweise ist die Eingreifeinrichtung zylindrisch mit einer sich entlang der Bewegungsachse erstreckenden Rotationsachse ausgebildet. Dabei greift vorteilhaft die Eingreifeinrichtung mit einer zylindrisch geformten Oberfläche in die Nut ein, was im Vergleich zu Oberflächenformen, welche Ecken und Kanten aufweisen, in einer reibungsärmeren Führung resultiert, insbesondere wenn Querkräfte auf das Stößelelement von der Antriebswelle wirken.
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Besonders bevorzugt sind zwei Nuten, die symmetrisch um die Bewegungsachse in der Oberfläche des Stößelelements angeordnet sind, vorgesehen, wobei jeder Nut eine Eingreifeinrichtung zugeordnet ist. Durch das Vorsehen zweier symmetrisch angeordneter Eingreifeinrichtungen bzw. Nuten wird eine besonders stabile Führung des Stößelelements realisiert.
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Vorzugsweise ist das Stößelelement zum Ausführen seiner Hubbewegung entlang der Bewegungsachse mit einer definierten Hubbewegungslänge ausgebildet. Die Hubbewegungslänge bestimmt sich dabei über den Abstand einer senkrecht zur Bewegungsachse ausgerichteten oberen Kante des Stößelelements am oberen Totpunkt zu ihrer Position am unteren Totpunkt der translatorischen Bewegung des Pumpenkolbens.
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Bevorzugt ist die Eingreifeinrichtung entlang der Bewegungsachse länger ausgebildet als die Hubbewegungslänge. Dadurch kann gewährleistet werden, dass die Nut in der Oberfläche des Stößelelements immer vollständig in Kontakt mit der Eingreifeinrichtung ist, wodurch eine besonders sichere Führung des Stößelelements gewährleistet ist. Zu diesem Effekt trägt bei, dass die Eingreifeinrichtung vorzugsweise mittig an der Nut angeordnet ist, sodass die Eingreifeinrichtung stets in jeder Bewegungsposition des Stößelelements entweder über die obere bzw. untere Kante des Stößelelements hervorsteht oder bündig mit dieser abschließt.
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Vorzugsweise ist die Eingreifeinrichtung zum Eingreifen in die Nut mit einem Spiel von 10 µm bis 50 µm, insbesondere 20 µm bis 40 µm ausgebildet. In diesem Fall ist die Nebenfunktion der Verdrehsicherung, die die axiale Eingreifeinrichtung übernimmt, eingeschränkt aufgehoben, da die Eingreifeinrichtung als Lagerelement wirkt, sodass sich das Stößelelement in einem Bereich von etwa 0,5° verdrehen kann und so von der Antriebswelle auf das Stößelelement übertragene Querkräfte vorteilhaft abpuffern kann. Damit wird in der Stößelanordnung senkrecht zur Bewegungsachse des Stößelelements ein definierter Freiheitsgrad bereitgestellt, um einer möglichen Schiefstellung der Antriebswelle folgen zu können. Dieser Freiheitsgrad definiert sich durch das Spiel der Eingreifeinrichtung zu der Nut in dem Stößelelement.
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Das Gehäuse mit der Gehäuseausnehmung kann beispielsweise durch ein Pumpengehäuse einer Kraftstoffhochdruckpumpe gebildet sein, sodass das Stößelelement direkt in der Gehäuseausnehmung in dem Pumpengehäuse der Kraftstoffhochdruckpumpe geführt ist.
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Um den Presssitz in der Gehäuseausnehmung zu realisieren, wird in der Gehäusewand eine Bohrung vorgesehen, die einen halbrunden Querschnitt aufweist. Daher sitzt die Eingreifeinrichtung, wenn sie beispielsweise als zylindrisches, stiftförmiges Element gebildet ist, im Wesentlichen mit einer Hälfte ihrer Oberfläche in dem Presssitz, während die andere Hälfte in die Nut in dem Stößelelement eingreifen kann.
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In besonders bevorzugter Ausgestaltung weist das Stößelelement einen Rollenschuh eines Rollenstößels auf, der zum Aufnehmen einer Stößelrolle in einer Rollenaufnahme ausgebildet ist. Rollenstößel haben den Vorteil, dass sie besonders reibungsarm die Bewegungskraft von der Antriebswelle auf den Pumpenkolben übertragen können, da die Stößelrolle an einer Oberfläche der Antriebswelle abrollt, anstatt daran zu reiben, wodurch auch weniger Querkräfte auf die Stößelanordnung insgesamt übertragen werden.
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Eine Kraftstoffhochdruckpumpe zum Beaufschlagen eines Kraftstoffes mit Hochdruck weist einen sich in einem Druckraum translatorisch bewegenden Pumpenkolben und eine Antriebswelle zum mittelbaren Antreiben des Pumpenkolbens auf, wobei eine oben beschriebene Stößelanordnung zum Übertragen einer Bewegungskraft von der Antriebswelle auf den Pumpenkolben vorgesehen ist.
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Besonders bevorzugt ist ein Pumpengehäuse zum Aufnehmen der Elemente der Kraftstoffhochdruckpumpe vorgesehen, wobei das Pumpengehäuse eine Gehäuseausnehmung aufweist, in deren Gehäusewand die Eingreifeinrichtung in einem Presssitz befestigt ist.
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Im Gegensatz zu bekannten großen Lösungen ist demgemäß die Führungsanordnung in kleine, axial führende Elemente aufgeteilt, weshalb sich die Führungsfunktion auf einem kleinen Raum realisieren lässt.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
- 1 eine Längsschnittdarstellung einer Kraftstoffhochdruckpumpe, die eine Stößelanordnung zum Übertragen einer Bewegungskraft von einer Antriebswelle auf einen Pumpenkolben aufweist;
- 2 eine Querschnittsansicht entlang der Linie II-II auf die in 1 gezeigte Stößelanordnung;
- 3 eine Längsschnittansicht entlang der Linie III-III auf die Stößelanordnung in 2;
- 4 eine perspektivische Teildarstellung der Stößelanordnung in 1, 2 und 3;
- 5 eine Querschnittansicht auf die Stößelanordnung aus 4 entlang der Linie V-V.
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1 zeigt eine Längsschnittdarstellung einer Kraftstoffhochdruckpumpe 10, die zum Beaufschlagen von Kraftstoff mit einem hohen Druck verwendet wird. Die Kraftstoffhochdruckpumpe 10 weist als Gehäuse 12 ein Pumpengehäuse 13 mit einer Gehäuseausnehmung 14 auf, in der einerseits eine Antriebswelle 16 und andererseits ein Zylinder 18 mit einem Pumpenkolben 20 angeordnet sind. Die Antriebswelle 16 treibt den Pumpenkolben 20 indirekt an, indem eine Bewegungskraft FB der Antriebswelle 16 durch eine Rotation um eine Antriebswellendrehachse 22 über einen Nocken 24 an der Antriebswelle 16 und eine Stößelanordnung 26 auf den Pumpenkolben 20 übertragen wird. Durch die Bewegungskraft bewegt sich der Pumpenkolben 20 in dem Zylinder 18 translatorisch zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt und verdichtet dabei den Kraftstoff, der sich in einem Druckraum 28 der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 befindet.
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Die Stößelanordnung 26 ist in der vorliegenden Ausführungsform vorteilhaft als ein Rollenstößel 30 gebildet, der eine Stößelrolle 32 aufweist, welche auf einer Oberfläche 34 der Antriebswelle 16 abrollt. Die Stößelrolle 32 ist dabei in einer Rollenaufnahme 36 in einem Rollenschuh 38 gelagert. Der Rollenstößel 30 bildet ein Stößelelement 40, das die Bewegungskraft FB von der Antriebswelle 16 auf den Pumpenkolben 20 überträgt. Dabei weist der Rollenschuh 38 eine Kontaktfläche 42 auf, die den Pumpenkolben 20 kontaktiert, um so die Bewegungskraft FB auf den Pumpenkolben 20 zu übertragen. Der Kontakt mit der Oberfläche 34 der Antriebswelle 16 wird über die Stößelrolle 32 bereitgestellt.
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Das Stößelelement 40 führt, angetrieben durch die Antriebswelle 16, in der Gehäuseausnehmung 14 eine Hubbewegung entlang einer Bewegungsachse 44 aus, die senkrecht zu der Kontaktfläche 42 angeordnet ist und in der Darstellung in 1 mit einer Längsachse 46 der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 zusammenfällt.
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Zum Führen des Stößelelements 40 während der Hubbewegung in der Gehäuseausnehmung 14 ist eine Führungsanordnung 48 in der Gehäuseausnehmung 14 vorgesehen, die axial angeordnet ist, das heißt parallel zu der Bewegungsachse 44 des Stößelelements 40, und die nachfolgend anhand der 2 bis 5 genauer beschrieben wird.
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2 zeigt eine Querschnittsansicht auf die Stößelanordnung 26 aus 1 entlang der Linie II-II. Darin ist zu sehen, dass die axiale Führungsanordnung 48 einerseits zwei Eingreifeinrichtungen 50 aufweist, die symmetrisch sich gegenüberliegend um die Bewegungsachse 44 des Stößelelements 40 angeordnet sind. Die Eingreifeinrichtungen 50 weisen eine runden Querschnitt auf und sind in dem Gehäuse 12, insbesondere in einer Gehäusewand 52 der Gehäuseausnehmung 14 in einer Ausnehmung 54 mittels eines Presssitzes befestigt. Dabei sitzt etwa die Hälfte des Umfangs 56 der Eingreifeinrichtungen 50 in dem Presssitz in der Ausnehmung 54, und die andere Hälfte des Umfangs 56 steht zur Verfügung, um in eine Nut 58 einzugreifen, die in der Oberfläche 60 des Stößelelements 40 angeordnet ist.
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Aus einer Zusammenschau der 2 mit 3, die eine Längsschnittansicht entlang der Linie III-III auf die Stößelanordnung 26 in 2 zeigt, geht hervor, dass die Eingreifeinrichtungen 50 als stiftförmige Elemente 62 zylindrisch ausgebildet sind und eine Rotationsachse 64 aufweisen, die sich parallel zu der Bewegungsachse 44 erstreckt.
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3 zeigt schematisch anhand des Pfeils eine Hubbewegung BH an, die das Stößelelement 40 in der Gehäuseausnehmung 14 ausführt. Diese Hubbewegung BH hat eine Hubbewegungslänge LH , welche definiert ist durch den Weg, den eine obere Kante 66 des Stößelelements 40 zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt bei einer translatorischen Bewegung des Pumpenkolbens 20 in der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 zurücklegt. Eine Länge LE der Eingreifeinrichtung 50 ist dabei länger als die Hubbewegungslänge LH , um eine sichere Führung des Stößelelements 40 über die Eingreifeinrichtung 50 bereitzustellen. Vorzugsweise ist die Eingreifeinrichtung 50 so in der Nut 58 angeordnet, dass sie bei jeder Position des Stößelelements 40 entlang der Bewegungsachse 44 entweder über die obere Kante 66 beziehungsweise eine untere Kante 68 des Stößelelements 40 hervorsteht oder zumindest bündig damit abschließt.
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4 zeigt eine perspektivische Teildarstellung der Stößelanordnung 26, in der die Anordnung der Stößelrolle 32, des Rollenschuhs 38 und der Eingreifeinrichtung 50, die in die Nut 58 in dem Rollenschuh 38 eingreift, gut zu sehen sind. Es ist dabei nur eine Hälfte gemäß einer Symmetrieachse 70, die in 2 dargestellt ist, gezeigt, die andere Hälfte ist symmetrisch zu der Symmetrieachse 70 aufgebaut.
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5 zeigt eine Querschnittansicht auf die Stößelanordnung 26 durch die Linie V-V in 4, wobei zu erkennen ist, dass die Eingreifeinrichtungen 50 jeweils mit einem Spiel 72 in die jeweilige Nut 58 in dem Stößelelement 40 eingreifen. Der der Abstand Umfangsoberfläche 74 der Eingreifeinrichtungen zur 50 Nutoberfläche 76 liegt dabei in einem Bereich von 10 µm bis 50 µm, in besonders bevorzugten Ausgestaltungen im Bereich zwischen 20 µm bis 40 µm. Dadurch kann das Stößelelement 40 wie durch den Pfeil R angedeutet trotz der axialen Führung der Führungsanordnung 40 um die Rotationsachse 64 der Eingreifeinrichtung 50 verdrehen und somit Querkräfte, die von der Antriebswelle 16 auf die Stößelanordnung 26 übertragen werden, abpuffern. Die Eingreifeinrichtungen 50 wirken dabei für die Drehung entsprechend des Pfeils R als Lagerelemente 78.
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In der mit Bezug auf die 1 bis 5 beschriebenen Ausführungsform ist das Stößelelement 40 als Rollenstößel 30 gebildet, das Stößelelement 40 kann jedoch auch als eine andere Form eines Stößels gebildet sein, beispielsweise als Exzenterring, der in Form eines Reiters nicht auf der Oberfläche 34 der Antriebswelle 16 abrollt, sondern wobei der Nocken 24 der Antriebswelle 16 unter dem Reiter hindurchgleitet und der Exzenterring selbst keine Drehbewegung durchführt. Auch eine solche Anordnung kann über die beschriebene Eingreifführungsanordnung 48 in der Gehäuseausnehmung 14 geführt sein.
