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Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für einen Verbrennungsmotor, mit mindestens einem über einen schaltbaren Schlepphebel betätigbaren Gaswechselventil, wobei der Schlepphebel von einer Verstellwelle in einen Betätigungszustand, in dem er in Zusammenwirkung mit einer Nockenwelle das Gaswechselventil betätigen kann, und einen Deaktivierungszustand geschaltet werden kann, in dem er unabhängig von einer Stellung der Nockenwelle das Gaswechselventil nicht betätigt.
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Zusätzlich betrifft die Erfindung einen Verbrennungsmotor mit einem Zylinderkopf der vorgenannten Art.
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Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Montage einer Verstellwelle in einem Zylinderkopf für einen Verbrennungsmotor.
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In aus dem Stand der Technik bekannten Zylinderköpfen ist die Verstellwelle zum Schalten des Schlepphebels mittels einer geteilten Lagerung im Zylinderkopf montiert. Dafür kann eine untere Lagerschalenhälfte integral am Zylinderkopf angeformt sein. Die obere Lagerschalenhälfte kann dann in Form einer sogenannten Lagerbrücke auf den Zylinderkopf aufgeschraubt werden. Pro am Zylinderkopf angeformter Lagerschalenhälfte ist eine solche Lagerbrücke nötig.
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Bekannte Verfahren zur Montage einer Verstellwelle am Zylinderkopf umfassen daher das Positionieren der Verstellwelle in der unteren Lagerschalenhälfte am Zylinderkopf, das Auflegen der Lagerbrücke und das Verbinden der Lagerbrücke mit dem Zylinderkopf, z. B. durch Verschrauben. Diese Schritte müssen entsprechend der Anzahl an Lagerschalen wiederholt werden.
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Die Aufgabe der Erfindung ist, solche Zylinderköpfe sowie Verbrennungsmotoren mit solchen Zylinderköpfen weiter zu verbessern. Gleichzeitig sollen bekannte Verfahren zur Montage der Verstellwelle im Zylinderkopf verbessert werden. Insbesondere soll dabei die Herstellung und Montage des Zylinderkopfes und damit des Verbrennungsmotors vereinfacht werden. Gleichzeitig sollen möglichst kompakte Abmessungen des Zylinderkopfes und des Verbrennungsmotors erreicht werden.
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Die Aufgabe wird durch einen Zylinderkopf der eingangs genannten Art gelöst, bei dem die Verstellwelle in einem im Zylinderkopf angeordneten Lagertunnel gelagert ist. Unter einem Lagertunnel wird dabei eine längliche Öffnung verstanden, die an ihrer Seitenfläche, insbesondere einer Mantelfläche, ganz oder teilweise geschlossen und an mindestens einer Stirnfläche offen ist. Die Verstellwelle wird somit an umfangsmäßig geschlossenen und/oder umfangsmäßig unterbrochenen Abschnitten der Seitenfläche gelagert. Die umfangsmäßig unterbrochenen Abschnitte können zum Beispiel sichelförmig sein und drei Viertel eines Umfangs abdecken. Der Lagertunnel kann integral im Zylinderkopfgehäuse gefertigt sein. Somit kann die Verstellwelle platzsparend angeordnet werden. Dadurch wird insgesamt ein kompakter Zylinderkopf realisiert. Darüber hinaus wird so die Verstellwelle im Inneren des Zylinderkopfes gelagert und ist vor Umwelteinwirkungen geschützt, ohne dafür ein zusätzliches Gehäuse zu benötigen. Im Gegensatz zu bekannten Zylinderköpfen können die Lagerbrücken entfallen. Damit entfällt auch die zugehörige Verschraubung, wodurch die Herstellung und Montage einfach und kostengünstig wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform hat der Lagertunnel eine im Wesentlichen kreiszylindrische Grundform mit einem Lagertunnelradius. Eine solche Grundform ist mit den gängigen Werkzeugmaschinen einfach und kostengünstig herstellbar. Darüber hinaus können kreiszylindrische Grundformen sehr präzise gefertigt werden und so hohen Toleranzanforderungen genügen. Mit dieser Grundform ist eine Drehung einer im Lagertunnel gelagerten Verstellwelle bereits ohne Zwischenelemente möglich.
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Vorteilhafterweise umfasst die Verstellwelle mindestens einen kreiszylindrischen Lagerabsatz, wobei ein Lagerabsatzradius im Wesentlichen dem Lagertunnelradius entspricht und der Lagerabsatz an einer Lagertunnelmantelfläche gelagert ist. Unter einem Lagerabsatz wird dabei ein Wellenabsatz verstanden, der der Lagerung der Welle dient. Der Lagerabsatz kann dabei direkt auf der Lagertunnelmantelfläche aufliegen und rotatorisch gleiten. Eine Schmierung durch Fett oder Öl ist vorteilhaft und kann z. B. durch den im Zylinderkopf vorhandenen Ölnebel erfolgen. Es wird so eine präzise Lagerung der Verstellwelle im Lagertunnel erreicht. Justageschritte o.ä. sind nicht nötig. Die Montage ist entsprechend einfach.
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Dabei kann der Lagerabsatz bezüglich einer Verstellwellenlängsachse zentrisch oder exzentrisch angeordnet sein. Die Verstellwellenlängsachse wird dabei durch die Mittelachse der die Lagerabsätze verbindenden Wellenabschnitte definiert. Für den Fall der exzentrischen Anordnung ist der Lagerabsatz vorzugsweise als Lagerbuchse ausgeführt, in der die Wellenabschnitte drehbar sind. Die Verstellwelle kann also so gestaltet werden, dass sie den an sie gestellten Bauraum-, Funktions- und Herstellungsanforderungen genügt. Die notwendige Gestaltungsfreiheit ist gegeben.
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In einer Gestaltungsalternative ist an der Verstellwelle ein Nocken angeordnet, der am Schlepphebel derart angreifen kann, dass der Schlepphebel vom Betätigungszustand in den Deaktivierungszustand übergeht oder umgekehrt, wobei eine maximale radiale Erstreckung des Nockens kleiner oder gleich dem Lagerabsatzradius ist. Der Nocken kann dabei integral mit der Verstellwelle gefertigt oder auf dieser z. B. durch Aufpressen montiert sein. Der Nocken steht also nicht über den oder die Lagerabsätze hervor, sodass die Lagerabsätze in radialer Richtung eine Hüllkontur der Verstellwelle bilden und der Nocken innerhalb dieser Hüllkontur liegt. Der Nocken wird somit von äußeren Einwirkungen geschützt. Beispielweise kann die Verstellwelle bei einer Reparatur nicht auf einem Nocken abgelegt werden, sondern lagert stets auf den Lagerabsätzen. Auch bei der Montage wird so eine Beschädigung des Nockens verhindert.
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Für den Fall, dass der Lagerabsatz oder die Lagerabsätze bezüglich einer Verstellwellenlängsachse exzentrisch angeordnet und als Lagerbuchsen ausgeführt sind, kann ein Nocken auch gegenüber den Lagerabsätzen hervorstehen. Für die Montage werden die Nocken jedoch vorzugsweise so angeordnet, dass sie innerhalb einer durch die Lagerabsätze aufgespannten Hüllkontur liegen.
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In einer Ausführungsform umfasst der Lagerabsatz eine Lagerbuchse oder ein Wälzlager. Bei der Lagerbuchse kann es sich z. B. um eine Gleitlagerbuchse handeln. Zusätzlich kann eine Schmierung vorhanden sein. Es wird so die gewünschte Beweglichkeit der Verstellwelle innerhalb des Zylinderkopfes hergestellt. Im Vergleich zu einer direkten Lagerung der Verstellwelle im Zylinderkopf sinkt die zum Drehen der Verstellwelle benötigte Kraft durch die Verwendung von Lagerbuchsen und/oder Wälzlagern. Darüber hinaus können im Falle von Verschleiß lediglich die Lagerbuchsen oder die Wälzlager getauscht werden. Ein Wellengrundkörper der Verstellwelle kann weiter genutzt werden. Die Lagerbuchsen und die Wälzlager können auf einen Wellengrundkörper aufgepresst sein.
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In einer Variante umfasst die Verstellwelle an einem axialen Ende einen Einfädeldorn, der vorzugsweise kegelförmig ist und dessen maximale radiale Erstreckung kleiner oder gleich dem Lagerabsatzradius ist. Mit Hilfe des Einfädeldorns wird die Montage der Verstellwelle im Lagertunnel vereinfacht. Weiter schützt der Einfädeldorn die Lagerabsätze und Nocken vor Beschädigungen während der Montage.
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Bevorzugt ist die Verstellwelle an einem axialen Ende mit einem Aktuator drehgekoppelt. Mittels des Aktuators kann die Verstellwelle in ihrer Lagerung gedreht werden und so über die Nocken die Schlepphebel schalten. Durch die Kopplung am axialen Ende ist der Aktuator einfach zugänglich. Dadurch kann er einfach z. B. an eine Energieversorgung angeschlossen werden.
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Der Aktuator kann ein Elektromotor sein. Ein solcher Aktuator beansprucht nur einen kleinen Bauraum und ist leicht in den Zylinderkopf integrierbar. Darüber hinaus arbeitet er im Wesentlichen geräuschlos und emissionsfrei. Zusätzlich kann er präzise gesteuert oder geregelt werden.
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Die Verstellwelle kann am Aktuator in axialer Richtung gelagert sein. Die Verstellwelle ist somit bis auf einen rotatorischen Freiheitsgrad im Raum gelagert. Durch die Lagerung am Aktuator muss kein zusätzliches Axiallager vorgesehen sein, was den Aufbau und die Montage vereinfacht.
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Die Aufgabe wird darüber hinaus durch einen Verbrennungsmotor mit einem Zylinderkopf der eingangs genannten Art gelöst. Hinsichtlich der sich ergebenden Vorteile wird auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
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Ferner wird die Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, wobei die Verstellwelle einen Schlepphebel, über den ein Gaswechselventil betätigbar ist, in einen Betätigungszustand, in dem er in Zusammenwirkung mit einer Nockenwelle das Gaswechselventil betätigen kann, und einen Deaktivierungszustand schalten kann, in dem er unabhängig von einer Stellung der Nockenwelle das Gaswechselventil nicht betätigt, mit den folgenden Schritten:
- a) Vorsehen eines Lagertunnels im Zylinderkopf,
- b) Vormontieren der Verstellwelle und
- c) axiales Einstecken der Verstellwelle in den Lagertunnel.
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An der Verstellwelle werden also alle Anbauteile, z. B. in Form von Nocken, Lagerbuchsen oder Wälzlagern montiert, bevor sie in den Lagertunnel eingesteckt wird. Dadurch kann die Vormontage vom Einstecken getrennt werden. Auch ist es denkbar, die Vormontage von einem Zulieferer ausführen zu lassen. Die Montage der Verstellwelle am Zylinderkopf ist dadurch einfach.
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In einer Ausführungsform wird bzw. werden im Schritt b) Gleitlagerbuchsen, Wälzlager und/oder Nocken auf der Verstellwelle montiert.
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Gemäß einer Variante wird nach dem Schritt c) ein Aktuator am Zylinderkopf montiert und mit einem axialen Ende der Verstellwelle drehgekoppelt. Alternativ kann der Aktuator jedoch auch schon im Schritt b) an der Verstellwelle montiert werden, sodass der Aktuator und die Verstellwelle eine Einheit bilden.
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Darüber hinaus kann der Lagertunnel im Wesentlichen eine kreiszylinderförmige Grundform haben und die Verstellwelle an mindestens einem Abschnitt einer Lagertunnelmantelfläche gelagert werden.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand verschiedener Ausführungsbeispiele erläutert, die in den beigefügten Zeichnungen gezeigt sind. Es zeigen:
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1 in einer schematischen Darstellung einen erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor mit einem erfindungsgemäßen Zylinderkopf, in dem eine Verstellwelle mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens montiert ist,
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2 in einer schematischen Darstellung einen Schlepphebel eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfes in einem Betätigungszustand und einem Deaktivierungszustand,
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3 in einer schematischen Darstellung einen Ausschnitt einer Verstellwelle eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfes,
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4 eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform einer Verstellwelle eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfes,
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5 eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform einer Verstellwelle eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfes,
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6 in einer schematische Darstellung einen Abschnitt einer Verstellwelle eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfes und
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7 in einer schematischen Darstellung einen weiteren Abschnitt einer Verstellwelle eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfes.
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In 1 ist ein Verbrennungsmotor 10 gezeigt, der einen Motorblock 12 und einen Zylinderkopf 14 aufweist.
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Im Motorblock 12 ist ein Kolben 16 beweglich gelagert, der mit einer Kurbelwelle 18 gekoppelt ist. Der Verbrennungsmotor 10 arbeitet nach dem Prinzip eines Hubkolben-Verbrennungsmotors.
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Im Zylinderkopf 14 ist ein Gaswechselventil 20 angeordnet, das zum Beispiel ein Auslassventil sein kann. Das Gaswechselventil 20 wird in Abhängigkeit einer Drehstellung einer Nockenwelle 22 über einen Schlepphebel 24 geöffnet und geschlossen.
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Der Schlepphebel 24 ist dafür über ein Lager 26 verschwenkbar im Zylinderkopf 14 gelagert. Insbesondere handelt es sich bei dem Lager 26 um ein hydraulisches Ventilspielausgleichselement (HVA).
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Der Schlepphebel 24 ist zwischen einem Betätigungszustand und einem Deaktivierungszustand schaltbar.
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Wenn sich der Schlepphebel 24 im Betätigungszustand befindet, kann er in Zusammenwirkung mit der Nockenwelle 22 das Gaswechselventil 20 betätigen.
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Dieser Betätigungszustand ist im Detail in 2a) dargestellt und dadurch charakterisiert, dass ein im Schlepphebel 24 befindliches Gelenk 28 durch ein Verriegelungselement 30 blockiert ist. In diesem Zustand ist der Schlepphebel 24 insgesamt starr und kann mithilfe der Nockenwelle 22 um das Lager 26 verschwenkt werden und so das Gaswechselventil 20 öffnen und schließen.
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Im Deaktivierungszustand des Schlepphebels 24 ist das Gelenk 28 vom Verriegelungselement 30 freigegeben. Der Schlepphebel 24 ist somit in zwei gegeneinander verschwenkbare Teile getrennt. Dieser Zustand ist in 2b) im Detail dargestellt. Wird in diesem Zustand die Nockenwelle 22 verdreht, so weicht der Schlepphebel 24 entgegen einer Federkraft einer nicht dargestellten Schlepphebelfeder durch eine Verschwenkung um das Gelenk 28 und das Lager 26 der Nockenwelle 22 aus. Eine Betätigung des Gaswechselventils 20 findet nicht statt. Das Gaswechselventil 20 bleibt also unabhängig von der Drehstellung der Nockenwelle 22 geschlossen.
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Das Umschalten des Schlepphebels 24 zwischen dem Betätigungszustand und dem Deaktivierungszustand erfolgt mithilfe einer Verstellwelle 32 mit einer Verstellwellenlängsachse 33. Diese ist in einem Lagertunnel 34 im Zylinderkopf 14 drehbar gelagert.
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Der Lagertunnel 34 hat eine im Wesentlichen kreiszylinderförmige Grundform mit einem Lagertunnelradius 35.
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Auf der Verstellwelle 32 sind Nocken 36 angeordnet, die mit dem Schlepphebel 24, genauer gesagt mit dem Verriegelungselement 30, zusammenwirken, um den Schlepphebel 24 zu schalten. Das Schalten des Schlepphebels 24 findet also in Abhängigkeit einer Drehstellung der Verstellwelle 32 statt.
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Um die Verstellwelle 32 im Lagertunnel 34, genauer gesagt auf einer Lagertunnelmantelfläche 37, zu lagern, umfasst die Verstellwelle 32 Lagerabsätze 38.
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Die Lagerabsätze 38 sind ebenfalls kreiszylinderförmig, wobei ein Lagerabsatzradius 39 im Wesentlichen dem Lagertunnelradius 35 entspricht.
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Wie insbesondere in 3 zu sehen ist, können die Lagerabsätze 38 optional eine Lagerbuchse 40 oder ein Wälzlager 42, das in der dargestellten Ausführungsform als Nadellager ausgeführt ist, umfassen. Die Lagerabsätze 38 sind dabei direkt aus der Verstellwelle 32 herausgearbeitete Wellenabsätze.
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Alternativ können die Lagerabsätze 38 auch als Lagerbuchse ausgeführt sein, in der die Verstellwelle 32 vorzugsweise drehbar gelagert ist.
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In allen Alternativen ist die Verstellwelle 32 vorzugsweise eine durchgängige, einstückige Welle.
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Die in der 3 dargestellte Verstellwelle 32 ist so gestaltet, dass jeder Lagerabsatz 38 anders ausgeführt ist. Dies dient der Übersichtlichkeit. Verstellwellen 32, bei denen alle Lagerabsätze 38 gleich gestaltet sind, sind genauso denkbar. Ebenso sind alle Mischformen zwischen diesen beiden Extremen möglich.
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Darüber hinaus sind an der Verstellwelle 32 Nocken 36 angeordnet, die zur Schaltung des Schlepphebels 24 an diesem angreifen.
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In 3 sind exemplarisch drei Nocken dargestellt. Die radiale Erstreckung der Nocken ist dabei kleiner oder gleich dem Lagerabsatzradius 39. Die Nocken 36 springen also nicht gegenüber den Lagerabsätze 38 hervor.
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Die Abschnitte der vorzugsweise durchgängigen Verstellwelle 32 zwischen den einzelnen Lagerabsätzen 38 sind als Wellenabschnitte 44 ausgeführt. Die Mittelachse der Wellenabschnitte definiert dabei die Verstellwellenlängsachse 33.
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Die Wellenabschnitte 44 können dabei wie in 4 dargestellt konzentrisch mit dem Lagerabsatz 38 verlaufen. Diese Ausführungsform ist auch in den 1 und 3 gezeigt. Eine Mittelachse der Lagerabsätze 38 fällt dann mit der Verstellwellenlängsachse 33 und einer Mittelachse des Lagertunnels 34 zusammen.
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Alternativ können die Wellenabschnitte 44 bezüglich des Lagerabsatzes 38 exzentrisch angeordnet sein. Dies ist in 5 dargestellt. Die Mittelachse der Lagerabsätze 38 ist dann von der Verstellwellenlängsachse 33 beabstandet.
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Bevorzugt werden in der in 5 dargestellten Variante die Lagerabsätze 38 als Lagerbuchsen ausgeführt, in denen die Verstellwelle 32 mit ihren Wellenabschnitten 44 drehbar gelagert ist.
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Während der Montage können jedoch die Wellenabschnitte 44 zeitweise drehfest mit den Lagerabsätzen 38 gekoppelt werden.
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Dann können die Nocken 36 bei der Montage innerhalb des Lagerabsatzradius 39 gehalten werden und im darauf folgenden Betrieb relativ zu den Lagerabsätzen 38 verdreht werden, sodass sie sich dann außerhalb des Lagerabsatzradius 39 befinden können. Die Nocken 36 sind dabei stets drehfest mit der Welle gekoppelt.
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Um die Verstellwelle 32 zu verdrehen, und so die Schlepphebel 24 betätigen zu können, ist die Verstellwelle 32 mit einem Aktuator drehgekoppelt, der in der dargestellten Ausführungsform ein Elektromotor 46 ist.
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Am Elektromotor 46 kann darüber hinaus ein axiales Lagerelement 48 angeordnet sein, an dem die Verstellwelle 32 in axialer Richtung gelagert ist.
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Im Folgenden wird ein Verfahren zur Montage der Verstellwelle 32 im Zylinderkopf 14 erläutert.
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Dabei wird davon ausgegangen, dass im Zylinderkopf 14 der Lagertunnel 34 zur Lagerung der Verstellwelle 32 vorgesehen ist.
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Die Verstellwelle 32 wird zunächst vormontiert. Das bedeutet, dass Lagerbuchsen 40, Wälzlager 42 und/oder Nocken 36 auf der Verstellwelle montiert werden. Das kann zum Beispiel durch Aufpressen oder Aufschrauben erfolgen.
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Die fertig vormontierte Verstellwelle 32 wird dann axial in den Lagertunnel 34 im Zylinderkopf 14 eingesteckt.
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Um diesen Montageschritt zu unterstützen, kann an einem Ende der Verstellwelle 32 ein Einfädeldorn 50 vorgesehen sein. Der Einfädeldorn 50 hat eine kegelige Form, sodass das Einstecken der Verstellwelle 32 in den Lagertunnel 34 erleichtert wird.
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Die maximale radiale Erstreckung des Einfädeldorns 50 ist dabei kleiner oder gleich dem Lagerabsatzradius 39 der Lagerabsätze 38. Dies ist insbesondere in 6 dargestellt, in der jedoch die Lagerabsätze 38 fortgelassen sind.
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Der Einfädeldorn 50 kann nach der Montage an der Verstellwelle 32 montiert bleiben oder, in alternativen Ausführungsformen, wieder demontiert werden.
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Nach dem Einstecken der Verstellwelle 32 wird der Elektromotor 46 am Zylinderkopf 14 montiert und mit einem Ende der Verstellwelle 32 drehgekoppelt. Dabei wird die Verstellwelle 32 auch axial gelagert.
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Alternativ kann auch der Elektromotor 46 im Rahmen der Vormontage der Verstellwelle 32 mit dieser drehgekoppelt werden. Die Verstellwelle 32 und der Elektromotor 46 bilden dann insbesondere beim Einstecken der Verstellwelle 32 eine Einheit.
