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Die Erfindung betrifft einen Ventiltrieb für ein Ventil einer Brennkraftmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Das Zylinderkopfhaubenmodul einer Brennkraftmaschine kann ein Schiebenockensystem aufweisen, d.h. ein System, bei welchem ein Nockenstück auf einer Nockenwelle verschoben wird, um ein Ventil in einer Stellung des Nockenstücks zu betätigen und in einer anderen Stellung des Nockenstücks nicht zu betätigen. Die Drehmomentübertragung zwischen der Nockenwelle und dem Nockenstück findet über eine Verzahnung, z.B. eine Evolventenverzahnung, statt. Dabei weist die Nockenwelle eine Außenverzahnung und das Nockenstück eine Innenverzahnung auf. Damit die Nockenwelle und das Nockenstück zusammengebaut werden können, ist es erforderlich, dass die Verzahnungspaarung aus Außenverzahnung der Nockenwelle und Innenverzahnung des Nockenstücks spielbehaftet ausgelegt wird. Dieses sogenannte Verdrehflankenspiel beträgt für die Montage von Nockenwelle und Nockenstück mindestens 5 µm. Bei der Herstellung der Nockenwelle ergibt sich eine Ungenauigkeit, d.h. ein Verdrehflankenspiel, im Bereich von 0 bis 25 µm. Bei der Herstellung des Nockenstücks ergibt sich eine Ungenauigkeit, d.h. ein Verdrehflankenspiel, im Bereich von 0 bis 35 µm. Somit ergibt sich insgesamt ein maximales Verdrehflankenspiel von ca. 65 µm.
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Im Betrieb wird ein Nocken des Nockenstücks bei der Betätigung eines Rollenschlepphebels mit einem Drehmoment belastet. Beim Überrollen der Nockenspitze am Rollenschlepphebel ändert das Drehmoment seine Richtung. Durch die Änderung der Richtung des Drehmoments am Nocken kommt es zu einem Anlagenwechsel zwischen der Außenverzahnung der Nockenwelle und der Innenverzahnung des Nockenstücks, dem sogenannten Verzahnungsumschlagen. Dabei entsteht ein akustischer Impuls, welcher bei ungünstiger Toleranzlage im Fahrzeuginneren störend wahrnehmbar ist. Dabei gilt prinzipiell je höher die Masse des Nockenstücks ist, desto größer ist der akustische Impuls.
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Die
WO 2009/152927 A9 zeigt einen Ventiltrieb mit einer Nockenwelle und einem Nockenstück. Weiter weist der Ventiltrieb ein erstes Kugel-Feder-Paket auf, welches vorgesehen ist, um das Nockenstück axial zu arretieren. Dazu übt das erste Kugel-Feder-Paket eine Kraft in radialer Richtung, d.h. eine radiale Kraft, auf das Nockenstück aus. Zudem umfasst der Ventiltrieb ein zweites Kugel-Feder-Paket, das ebenfalls eine Kraft in radialer Richtung, d.h. eine radiale Kraft, auf das Nockenstück ausübt. Die radiale Kraft des ersten Kugel-Feder-Pakets weist nahezu den gleichen Betrag wie die radiale Kraft des zweiten Kugel-Feder-Pakets auf. Das zweite Kugel-Feder-Paket dient dazu, eine Schieflage des Nockenstücks relativ zur Nockenwelle zu vermeiden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den beim Verzahnungsumschlagen entstehenden akustischen Impuls zu verhindern bzw. zu verringern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Ventiltrieb der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
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Demgemäß wird ein Ventiltrieb für ein Ventil einer Brennkraftmaschine bereitgestellt. Der Ventiltrieb umfasst eine Nockenwelle mit einer Außenverzahnung, ein Nockenstück mit einer Innenverzahnung, welches in einer axialen Richtung verschiebbar auf der Nockenwelle angeordnet ist, wobei die Innenverzahnung des Nockenstücks in die Außenverzahnung der Nockenwelle eingreift, und eine Arretierungsvorrichtung zur axialen Sicherung des Nockenstücks auf der Nockenwelle, wobei die Arretierungsvorrichtung eine radiale Kraft auf das Nockenstück ausübt. Der Ventiltrieb weist eine Verspannungsvorrichtung auf, welche eine im Vergleich zu der Arretierungsvorrichtung mindestens dreimal so große radiale Kraft auf das Nockenstück ausübt.
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Dadurch, dass die Verspannungsvorrichtung eine im Vergleich zu der Arretierungsvorrichtung mindestens dreimal so große radiale Kraft auf das Nockenstück ausübt, kann der Anlagenwechsel in der Verzahnung zwischen Nockenwelle und Nockenstück unterbunden oder in seiner Relativgeschwindigkeit reduziert werden, um den akustischen Impuls zu verringern. Die Verspannungsvorrichtung sorgt für eine radiale Verspannung zwischen Nockenwelle und Nockenstück. Da die radiale Kraft der Verspannungsvorrichtung größer als die radiale Kraft der Arretierungsvorrichtung ist, wird im Wesentlichen die Verspannungsvorrichtung zur Reduzierung des akustischen Impulses beim Verzahnungsumschlagen beitragen. Die radiale Kraft der Arretierungsvorrichtung kann dagegen so gewählt werden, dass das Nockenstück zwar in einzelnen Positionen arretiert werden kann, aber dass das Nockenstück auch noch mit begrenztem Kraftaufwand axial verschoben werden kann.
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Durch die Nockenwelle ist eine Achse definiert, um welche sich die Nockenwelle im Betrieb der Brennkraftmaschine dreht. Die axiale Richtung ist die Richtung entlang der Achse der Nockenwelle. Unter der axialen Sicherung des Nockenstücks ist die Arretierung des Nockenstücks in der axialen Richtung gemeint. Dagegen ist die radiale Kraft eine Kraft, welche in einer radialen Richtung, bezogen auf die Richtung der Achse der Nockenwelle, wirkt.
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Unter der Arretierungsvorrichtung, ist eine Vorrichtung zu verstehen, mit welcher sich das Nockenstück an unterschiedlichen axialen Positionen der Nockenwelle sichern lässt. Dagegen ist unter der Verspannungsvorrichtung eine Vorrichtung zu verstehen, mit welcher sich eine radiale Verspannung zwischen der Nockenwelle und dem Nockenstück ergibt, um den akustischen Impuls beim Verzahnungsumschlagen zu reduzieren.
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Gemäß einer Ausführungsform des Ventiltriebs ist die radiale Kraft, welche die Verspannungsvorrichtung auf das Nockenstück ausübt, zwischen dreimal und fünfzehnmal so groß, bevorzugt zwischen dreimal und zehnmal so groß und noch bevorzugter zwischen dreimal und fünfmal so groß, wie die radiale Kraft, welche die Arretierungsvorrichtung auf das Nockenstück ausübt. Prinzipiell gilt, je größer die radiale Kraft ist, welche die Verspannungsvorrichtung auf das Nockenstück ausübt, desto größer ist die radiale Verspannung zwischen Nockenwelle und Nockenstück, und desto kleiner ist der akustische Impuls beim Verzahnungsumschlagen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Ventiltriebs sind die Arretierungsvorrichtung und die Verspannungsvorrichtung parallel angeordnet, wobei die radiale Kraft der Arretierungsvorrichtung in die entgegengesetzte Richtung weist wie die radiale Kraft der Verspannungsvorrichtung. In diesem Fall weisen die Richtung der radialen Kraft der Arretierungsvorrichtung und die Richtung der radialen Kraft der Verspannungsvorrichtung aus der Richtung der Achse der Nockenwelle gesehen einen Winkel von 180° auf. Alternativ kann dieser Winkel auch einen anderen Wert zwischen 0° und 360° aufweisen.
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Die Arretierungsvorrichtung kann insbesondere eine Kugel und eine Feder aufweisen, wobei die Feder in der Nockenwelle angeordnet ist und die Kugel in radialer Richtung gegen das Nockenstück gepresst ist. Dementsprechend ist die radiale Kraft, mit welcher die Kugel der Arretierungsvorrichtung gegen das Nockenstück gepresst ist, durch die Federkonstante und die Auslenkung der Feder der Arretierungsvorrichtung bestimmt.
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Vorzugsweise weist das Nockenstück an seiner Innenseite eine Rastnase und auf jeder Seite der Rastnase eine Ausnehmung zur axialen Arretierung des Nockenstücks auf. Dementsprechend ist das Nockenstück in einer ersten axialen Position arretiert, wenn sich die Kugel in einer ersten Ausnehmung befindet, und in einer zweiten axialen Position arretiert, wenn sich die Kugel in einer zweiten Ausnehmung befindet. Soll das Nockenstück von der ersten axialen Position in die zweite axiale Position gebracht werden, dann ist eine Kraft aufzuwenden, um das Kugel-Feder-Paket über die Rastnase zu befördern.
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Die Verspannungsvorrichtung kann ebenfalls insbesondere eine Kugel und eine Feder aufweisen, wobei die Feder in der Nockenwelle angeordnet ist und die Kugel in radialer Richtung gegen das Nockenstück gepresst ist. Dementsprechend ist die radiale Kraft, mit welcher die Kugel der Verspannungsvorrichtung gegen das Nockenstück gepresst ist, durch die Federkonstante und die Auslenkung der Feder der Verspannungsvorrichtung bestimmt. Vorteilhafterweise kann eine sehr große Federkonstante gewählt werden, so dass eine sehr große radiale Kraft auf das Nockenstück ausgeübt wird. Dementsprechend sind die Nockenwelle und das Nockenstück stark verspannt, so dass der akustische Impuls beim Verzahnungsumschlagen verringert ist.
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Vorzugsweise weist das Nockenstück an seiner Innenseite eine parallel zu der axialen Richtung ausgerichtete Innenlauffläche für die Kugel der Verspannungsvorrichtung auf. Dadurch wird die Federlänge der Verspannungsvorrichtung bei einer Verschiebung des Nockenstücks auf der Nockenwelle nicht verändert. Dementsprechend kann die Federkonstante der Feder der Verspannungsvorrichtung sehr groß gewählt werden, da für die axiale Bewegung des Nockenstücks auf der Nockenwelle keine Kraft nötig ist, weil die Federlänge der Feder der Verspannungsvorrichtung nicht geändert wird. Die Reibung zwischen der Kugel der Verspannungsvorrichtung und der Innenlauffläche des Nockenstücks oder der Feder der Verspannungsvorrichtung kann vernachlässigt werden.
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Es liegt schließlich im Rahmen der Erfindung, dass der Ventiltrieb zumindest eine weitere Verspannungsvorrichtung aufweist. Mittels der zumindest einen weiteren Verspannungsvorrichtung ist es möglich, die Verspannung zwischen der Nockenwelle und dem Nockenstück weiter zu erhöhen, so dass der akustische Impuls beim Verzahnungsumschlagen weiter verringert ist.
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Die Verspannungsvorrichtung und die zumindest eine weitere Verspannungsvorrichtung können versetzt zueinander angeordnet sein. Darunter ist zu verstehen, dass die Verspannungsvorrichtung und die zumindest eine weitere Verspannungsvorrichtung von der Achse der Nockenwelle aus gesehen einen Winkel von größer 0° aufweisen. Insbesondere kann der Winkel 180° betragen. Prinzipiell kann der Winkel einen beliebigen Wert zwischen 0° und 360° haben.
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Es ist schließlich möglich, dass das Nockenstück ein Doppelnockenstück ist. Unter einem Doppelnockenstück ist ein einteiliges Nockenstück zu verstehen, bei welchem zumindest zwei Nocken vorgesehen sind. Damit ist das Doppelnockenstück geeignet, zumindest zwei Ventile gleichzeitig zu betätigen. Prinzipiell kann das Nockenstück eine beliebige Anzahl an Nocken aufweisen.
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Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden beschriebenen Merkmalen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen in
- 1 eine schematische Darstellung einer Schnittansicht eines Ventiltriebs, und
- 2 eine schematische Darstellung einer Schnittansicht des Ventiltriebs aus 1 entlang der Linie II-II.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente teilweise mit denselben Bezugszeichen versehen worden. Ferner sollte beachtet werden, dass die Darstellungen in den Figuren nicht notwendigerweise maßstabsgerecht sind.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Schnittansicht eines Ventiltriebs 10. Der Ventiltrieb 10 dient zum Betätigen eines Ventils einer Brennkraftmaschine. Weiter weist der Ventiltrieb 10 eine Nockenwelle 12, ein Nockenstück 14 und eine Arretierungsvorrichtung 16 auf. Die Arretierungsvorrichtung 16 dient dazu, das Nockenstück 14 auf der Nockenwelle 12 in einer Position in einer Richtung entlang der Achse 18 der Nockenwelle 12 zu sichern. Dabei übt die Arretierungsvorrichtung 16 eine radiale Kraft, d.h. eine Kraft, welche relativ zu der Achse 18 der Nockenwelle 12 in einer radialen Richtung wirkt, auf den Nockenträger 14 aus.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Schnittansicht des Ventiltriebs 10 aus 1 entlang der Linie II-II. Dargestellt sind die Nockenwelle 12 und das Nockenstück 14 mit einem Nocken 20. Ein Ausschnitt eines Bereichs an der Grenze zwischen Nockenwelle 12 und Nockenstück 14 ist in 2 zusätzlich vergrößert dargestellt. Zu sehen ist, wie die Innenverzahnung 22 des Nockenstücks 14 in die Außenverzahnung 24 der Nockenwelle 12 eingreift.
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Aufgrund der Grenzen der Genauigkeit bei der Herstellung der Innenverzahnung 22 des Nockenstücks 14 und der Grenzen der Genauigkeit bei der Herstellung der Außenverzahnung 24 der Nockenwelle 12 sowie dem nötigen Freiraum zwischen Nockenwelle 12 und Nockenstück 14 zum Zusammenbauen ergibt sich ein sogenanntes Verdrehflankenspiel, welches durch den Raum zwischen den beiden Pfeilspitzen der Pfeile 26 angedeutet ist. Beim Überrollen des Nockens 20 an einem Rollenschlepphebel (in den Figuren nicht gezeigt) kommt es zu einem Richtungswechsel des Drehmoments am Nockenstück 14. Dieser Richtungswechsel führt zu einem Anlagenwechsel in der Verzahnung, dem sogenannten Verzahnungsumschlagen.
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Beim Verzahnungsumschlagen entsteht ein akustischer Impuls. Dieser akustische Impuls ist umso größer, je größer die Masse des Nockenstücks 14 ist. Bei dem in der 1 dargestellten Nockenstück 14 handelt es sich um ein Doppelnockenstück 28. Das Doppelnockenstück 28, welches zwei Nocken 20 aufweist, besitzt eine größere Masse als ein einfaches Nockenstück mit nur einem Nocken.
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Wie 1 zeigt, umfasst der Ventiltrieb 10 eine Verspannungsvorrichtung 30, welche vorgesehen ist, um den Anlagenwechsel in der Verzahnung mithilfe einer radialen Verspannung zwischen der Nockenwelle 12 und dem Nockenstück 14 zu unterbinden bzw. in seiner Relativgeschwindigkeit zu reduzieren, um so den akustischen Impuls zu unterbinden bzw. zu verringern. Um eine ausreichende Verspannung zwischen Nockenwelle 12 und Nockenstück 14 zu gewährleisten, ist eine radiale Kraft, welche die Verspannungsvorrichtung 30 auf das Nockenstück 14 ausübt, mindestens dreimal so groß, wie die radiale Kraft, welche die Arretierungsvorrichtung 16 auf das Nockenstück 14 ausübt. Die radiale Kraft der Verspannungsvorrichtung 30 ist dabei die Kraft, welche bezogen auf die Achse 18 der Nockenwelle 12, in radialer Richtung auf das Nockenstück 14 ausgeübt wird.
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Die in der 1 dargestellte Arretierungsvorrichtung 16 ist als Kugel-Feder-Paket ausgebildet. Die Arretierungsvorrichtung 16 weist demnach eine Kugel 32 und eine Feder 34 auf. Die Feder 34 ist in einer Sacklochbohrung 36 in der Nockenwelle 12 angeordnet. Dabei sind die Kugel 32 und die Feder 34 so angeordnet, dass die Feder 34 die Kugel 32 in radialer Richtung gegen die Innenseite 38 des Nockenstücks 14 drückt. Die Längsachse der Sacklochbohrung 36 verläuft also senkrecht zur Achse 18.
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Genauer wird die Kugel 32 von der Feder 34 in eine erste Ausnehmung 40 gedrückt. Beim Verschieben des Nockenstücks 14 läuft die Kugel 32 gegen die schräge Fläche einer Rastnase 42, welche an der Innenseite 38 des Nockenstücks 14 zwischen zwei Ausnehmungen 40, 44 angeordnet ist, so dass die Feder 34 zusammengedrückt wird. Nachdem das Kugel-Feder-Paket die Rastnase 42 überwunden hat, dehnt sich die Feder 34 wieder aus, und drückt die Kugel 32 in eine zweite Ausnehmung 44. Dementsprechend kann das Nockenstück 14 entweder in einer Stellung, in welcher sich die Kugel 32 in der ersten Ausnehmung 40 befindet, oder in einer Stellung, in welcher sich die Kugel 32 in der zweiten Ausnehmung 44 befindet, axial arretiert sein.
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Wie in 1 zu sehen, ist die Verspannungsvorrichtung 30 ebenfalls als Kugel-Feder-Paket ausgebildet. Die Verspannungsvorrichtung 30 weist demnach eine Kugel 46 und eine Feder 48 auf. Die Feder 48 ist in einer Sacklochbohrung 50 in der Nockenwelle 12 angeordnet. Dabei sind die Kugel 46 und die Feder 48 so angeordnet, dass die Feder 48 die Kugel 46 in radialer Richtung gegen die Innenseite 38 des Nockenstücks 14 drückt. Die Längsachse der Sacklochbohrung 50 verläuft also senkrecht zur Achse 18.
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An der Innenseite 38 des Nockenstücks 14 befindet sich eine parallel zu der Achse 18 ausgerichtete Innenlauffläche 52 für die Kugel 46. Dadurch, dass die Innenlauffläche 52 parallel zur Achse 18 ausgerichtet ist, ändert sich die Länge der Feder 48 bei einer axialen Verschiebung des Nockenstücks 14 nicht. Dementsprechend erfordert die Verspannungsvorrichtung 30 für die axiale Verschiebung des Nockenstücks 14 keinen zusätzlichen Kraftaufwand. Die Reibung zwischen der Kugel 46 und der Innenlauffläche 52 sowie die Reibung zwischen der Kugel 46 und der Feder 48 sind vernachlässigbar.
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Da die Verspannungsvorrichtung 30 keinen zusätzlichen Kraftaufwand bei der Verschiebung des Nockenstücks 14 bedeutet, kann für die Feder 48 eine große Federkonstante gewählt werden, so dass die Kugel 46 mit einer großen Kraft gegen die Innenseite 38 des Nockenstücks 14 gepresst wird. Dies führt zu einer Verspannung zwischen dem Nockenstück 14 und der Nockenwelle 12. Aufgrund dieser Verspannung wird der akustische Impuls beim Verzahnungsumschlagen verringert.
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Dementsprechend ist die radiale Kraft, welche die Verspannungsvorrichtung 30 auf das Nockenstück 14 ausübt zwischen dreimal und fünfzehnmal so groß wie die radiale Kraft, welche die Arretierungsvorrichtung 16 auf das Nockenstück 14 ausübt. Alternativ liegt der Unterschied in den radialen Kräften zwischen dreimal und zehnmal so groß oder dreimal und fünfmal so groß.
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1 zeigt, dass die Arretierungsvorrichtung 16 und die Verspannungsvorrichtung 30 parallel angeordnet sind. Dabei weist die radiale Kraft der Arretierungsvorrichtung 16 in die entgegengesetzte Richtung wie die radiale Kraft der Verspannungsvorrichtung 30. In Richtung der Achse 18 gesehen, ergibt sich ein Winkel von 180° zwischen der radialen Kraft der Verspannungsvorrichtung 30 und der radialen Kraft der Arretierungsvorrichtung 16. Alternativ ist auch ein beliebiger anderer Winkel zwischen 0° und 360° möglich.
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Der Ventiltrieb 10 umfasst optional zumindest ein Radiallager 54 zum Halten des Nockenstücks 14 und der Nockenwelle 12 und ein Axiallager 56 zum Begrenzen der axialen Bewegung des Nockenstücks 14.
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Alternativ kann der Ventiltrieb 10 zumindest eine weitere Verspannungsvorrichtung aufweisen, um die Verspannung zwischen der Nockenwelle 12 und dem Nockenstück 14 weiter zu erhöhen. Dadurch kann der akustische Impuls beim Verzahnungsumschlagen weiter verringert werden. Dabei können die Verspannungsvorrichtung 30 und die zumindest eine weitere Verspannungsvorrichtung parallel oder versetzt zueinander angeordnet sein. Von der Achse 18 aus gesehen, ergibt sich ein Winkel zwischen 0° und 360° zwischen der radialen Kraft der Verspannungsvorrichtung 30 und der radialen Kraft der zumindest einen weiteren Verspannungsvorrichtung. Bei einem Winkel von 0° oder 180° sind die Verspannungsvorrichtung 30 und die zumindest eine weitere Verspannungsvorrichtung parallel zueinander ausgerichtet.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Ventiltrieb
- 12
- Nockenwelle
- 14
- Nockenstück
- 16
- Arretierungsvorrichtung
- 18
- Achse
- 20
- Nocken
- 22
- Innenverzahnung des Nockenstücks
- 24
- Außenverzahnung der Nockenwelle
- 26
- Pfeil
- 28
- Doppelnockenstück
- 30
- Verspannungsvorrichtung
- 32
- Kugel der Arretierungsvorrichtung
- 34
- Feder der Arretierungsvorrichtung
- 36
- Sacklochbohrung
- 38
- Innenseite des Nockenstücks
- 40
- erste Ausnehmung
- 42
- Rastnase
- 44
- zweite Ausnehmung
- 46
- Kugel der Verspannungsvorrichtung
- 48
- Feder der Verspannungsvorrichtung
- 50
- Sacklochbohrung
- 52
- Innenlauffläche
- 54
- Radiallager
- 56
- Axiallager
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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