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Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung an einer Stellvorrichtung für einen variablen Ventiltrieb eines Verbrennungskolbenmotors mit mindestens einem Gaswechselventil gleicher Funktion pro Zylinder, dessen Ventilhub jeweils durch mindestens einen Nocken einer Nockenwelle vorgegeben und mittels eines schaltbaren Schlepphebels durch eine Axialverschiebung eines in einer Querbohrung desselben geführten sowie mit einem äußeren Abschnitt aus dieser hervorstehenden Schaltbolzens selektiv abschaltbar oder auf einen anderen Hubverlauf umschaltbar ist, wobei die Schaltbolzen der Schlepphebel über federelastische Stellbleche mit einem langgestreckten Schaltmittel in Stellverbindung sind, welches parallel zu der Nockenwelle angeordnet und mittels eines Aktuators aus einer Ruhestellung in eine Schaltstellung längsverschiebbar ist.
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Unter einem langgestreckten Schaltmittel ist vorzugsweise eine beispielsweise durch Ausstanzen oder Laserschneiden aus einem Stahlblech herausgetrennte oder zum Beispiel in einem Spritzgussverfahren hergestellte stabförmige Schaltschiene zu verstehen, die längsbeweglich in Führungsöffnungen des Zylinderkopfes geführt ist. Das langgestreckte Schaltmittel hat vorzugsweise eine flachstabförmige Geometrie, kann aber beispielsweise auch als Rundstab ausgebildet sein.
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Soll der Ventilhub von Gaswechselventilen eines Verbrennungskolbenmotors über schaltbare Schlepphebel gruppenweise selektiv abgeschaltet oder umgeschaltet werden, so sind bei einer hydraulischen Verstellung der hebelinternen Koppelelemente getrennte Schaltdruckleitungen mit jeweils einem zugeordneten Schaltventil und bei einer elektromagnetischen Verstellung der hebelinternen Koppelelemente getrennte elektrische Schaltleitungen erforderlich, deren Leitungszweige jeweils bis in die Schlepphebel geführt sind.
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Da die Anordnung separater hydraulischer Schaltdruckleitungen oder elektrischer Schaltleitungen in einem Zylinderkopf eines Verbrennungskolbenmotors aufgrund beengter Platzverhältnisse relativ schwierig ist, wurden von der Anmelderin beispielsweise in den nicht vorveröffentlichten Patentanmeldungen
DE 10 2017 101 792 A1 ,
DE 10 2017 129 422 A1 und
DE 10 2018 103 961 A1 bereits mehrere Ausführungen eines neuartigen variablen Ventiltriebs vorgeschlagen. Bei diesen Ventiltrieben ist der übertragbare Ventilhub mehrerer funktionsgleicher Gaswechselventile mittels eines einzigen Aktuators rein mechanisch abschaltbar oder umschaltbar. Dabei sind die Schlepphebel jeweils durch eine Axialverschiebung eines in einer Querbohrung des Schlepphebels geführten und mit einem axial äußeren Abschnitt aus dieser hervorstehenden Schaltbolzens umschaltbar. Die Schaltbolzen der Schlepphebel stehen über als federelastischen Stellbleche ausgebildete Verbindungselemente mit einem langgestreckten Schaltmittel in Stellverbindung, welches parallel zu der Nockenwelle angeordnet und mittels eines vorzugsweise als Elektromagnet ausgebildeten Aktuators gegen die Rückstellkraft eines Federelementes aus einer Ruhestellung in eine Schaltstellung längsverschiebbar ist. Zum besseren Verständnis derartiger variabler Ventiltriebe wird der Offenbarungsinhalt der
DE 10 2017 101 792 A1 ,
DE 10 2017 129 422 A1 und
DE 10 2018 103 961 A1 hierher übernommen.
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Bei dem variablen Ventiltrieb gemäß der
DE 10 2017 101 792 A1 sind die Stellbleche an ihrem unteren Ende nach Art einer Sicherungsscheibe jeweils durch ein Aufstecken mit Eingriff einer endseitig offenen Bohrung in eine an dem äußeren Ende des jeweiligen Schaltbolzens ausgebildete Ringnut gelenkig an den Schaltbolzen der Schlepphebel befestigt. Mit ihrem oberen Ende greifen die Stellbleche spielbehaftet in jeweils eine querschlitzförmige Öffnung des langgestreckten Schaltmittels ein.
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Bei dem variablen Ventiltrieb gemäß der
DE 10 2017 129 422 A1 sind die federelastischen Stellbleche an ihrem oberen, schlepphebelfernen Ende durch eine zweifache rechtwinklige Abwinkelung jeweils als ein einseitig offener bügelförmiger Haken ausgebildet, von oben durch jeweils zwei axial benachbarte querschlitzförmige Durchtrittsöffnungen in das Schaltmittel eingesetzt, und an diesen querschlitzförmigen Durchtrittsöffnungen mit dem Schaltmittel verrastet. An ihrem unteren, schlepphebelnahen Ende liegen die Stellbleche gleitbeweglich oder im unbetätigten Zustand auch leicht spielbehaftet an der äußeren Stirnwand des Schaltbolzens des zugeordneten Schlepphebels an.
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Bei dem variablen Ventiltrieb gemäß der
DE 10 2018 103 961 A1 sind die Stellbleche an ihrem oberen, schlepphebelfernen Ende einfach rechtwinklig abgewinkelt ausgebildet, von oben durch jeweils eine rechteckige Durchtrittsöffnung in das Schaltmittel eingesetzt sowie mittels einer Clinchverbindung an dem Schaltmittel befestigt. An ihrem unteren, schlepphebelnahen Ende liegen die Stellbleche gleitbeweglich oder im unbetätigten Zustand auch leicht spielbehaftet an der äußeren Stirnwand des jeweiligen Schaltbolzens an.
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Bei diesen bekannten Ventiltrieben kann durch einen Bruch des Rückstellfederelements die Rückstellung des langgestreckten Schaltmittels unterbleiben. Zudem kann durch eine Ermüdung oder einen Bruch mindestens einen federelastischen Stellblechs und/oder durch eine Verklemmung des Schaltmechanismus in mindestens einem schaltbaren Schlepphebel eine Störung bei der Abschaltung oder Umschaltung des Ventilhubs der betreffenden Gaswechselventile erfolgen. Zudem können die Schaltstellung des Schaltmittels und die der Stellbleche sowie die von dem Aktuator über das Schaltmittel sowie die Stellbleche auf die Schaltbolzen der schaltbaren Schlepphebel übertragene Schaltkraft bei elektromagnetischer oder elektromotorischer Ausführung des Aktuators nur relativ grob und kollektiv über die Stromaufnahme des Aktuators ermittelt werden. Es bestand daher ein Bedarf an einer genaueren Diagnose des Lastzustandes der Stellbleche und/oder des langgestreckten Schaltmittels sowie des Schaltzustandes der schaltbaren Schlepphebel und/oder des Schaltmittels.
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Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, für eine Stellvorrichtung eines variablen Ventiltriebs der eingangs genannten Bauart eine Sensoranordnung vorzustellen, mittels welcher die mechanische Funktionsfähigkeit, die Stellposition und der Lastzustand der jeweiligen federelastischen Stellbleche sowie der Schaltzustand der schaltbaren Schlepphebel und/oder des langgestreckten Schaltmittels genau ermittelbar ist.
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Der Erfindung lag die Erkenntnis zugrunde, dass zur Lösung dieser Aufgabe eine Sensoranordnung geschaffen werden muss, welche den bei einer Betätigung des langgestreckten Schaltmittels zurückgelegten Stellweg desselben und/oder der Stellbleche so genau wie möglich misst.
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Die gestellte Aufgabe wird durch eine Sensoranordnung gelöst, welche die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Die Erfindung betrifft demnach eine Sensoranordnung an einer Stellvorrichtung für einen variablen Ventiltrieb eines Verbrennungskolbenmotors mit mindestens einem Gaswechselventil gleicher Funktion pro Zylinder, dessen Ventilhub jeweils durch mindestens einen Nocken einer Nockenwelle vorgegeben und mittels eines schaltbaren Schlepphebels durch eine Axialverschiebung eines in einer Querbohrung desselben geführten sowie mit einem äußeren Abschnitt aus dieser hervorstehenden Schaltbolzens selektiv abschaltbar oder auf einen anderen Hubverlauf umschaltbar ist, wobei die Schaltbolzen der Schlepphebel über federelastische Stellbleche mit einem langgestreckten Schaltmittel in Stellverbindung sind, welches parallel zu der Nockenwelle angeordnet und mittels eines Aktuators aus einer Ruhestellung in eine Schaltstellung längsverschiebbar ist.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist bei dieser Sensoranordnung vorgesehen, dass dem langgestreckten Schaltmittel und/oder zumindest einem Stellblech jeweils ein Stellwegsensor zugeordnet ist, mit dem bei einer Längsverschiebung des langgestreckten Schaltmittels eine Ortsveränderung desselben und/oder des jeweiligen Stellblechs feststellbar ist.
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Da Stellwegsensoren in den verschiedensten Ausführungsformen kostengünstig beschaffbare Sensoren sind und deren Einbau in dem Zylinderkopf eines Verbrennungskolbenmotors konstruktiv weitgehend problemlos erscheint, ist mit der beschriebenen Anordnung der Stellwegsensoren die Möglichkeit geschaffen, die mechanische Integrität, den Lastzustand sowie die Schaltstellung der federelastischen Stellbleche und/oder des langgestreckten Schaltmittels ständig zu ermitteln. Außerdem kann aus den Sensormesswerten der Stellwegsensoren in Kenntnis des Schaltzustandes des Aktuators und damit des langgestreckten Schaltmittels abgeleitet werden, wie der Schaltzustand der schaltbaren Schlepphebel sein sollte und/oder ob der Koppelmechanismus der schaltbaren Schlepphebel korrekt arbeitet.
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Anders als bei der Nutzung von Näherungssensoren, welche nur feststellen, ob ein Objekt in deren Messbereich vorhanden ist oder nicht, bieten Stellwegsensoren darüber hinaus die Möglichkeit, den genauen Ort des zu sensierenden Objekts in einem vorgegebenen Messbereich millimetergenau zu ermitteln. Hierdurch lassen sich aus den ermittelten Messwerten sehr feinsinnige Aussagen über den zu ermittelnden Sachverhalt machen.
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In weiterer Ausgestaltung dieser Sensoranordnung ist bevorzugt vorgesehen, dass die Stellwegsensoren an einer Zylinderkopfhaube befestigt sind und mit ihrem messseitigen Ende derart nahe an dem jeweils zugeordnet Stellblech oder derart nahe an dem langgestreckten Schaltmittel angeordnet sind, dass eine Ortsveränderung dieses Stellblechs beziehungsweise des langgestreckten Schaltmittels als zurückgelegte Wegstrecke sensierbar ist.
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Zur Erleichterung der Anordnung der Stellwegsensoren sowie zur Vereinfachung der vorzusehenden Messungen an den federelastischen Stellblechen ist hinsichtlich der zu sensierenden Bauteile der Stellvorrichtung bevorzugt vorgesehen, dass die federelastischen Stellbleche jeweils einen schlepphebelnahen Abschnitt, einen schlepphebelfernen Abschnitt und einen dazwischen ausgebildeten Zwischenabschnitt aufweisen, dass die Stellbleche mit ihrem oberen, schlepphebelfernen Abschnitt an dem langgestreckten Schaltmittel befestigt sind, und dass die Stellbleche mit ihrem unteren, schlepphebelnahen Abschnitt gleitbeweglich oder im lastfreien Zustand leicht spielbehaftet an der äußeren Stirnwand des zugeordneten Schaltbolzens anliegen.
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Weiter ist hierzu bevorzugt vorgesehen, dass von den Stellblechen jeweils ein Signalgeberabschnitt abzweigt, welcher sich in den Messbereich eines zugeordneten Stellwegsensors erstreckt. Der Signalgeberabschnitt der Stellbleche ist dabei derart am langgestreckten Schaltmittel angeordnet, dass dieser bei einer Auslenkung des langgestreckten Schaltmittels aus seiner Nichtbetätigungsstellung in seine Schaltstellung bei blockiertem Schaltbolzen hin zu oder weg von dem messseitigen Ende des zugeordneten Stellwegsensors ausschwenkt.
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Dieses Ausschwenken des Signalgeberabschnitts des federelastischen Stellblechs ist mittels des zugeordneten Stellwegsensors vergleichsweise einfach zu messen, weil sich der Signalgeberabschnitt des Stellblechs fern von dem Schaltbolzen des jeweiligen Schlepphebels befindet, sozusagen oberhalb der schlepphebelfernen Oberseite des langgestreckten Schaltmittels. Dort steht üblicherweise mehr Bauraum zur Verfügung als nahe beim Schlepphebel.
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Zur Ermöglichung der beschriebenen Schwenkbewegung des Signalgeberabschnitts eines jeweiligen Stellblechs ist bevorzugt vorgesehen, dass das langgestreckte Schaltmittel für jedes zugeordnete Stellblech eine Durchgangsöffnung aufweist, durch welche zumindest ein Teil des Signalgeberabschnitts des Stellblechs mit einem für eine freie Verschwenkbarkeit ausreichend großem Spiel hindurchgeführt ist.
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Weiter kann bevorzugt vorgesehen sein, dass die Stellwegsensoren als solche Sensoren ausgebildet sind, welche ein induktives Messprinzip nutzen. Diese induktiven Sensoren weisen jeweils eine elektrische Spule auf, welche einen permanentmagnetischen Abschnitt koaxial umgibt, der an dem langgestreckten Schaltmittel befestigt oder ausgebildet ist. Dieser permanentmagnetische Abschnitt ist vorzugsweise am aktuatornahen oder aktuatorfernen Ende des langgestreckten Schaltmittels angeordnet oder ausgebildet.
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Zur Übertragung der von den Stellwegsensoren erzeugten Sensorsignale sind diese über elektrische Sensorleitungen oder über geeignete drahtlose Signalübertragungsmittel mit einem elektronischen Diagnosegerät verbunden. In diesem werden die Sensorsignale alleine oder vorzugsweise in Kombination mit den Messwerten anderer Sensoren dahingehend ausgewertet, ob die Stellvorrichtung mit all ihren Bestandteilen mechanisch voll funktionsfähig ist, wie der Lastzustand einzelner federelastischer Stellbleche ist, und wie der Schaltzustand des langegestreckten Schaltmittels sowie der Koppelvorrichtungen der schaltbaren Schlepphebel ist. Diese Erkenntnisse werden vorzugsweise dazu genutzt, die korrekte Funktion des Ventiltriebs des Verbrennungskolbenmotors zu ermitteln, aufzuzeichnen und gegebenenfalls Gegenmaßnahmen bei Fehlfunktionen einzuleiten.
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Zur weiteren Verdeutlichung der Erfindung ist der Beschreibung eine Zeichnung beigefügt, die Ausführungsbeispiele darstellt. In dieser Zeichnung zeigt
- 1 eine perspektivische Ansicht eines Zylinderkopfes mit Zylinderkopfhaube eines dreizylindrigen Verbrennungskolbenmotors, wobei eine Seitenwand der Zylinderkopfhaube von drei dort befestigte Stellwegsensoren durchdrungen ist,
- 2 den Zylinderkopf gemäß 1, jedoch ohne Zylinderkopfhaube, mit Blick auf zwei Nockenwellen und ein von einem Axialaktuator betätigbares langgestrecktes Schaltmittel,
- 3 eine Draufsicht auf die Einlassnockenwelle und die Auslassnockenwelle des Verbrennungskolbenmotors gemäß den 2 zusammen mit schaltbaren Schlepphebeln und diesen zugeordneten Stellwegsensoren in einer unbetätigten Schaltstellung des langgestreckten Schaltmittels,
- 3a die Betätigungs- und Messsituation gemäß 3 in einer vereinfachten und vergrößerten Darstellung,
- 4 eine Darstellung wie in 3, jedoch mit axial verschobenem langgestrecktem Schaltmittel, aber mit noch nicht axial verschobenem Schaltbolzen an den Schlepphebeln,
- 4a die Betätigungs- und Messsituation gemäß 4 in einer vereinfachten und vergrößerten Darstellung,
- 5 eine Abbildung wie diejenige gemäß 4, jedoch mit axial verschobenem Schaltbolzen an den Schlepphebeln,
- 5a die Betätigungs- und Messsituation gemäß 5 in einer vereinfachten und vergrößerten Darstellung,
- 6 einen Radialschnitt A-A' gemäß den 3, 4 und 5 durch den Ventiltrieb mit Blick auf ein Stellblech, welches an dem langgestreckten Schaltmittel befestigt ist sowie zur Betätigung eines Koppelmechanismus im zugeordneten schaltbaren Stellhebel dient, und
- 7 eine schematische Darstellung eines induktiven Stellwegsensors in einer Seitenansicht, bei das langgestreckte Schaltmittel endseitig einen permanentmagnetischen Abschnitt aufweist.
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Die 1 und 2 zeigen demnach einen Zylinderkopf 2 eines dreizylindrigen Verbrennungskolbenmotors. Der Zylinderkopf 2 wird mit einer unteren Planfläche 5 auf die Oberseite eines Motorblocks des Verbrennungskolbenmotors aufgesetzt. An einer oberen Planfläche 3 des Zylinderkopfes 2 ist eine Zylinderkopfhaube 4 aufgesetzt und befestigt, welche den Innenraum des Zylinderkopfes 2 abdeckt. In dem in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Zylinderkopfhaube 4 an einer Seitenfläche drei Durchführungsöffnungen 12, 14, 16 auf, in denen jeweils ein Stellwegsensor 6, 8, 10 angeordnet ist. Diese Sensoranordnung 1 dient dazu, den Stellweg und die Stellposition von zugeordneten federelastischen Stellblechen 54, 56, 58 einer ein langgestreckte Stellmittel 34 aufweisenden Stellvorrichtung 70 für einen variablen Ventiltrieb des Verbrennungskolbenmotors zu ermitteln. Dabei wird gemessen, an welchem Ort eines vorgesehenen axialen Stellweges sich ein solches Stellblech 54, 56, 58 beziehungsweise deren jeweiliger Signalgeberabschnitt 55, 57, 59 oder auch das langgestreckte Stellmittel 34 befindet.
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Die drei Stellwegsensoren 6, 8, 10 ragen mit deren anschlussseitigem Ende aus den jeweils zugeordneten Durchführungsöffnungen 12, 14, 16 heraus. Die anschlussseitigen Enden der drei Stellwegsensoren 6, 8, 10 sind über jeweils eine Sensorleitung 72 mit einem Diagnosegerät 73 verbunden (6). Mit ihrem entgegengesetzten Ende ragen die drei Stellwegsensoren 6, 8, 10 in den von der Zylinderkopfhaube 4 umschlossenen Raum hinein. Dabei sind die Stellwegsensoren 6, 8, 10 mit deren jeweiligen messseitigen Ende 11 dicht an die zugeordneten Stellbleche 54, 56, 58 herangeführt, so dass deren Position entlang ihres möglichen Stellweges genau messbar ist.
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Der Verbrennungskolbenmotor weist wie erwähnt drei in Reihe angeordnete Zylinder auf, deren Brennkammern durch jeweils ein federbelastet geschlossenes Einlassventil zum Einströmen eines Luft-Kraftstoff-Gemisches beziehungsweise durch jeweils ein federbelastet geschlossenes Auslassventil zum Ausströmen von Abgas geöffnet werden können. Das Betätigen der Einlassventile und der Auslassventile erfolgt mittels eines insbesondere in den
2 bis
5 gut erkennbaren variablen Ventiltriebs, dessen Aufbau und Funktionsweise in der
DE 10 2017 101 792 A1 ausführlich beschrieben ist.
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Hier sei nur kurz erwähnt, dass der variable Ventiltrieb eine Einlassnockenwelle 18 und eine Auslassnockenwelle 20 aufweist, welche in zugeordneten Lagerböcken 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33 in dem Zylinderkopf 2 drehbar gelagert angeordnet sind. Die Einlassnockenwelle 18 und die Auslassnockenwelle 20 tragen axial endseitig jeweils ein Zahnrad 22, 24, die miteinander kämmen, und von denen eines von einem nicht erkennbaren Antriebszahnrad angetrieben wird. Die Auslassnockenwelle 20 weist pro Zylinder jeweils drei im Ventiltrieb nutzbare Nocken 51, 51a, 51b; 52, 52a, 52b; 53, 53a, 53b auf, welche jeweils gruppenweise auf die zugeordneten schaltbaren Schlepphebel 46, 48, 50 einwirken, um mittels diesen die Auslassventile des Verbrennungskolbenmotors zu betätigen.
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Die schaltbaren Schlepphebel
46,
48,
50 weisen einen aus der Patentanmeldung
DE 10 2017 101 792 A1 bekannten Aufbau auf. Wie die
3 bis
6 anhand der Betätigung der Auslassventile mittels der Auslassnockenwelle
20 verdeutlichen, weisen die Schlepphebel
46,
48,
50 einen rahmenförmigen Außenhebel auf, an dem ein Innenhebel schwenkbar gelagert angeordnet ist. Der Innenhebel der jeweiligen Schlepphebel
46,
48,
50 wird mittels wenigstens einer als Schenkelfeder ausgebildeten Anpressfeder
60 an den Außenhebel gedrückt. Der Innenhebel trägt zudem eine drehbar gelagerte Rolle, welche mit einem zugeordneten, gruppenzentralen Nocken
51,
52,
53 der Auslassnockenwelle
20 in Kontakt ist. Der Außenhebel der jeweiligen Schlepphebel
46,
48,
50 ist mit zwei weiteren Nocken
51a,
51b;
52a,
52b;
53a,
53b der Auslassnockenwelle
20 in Kontakt, welche rechts beziehungsweise links neben den erstgenannten, gruppenzentralen Nocken
51,
52,
53 auf der Auslassnockenwelle
20 angeordnet sind. Der Außenhebel der Schlepphebel
46,
48,
50 ist zudem mit einem lateralen Ende über ein hydraulisches Abstützelement
68 an dem Zylinderkopf
2 abgestützt und wirkt mit dessen anderem lateralen Ende auf den Schaft
69 eines zugeordneten Auslassventils des Verbrennungskolbenmotors (
6).
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Der Außenhebel und der Innenhebel der schaltbaren Schlepphebel 46, 48, 50 sind zudem mittels einer Koppeleinrichtung miteinander koppelbar, und zwar derart, dass die Schwenkbarkeit des Innenhebels am Außenhebel unterbunden oder gewährleistet ist. Üblicherweise ist die Koppelvorrichtung so konstruiert, dass diese im unbetätigten Zustand den Innenhebel mit dem Außenhebel des Schlepphebels unverschwenkbar koppelt, und nur im betätigten Zustand ein abgefedertes Ausschwenken des Innenhebels am Außenhebel ermöglicht. Auf die notwendigen Mittel zum Betätigen der Koppelvorrichtung wird nachfolgend noch eingegangen.
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Bei unbetätigter Koppeleinrichtung mit demnach unterbundener Schwenkbarkeit des Innenhebels gegenüber dem Außenhebel des Schlepphebels 46, 48, 50 bewirkt ein Drehen der Auslassnockenwelle 20 über dessen gruppenzentrale Nocken 51, 52, 53 und dem zugeordneten Innenhebel ein Verschwenken des Außenhebels an seinem Lagerpunkt am hydraulischen Abstützelement 68, in dessen Folge die von dem zugeordneten Nocken 51, 52, 53 ausgelöste Ventilbetätigung über den Innenhebel und den Außenhebel an den Ventilschaft 69 eines zugeordneten Auslassventils weitergegeben wird.
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Bei einer betätigten Koppeleinrichtung ist der Innenhebel frei an dem Außenhebel des jeweiligen Schlepphebels 46, 48, 50 schwenkbar, so dass ein Drehen der Auslassnockenwelle 20 über deren zugeordneten gruppenzentralen Nocken 51, 52, 53 ein Verschwenken des Innenhebels gegenüber dem Außenhebel des Schlepphebels bewirkt. Im Ergebnis wird hierdurch die von der Auslassnockenwelle 20 über deren zugeordnete gruppenzentralen Nocken 51, 52, 53 ausgelöste Ventilbetätigung nicht über den Innenhebel an den Außenhebel des Schlepphebels und von dort an den Ventilschaft 69 des Auslassventils weitergegeben. Das Auslassventil bleibt dadurch geschlossen. Beim Weiterdrehen der Auslassnockenwelle 20 werden die ein anderes Nockenprofil aufweisenden, nicht gruppenzentralen Nocken 51a, 51b; 52a, 52b; 53a, 53b an dem zugeordneten Außenhebel der schaltbaren Schlepphebel 46, 48, 50 stellwirksam. In dessen Folge wird der Außenhebel um seinen Widerlagerpunkt am hydraulischen Abstützelement 68 verschwenkt und so der zugeordnete Schaft 69 des Auslassventils in Öffnungsrichtung verschoben.
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Die 3a, 4a, 5a und 6 zeigen, dass die Koppelvorrichtung der schaltbaren Schlepphebel 46, 48, 50 jeweils einen in einer Querbohrung 64 desselben geführten Schaltbolzen 66 aufweist, der über eine Schaltkulisse im Außenhebel des jeweiligen Schlepphebels mit einem Koppelbolzen zusammenwirkt, welcher parallel zur Längserstreckung des Schlepphebels am Außenhebel angeordnet sowie axial verschiebbar ist. In seiner Koppelstellung untergreift der Koppelbolzen eine Anlagefläche des Innenhebels, welche lateral gegenüber dessen Schwenkachse am Innenhebel ausgebildet ist. Dann, wenn der Schaltbolzen 66 von der noch zu beschreibenden Stellvorrichtung 70 aus seiner Nichtbetätigungsstellung in seine Betätigungsstellung verschoben wurde, ist auch der über die erwähnte Schaltkulisse im Außenhebel betätigbare Koppelbolzen aus seiner Koppelstellung in seine Freigabestellung verschoben worden. In dessen Folge ist die Anlagefläche des Innenhebels freigegeben und der Innenhebel kann an dem Außenhebel nach unten, also in Richtung zu den Auslassventilen, ausschwenken. Mittels einer vorteilhaften Ausbildung der Geometrie der Nocken der Auslassnockenwelle 20 sowie einer vorbestimmten zeitlichen Betätigung der Schaltbolzen 66 mittels der Stellvorrichtung 70 können der Zeitpunkt und die Dauer des Öffnens sowie Schließens des jeweiligen Auslassventils eingestellt sein. Dies kann in gleicher Weise auch für die zum Betätigen der Einlassventile mittels der Einlassnockenwelle 18 angeordneten schaltbaren Schlepphebel gelten.
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Wie die 3 bis 6 veranschaulichen, ist zum Betätigen der Schaltbolzen 66 der Schlepphebel 46, 48, 50 und damit zum Entsperren der Koppelvorrichtung, die im unbetätigten Zustand durch eine auf den Schaltbolzen 66 wirkende Druckfeder 45 federbelastet geschlossen ist, ein elektromagnetisch arbeitender Linearaktuator 36 vorhanden, der an der Zylinderkopfhaube 4 befestigt ist und diese stellgliedseitig mit einem axialen Flanschabschnitt abgedichtet durchdringt.
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In 3 ist die Stellvorrichtung 70 in deren unbetätigten Stellung dargestellt. Dabei ist der Innenhebel der jeweiligen schaltbaren Schlepphebel 46, 48, 50 an deren Außenhebel nichtschwenkbar angekoppelt. In der in 4 gezeigten Situation wurde das langgestreckte Schaltmittel 34 durch eine Betätigung des Linearaktuators 36 axial in Richtung zu dem zweiten Zahnrad 24 an der Auslassnockenwelle 20 verschoben. Dazu verschob der Anker des Linearaktuators 36 einen axial in Rückstellrichtung federbelasteten Stößel 38 in die in 4 dargestellte Stellrichtung 74, wodurch dessen aktuatorfernes Ende auf ein abgewinkeltes Ende 40 des langgestreckten Schaltmittels 34 wirkte. Dieses langgestreckte Schaltmittel 34 ist lateral in schlitzartigen Führungen 41 aufgenommen (2, 6), welche an dem Zylinderkopf 2 im Bereich der Lagerböcke 30, 31, 32, 33 für die Auslassnockenwelle 20 ausgebildet sind. Das langgestreckte Schaltmittel 34 ist hierbei als ein Flachstab mit einer für dessen Zweck ausreichenden Steifigkeit ausgebildet.
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Da die zugeordneten gruppenzentralen Nocken 51, 52, 53 an der Auslassnockenwelle 20 noch nicht mir deren Grundkreis an der Kontaktfläche der zugeordneten Innenhebel der schaltbaren Schlepphebel 46, 48, 50 anliegen, sind die an dem langgestreckten Schaltmittel 34 befestigten Stellbleche 54, 56, 58 gegen die noch nicht axial verschiebbaren Schaltbolzen 66 vorgespannt, so dass deren Federkraft auf diese Schaltbolzen 66 wirkt. Erst dann, wenn durch ein Weiterdrehen der Auslassnockenwelle 20 die jeweils zugeordneten gruppenzentralen Nocken 51, 52, 53 der Auslassnockenwelle 20 mit deren Grundkreis an der Kontaktfläche der Innenhebel der zugeordneten schaltbaren Schlepphebel 46, 48, 50 anliegen, wird der jeweilige Schaltbolzen 66 axial in den Außenhebel der Schlepphebel geschoben und damit die Federkraft der Stellbleche 54, 56, 58 abgebaut, in dessen Folge der Koppelmechanismus der schaltbaren Schlepphebel 46, 48, 50 in seine Nichtbetätigungsstellung versetzt wird. Dadurch wird letztlich der jeweilige Innenhebel vom zugeordneten Außenhebel der Schlepphebel 46, 48, 50 entkoppelt, so dass der Innenhebel jeweils an dem zugeordneten Außenhebel ausschwenken kann. Diese Situation ist in 5 dargestellt.
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Dieser Schaltvorgang zum Entkoppeln von Innenhebel und Außenhebel der jeweiligen Schlepphebel 46, 48, 50 soll möglichst genau festgestellt werden, und zwar sowohl hinsichtlich der jeweiligen Schaltstellung des langgestreckten Schaltmittels 34 also auch hinsichtlich der Schaltstellung der jeweiligen Stellbleche 54, 56, 58. Mit den so ermittelten Informationen kann ein zugeordnetes Diagnose- und/oder Steuergerät unter Hinzunahme der gemessenen Stromaufnahme des elektromagnetischen Linearaktuators 36 beispielsweise ermitteln, ob das langgestreckte Schaltmittel 34 störungsfrei axial bewegt wurde, ob die einzelnen Stellbleche 54, 56, 58 mechanisch intakt sind, und ob eine beabsichtigte axiale Verschiebung der jeweiligen Schaltbolzen 66 der Koppelvorrichtungen der jeweiligen Schlepphebel 46, 48, 50 erfolgt ist oder von einem dortigen Defekt, wie etwa ein Verklemmen, ausgegangen werden muss. Diese Informationen können in einem Diagnose-System abgespeichert und zum Auslesen bereitgestellt werden, und/oder einer Fehler- oder Warnanzeige auslösen. Zudem können die ermittelten Stellweginformationen und die daraus abgeleiteten Erkenntnisse zur weiteren Steuerung des Verbrennungskolbenmotors genutzt werden.
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Die 3a, 4a und 5a zeigen in vergrößerter schematischer Darstellung die drei Betriebssituationen gemäß den 3, 4 und 5, beispielhaft dargestellt anhand des mittleren, zweiten schaltbaren Schlepphebels 48 und der ihm zugeordneten Betätigungsmittel. Die Betätigung der Koppelvorrichtungen an den anderen beiden Schlepphebeln 46, 50 ist ebenso aufgebaut und funktioniert in gleicher Weise.
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Dass Stellblech 56 gemäß den 3a, 4a und 5a weist ebenso wie die anderen Stellbleche 54, 58 am langgestreckten Schaltmittel 34 einen schlepphebelnahen Abschnitt 62, einen schlepphebelfernen Abschnitt 61 und einen dazwischen ausgebildeten Zwischenabschnitt 63 auf. Das Stellblech 56 ist mit seinem oberen, schlepphebelfernen Abschnitt 61 an dem langgestreckten Schaltmittel 34 befestigt. Hierzu dient ein um 90° umgebogenes Ende 42 des Stellblechs 56, welches an der Oberseite des langgestreckten Schaltmittels 34 plan aufliegt und dort mittels einer Clinchverbindung 44 befestigt ist. Bei dem in 4a gezeigten in dieser Hinsicht alternativen Ausführungsbeispiel ist das Stellblech 56 an der schlepphebelnahen Unterseite des langgestreckten Schaltmittels 34 mittels einer Clinchverbindung 44 befestigt.
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Der untere, schlepphebelnahe Abschnitt 62 des Stellblechs 56 liegt gleitbeweglich oder im lastfreien Zustand leicht spielbehaftet an der äußeren Stirnwand des zugeordneten Schaltbolzens 66 des zugeordneten Schlepphebels 48 an. Der Schaltbolzen 66 ist in einer Querbohrung 64 im Schlepphebel 48 axial verschiebbar und wirkt wie erwähnt über eine nicht dargestellte Schaltkulisse auf einen Koppelbolzen der Koppelvorrichtung des Schlepphebels 48.
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Von dem schlepphebelfernen Abschnitt 61 des jeweiligen Stellblechs 56 zweigt ein Signalgeberabschnitt 57 ab, welcher sich gemäß dem in den 3a, 4a, 5a gezeigten Ausführungsbeispiel zumindest teilweise durch eine Öffnung 76 im langgestreckten Schaltmittel 34 sowie mit seinem freien Ende in den Messbereich eines zugeordneten Stellwegsensors 8 erstreckt. Der Signalgeberabschnitt 57 ist dabei derart am langgestreckten Schaltmittel 34 angeordnet, dass dieser bei einer Auslenkung des langgestreckten Schaltmittels 34 aus seiner Nichtbetätigungsstellung in seine Schaltstellung bei blockiertem Schaltbolzen 66 hin zu dem messseitigen Ende 11 des zugeordneten Stellwegsensors 8 ausschwenkt. Das erwähnte Hinschwenken eines Signalgeberabschnitts 57 zu einem Stellwegsensor 8 ist besonders gut in 4a erkennbar.
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Um diese Verschwenkung durchführen zu können, weist die Öffnung 76 im langgestreckten Schaltmittel 34 ein für eine freie Verschwenkbarkeit des Signalgeberabschnitts 57 ausreichend großes Spiel auf. Die Rückstellung dieser Auslenkung des Stellblechs 56 erfolgt dann, wenn der Schaltbolzen 66 gemäß dem Stellrichtungspfeil 74 in der Querbohrung 64 des Außenhebels des Schlepphebels 48 axial ausreichend tief verschoben ist (siehe 5a).
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Gemäß einer in den 3 bis 5 gut erkennbaren anderen Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass der jeweilige Signalgeberabschnitt 55, 57, 59 der Stellbleche 54, 56, 58 nicht durch eine jeweils zugeordnete Öffnung 76 in dem langgestreckten Schaltmittel 34 geführt ist, sondern im Bereich des schlepphebelnahen Abschnitts 62 oder des schlepphebelfernen Abschnitts 61 seitlich von dem jeweiligen Stellblech 54, 56, 58 abragt. Hierdurch können die Stellwegsensoren 6, 8, 10 wie dargestellt seitlich neben dem langgestreckten Schaltmittel 34 angeordnet sein.
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Ein Vergleich der 3a, 4a und 5a zeigt, dass sich gemäß 3a das freie Ende des Signalgeberabschnitts 57 des Stellblechs 56 am Ort einer Stellwegposition A befindet, wenn das langgestreckte Schaltmittel 34 in seiner axial nicht verschobenen Ausgangsstellung steht. In dieser Situation ragt der Schaltbolzen 66 durch eine Rückstellfeder 45 axial belastet mit seinem freien Ende vergleichsweise weit aus der Querbohrung 64 im Außenhebel des Schlepphebels 48 heraus, wodurch ein nicht dargestellter Koppelbolzen den Innenhebel an dem Außenhebel des Schlepphebels 48 fixiert. Hierbei liegt der untere Abschnitt 62 des Stellblechs 56 nur lose und gleitbeweglich an dem äußeren Ende des Schaltbolzens 66 an. Der Stellwegsensor 8 misst in dieser Situation den größten Abstand zwischen seinem messseitigen Ende 11 und dem Signalgeberabschnitts 57 des Stellblechs 56 am Ort A.
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In der in 4a dargestellten Situation wurde das langgestreckte Schaltmittel 34 durch eine Betätigung des Linearaktuators 36 in die durch den Pfeil 74 angedeutete Stellrichtung verschoben. Da der dem Schlepphebel 48 zugeordnete gruppenzentrale Nocken 52 der Ausgangsnockenwelle 20 noch nicht mit seinem Grundkreis den Kontaktbereich des Innenhebels des Schlepphebels 48 berührt, wirkt über den Innenhebel durch den Nocken 52 eine Anpresskraft auf den Koppelbolzen der Koppelvorrichtung, so dass diese nicht entsperrt werden kann. In dessen Folge ist auch der Schaltbolzen 66 in dieser Situation nicht axial verschiebbar, so dass er wie auch in der 3a vergleichswiese weit aus der Querbohrung 64 herausragt. Dadurch wurde der schlepphebelnahe Abschnitt 62 des Stellblechs 56 von dem Schlepphebel 48 erkennbar weg verschwenkt. In dessen Folge wurde der Signalgeberabschnitt 57 des Stellblechs 56 in die entgegengesetzte Richtung verschwenkt, also hin zu dem Stellwegsensor 8 bis zu der Ortsposition C, so dass dieser Signalgeberabschnitts 57 nun den geringsten messbaren Abstand zu dem messseitigen Ende 11 des Stellwegsensors 8 hat.
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In der in 5a dargestellten Situation ist das langgestreckte Schaltmittel 34 ebenfalls von dem Linearaktuator 36 in die Stellrichtung 74 axial verschoben worden. Da sich der dem Innenhebel dieses Schlepphebels 48 zugeordnete gruppenzentrale Nocken 52 in dieser Situation mit seinem Grundkreis in Kontakt mit dem Innenhebel befand, konnte der Schaltbolzen 66 axial in die Querbohrung 64 eingeschoben werden. Hierdurch konnte die Koppelvorrichtung des Schlepphebels 48 seinen Innenhebel zur Verschwenkung am zugeordneten Außenhebel freigegeben. Durch die Axialverschiebung des Schaltbolzens 66 wurde der schlepphebelnahe Abschnitt 62 und der Signalgeberabschnitt 57 des Stellblechs 56 in deren Ausgangsgeometrie zurückbewegt, wodurch sich der Signalgeberabschnitt 57 am Ort B des zu messenden Stellweges befindet. Erkennbar befindet hat dieser Ort B in einer vergleichsweise mittleren Entfernung zu dem messseitigen Ende 11 des Stellwegsensors 8, so dass auch in dieser Betriebssituation der Ort des Signalgeberabschnitt 57 von dem Stellwegsensor 8 eindeutig messbar ist.
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6 zeigt einen Radialschnitt A-A' gemäß den 3, 4 und 5 durch den Ventiltrieb mit Blick auf das auch in den 3a, 4a, 5a dargestellte zweite Stellblech 56, welches an dem langgestreckten Schaltmittel 34 befestigt ist sowie zur Betätigung des Schaltbolzens 66 der Koppelvorrichtung im zugeordneten schaltbaren Schlepphebel 48 dient. Dargestellt sind auch die beiden miteinander kämmenden Zahnräder 22, 24 an der Einlassnockenwelle 18 beziehungsweise an der Auslassnockenwelle 20, der zweite Schlepphebel 48, der auf den Außenhebel des Schlepphebels 48 wirkende gruppenzentrale Nocken 52 der Auslassnockenwelle 20, ein hydraulisches Abstützelement 68 und ein Schaft 69 eines nicht weiter dargestellten Auslassventils. Zudem ist ein Führungsschlitz 41 in einem Lagerbock 31 erkennbar, in dem das langgestreckte Schaltmittel 34 axial geführt ist.
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Die 6 zeigt auch beispielhaft, wie der Signalgeberabschnitt 57 des Stellblechs 56 und der Stellwegsensor 8 angeordnet sind. Erkennbar geht der Signalgeberabschnitt 57 von dem schlepphebelfernen Abschnitt 61 des Stellblechs 56 aus. Von dort erstreckt er sich durch die zugeordnete Öffnung 76 im langgestreckten Schaltmittel 34 hindurch. Mit seinem freien Ende überdeckt der Signalgeberabschnitt 57 des Stellblechs 56 zumindest einen Teil des messseitigen Endes 11 des Stellwegsensors 8, so dass dieser den Abstand zwischen sich und dem Signalgeberabschnitt 57 messen kann.
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Abschließend wird noch auf die 7 verweisen, welche einen Stellwegsensor 80 darstellt, der ein induktives Messprinzip nutzt. Hierzu besteht dieser Stellwegsensor 80 im Wesentlichen aus einer elektrischen Spule 84 mit einem hohlzylindrisch gewickelten Draht, welcher einen permanentmagnetischen Abschnitt 82 koaxial umgreift. Dieser permanentmagnetische Abschnitt 82 ist vorzugsweise an einem axialen Ende des langgestreckten Schaltmittels 34 befestigt oder in geeigneter Weise an diesem ausgebildet. Eine axiale Bewegung gemäß dem die Stellrichtung angebenden Doppelpfeil 74 erzeugt einen elektrischen Strom in dem Wicklungsdraht, welcher von einer zugeordneten Sensorvorrichtung in eine elektrische Spannung umgewandelt oder direkt dem Diagnosegerät 73 zugeleitet wird. Hieraus ermittelt das Diagnosegerät 73 in bekannter Weise den durch das langgestreckte Schaltmittel 34 zurückgelegten Stellweg und daraus die erreichte Stellwegendposition.
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Die Messsignale aller Stellwegsensoren 6, 8, 10, 80 werden wie schon erwähnt vorzugsweise über Sensorleitungen 72 an das Diagnosegerät 73 geleitet. Dieses Diagnosegerät 73 kann dann aus den von den Stellwegsensoren 6, 8, 10, 80 bereitgestellten Sensorsignalen sowie weiterer Informationen, beispielswiese über die Stromaufnahme des Linearaktuators 36, schließen, ob die Stellvorrichtung 70 sowie die schaltbaren Schlepphebel 46, 48, 50 erwartungsgemäß funktionieren, oder ob diese fehlerhaft arbeiten beziehungsweise gar einen mechanischen Schaden aufweisen. Diese Informationen können dann dafür genutzt werden, um die Arbeitsweise des Verbrennungskolbenmotors zu steuern und zu regeln, und um bei Bedarf entsprechende Fehlersignale zu erzeugen, diese auslesbar abzuspeichern und/oder durch geeignete Mittel anzeigen zu lassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sensoranordnung
- 2
- Zylinderkopf
- 3
- Obere Planfläche des Zylinderkopfes
- 4
- Zylinderkopfhaube
- 5
- Untere Planfläche des Zylinderkopfes
- 6
- Erster Stellwegsensor
- 8
- Zweiter Stellwegsensor
- 10
- Dritter Stellwegsensor
- 11
- Messseitiges Ende des zweiten Stellwegsensor
- 12
- Erste Durchführungsöffnung in der Zylinderkopfhaube
- 14
- Zweite Durchführungsöffnung in der Zylinderkopfhaube
- 16
- Dritte Durchführungsöffnung in der Zylinderkopfhaube
- 18
- Einlassnockenwelle
- 20
- Auslassnockenwelle
- 22
- Erstes Zahnrad
- 24
- Zweites Zahnrad
- 26
- Erster Lagerbock für die Einlassnockenwelle
- 27
- Zweiter Lagerbock für die Einlassnockenwelle
- 28
- Dritter Lagerbock für die Einlassnockenwelle
- 29
- Vierter Lagerbock für die Einlassnockenwelle
- 30
- Erster Lagerbock für die Auslassnockenwelle
- 31
- Zweiter Lagerbock für die Auslassnockenwelle
- 32
- Dritter Lagerbock für die Auslassnockenwelle
- 33
- Vierter Lagerbock für die Auslassnockenwelle
- 34
- Langgestrecktes Schaltmittel
- 36
- Aktuator, Linearaktuator
- 38
- Stößel
- 40
- Abgewinkeltes, aktuatorseitiges Ende des Schaltmittels 34
- 41
- Schlitzartige Führung für das Schaltmittel 34
- 42
- Schlepphebelfernes umgebogenes Ende eines Stellblechs
- 44
- Clinchverbindung
- 45
- Rückstellfeder am Schaltbolzen
- 46
- Erster schaltbarer Schlepphebel
- 48
- Zweiter schaltbarer Schlepphebel
- 50
- Dritter schaltbarer Schlepphebel
- 51
- Mittlerer Nocken an der Auslassnockenwelle für Schlepphebel 46
- 51 a
- Linker Nocken an der Auslassnockenwelle für Schlepphebel 46
- 51 b
- Rechter Nocken an der Auslassnockenwelle für Schlepphebel 46
- 52
- Mittlerer Nocken an der Auslassnockenwelle für Schlepphebel 48
- 52a
- Linker Nocken an der Auslassnockenwelle für Schlepphebel 48
- 52b
- Rechter Nocken an der Auslassnockenwelle für Schlepphebel 48
- 53
- Mittlerer Nocken an der Auslassnockenwelle für Schlepphebel 50
- 53a
- Linker Nocken an der Auslassnockenwelle für Schlepphebel 50
- 53b
- Rechter Nocken an der Auslassnockenwelle für Schlepphebel 50
- 54
- Erstes Stellblech
- 55
- Signalgeberabschnitt am ersten Stellblech
- 56
- Zweites Stellblech
- 57
- Signalgeberabschnitt am zweiten Stellblech
- 58
- Drittes Stellblech
- 59
- Signalgeberabschnitt am dritten Stellblech
- 60
- Anpressfeder am zweiten Schlepphebel 52
- 61
- Schlepphebelferner Abschnitt des zweiten Stellblechs
- 62
- Schlepphebelnaher Abschnitt des zweiten Stellblechs
- 63
- Zwischenabschnitt des zweiten Stellblechs
- 64
- Querbohrung im zweiten Schlepphebel
- 66
- Schaltbolzen
- 68
- Hydraulisches Abstützelement
- 69
- Gaswechselventil, Schaft desselben
- 70
- Stellvorrichtung
- 72
- Sensorleitung
- 73
- Diagnosegerät
- 74
- Stellrichtung
- 76
- Durchgangsöffnung
- 80
- Induktiver Stellwegsensor
- 82
- Wicklung, Spule
- 84
- Permanentmagnetischer Abschnitt am Schaltmittel 34
- A-A'
- Schnittebene
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017101792 A1 [0004, 0005, 0026, 0028]
- DE 102017129422 A1 [0004, 0006]
- DE 102018103961 A1 [0004, 0007]
