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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Aktorik für einen variablen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine und ein Verfahren zur Herstellung einer Betätigungseinheit für eine Aktorik für einen variablen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 10 näher definierten Art.
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Aus
DE 10 2017 101 792 A1 ist ein variabler Ventiltrieb eines Verbrennungskolbenmotors bekannt. Durch zumindest einen Primärnocken und einen Sekundärnocken einer Nockenwelle ist ein Ventilhub mittels eines schaltbaren Schlepphebels selektiv auf mindestens ein zugeordnetes Gaswechselventil übertragbar. Der Schlepphebel ist durch einen Schaltbolzen schaltbar und mit einem stabförmigen Verbindungselement verbunden, das seinerseits mit einer Schaltstange in Stellverbindung gekoppelt ist. Die Schaltstange ist oberhalb des jeweiligen Schlepphebels parallel zu der zugeordneten Nockenwelle angeordnet und mittels eines Linearaktuators gegen die Rückstellkraft eines Federelements aus einer Ruhestellung in eine Schaltstellung längsverschiebbar. Hierbei besteht jedoch das Problem, dass durch die Anordnung des Linearaktuators und des Federelements eine große axiale Baulänge erreicht wird. Zudem erfordert die Vielzahl der Bauteile eine aufwendige Herstellung und Montage, die aufgrund der erforderlichen genauen Positionierung Zeit- und kostenintensiv ist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Aktorik der vorgenannten Art hinsichtlich der Herstellung und Montage zu vereinfachen und bauraumsparend zu gestalten. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Betätigungseinheit für eine Aktorik der vorgenannten Art vorzuschlagen.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und alternativ durch die Merkmale des Patentanspruchs 10 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
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Es wird eine Aktorik für einen variablen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen. Die Aktorik umfasst ein entlang einer Längsachse verschiebbares Schubelement und mehrere mit diesem verschiebbar verbundene Übertragungselemente. Diese sind zum Betätigen jeweils zumindest einer schaltbaren Ventiltriebkomponente mit vorbestimmten axialen Abstand hintereinander am Schubelement angeordnet und stehen mit ihren freien Enden mit einer vorbestimmten Länge am Schubelement quer zur Längsachse ab. Erfindungsgemäß ist die vorbestimmte Länge der Übertragungselemente größer als ihr jeweiliger axialer Abstand zueinander. Dabei sind Schubelement und Übertragungselemente als eine Betätigungseinheit einteilig hergestellt. Auf diese Weise wird eine bauraumsparende Aktorik mit reduzierter axialer Baulänge erreicht, die zudem durch die einteilige Ausführung einen reduzierten Herstellungs- und Montageaufwand erfordert. Zugleich wird die Positions-Toleranzkette der Aktorik verkürzt. Bei der Serienfertigung kann auf diese Weise der Einsatz von zwei Maschinen-Typen eingespart werden, nämlich eine Maschine zur Herstellung der Übertragungselemente und eine Maschine zur Montage der Einzelteile.
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Die Betätigungseinheit kann in besonders einfacher Weise kostengünstig aus einem Blech durch Stanzen und Biegen hergestellt werden. Dabei ist es möglich, die Betätigungseinheit aus einem Blech-Halbzeug mit einer konstanten Materialstärke zu stanzen und zu biegen.
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In einer weiteren Variante der Erfindung ist die Betätigungseinheit durch Urformen hergestellt. Hierbei ist es möglich, die Betätigungseinheit insbesondere durch Druck-, Spritz- oder Feingussverfahren oder durch Metallpulverspritzgießen mit einem Werkzeug in einem Arbeitsschritt herzustellen. Dadurch ist gegenüber einem Biegeverfahren eine präzisere Fertigung auf einfache Weise möglich, wodurch außerdem die Toleranzen der gesamten Aktorik weiter reduziert werden können. Ferner wird eine Beeinflussung oder Beschädigung der Materialstruktur durch plastisches Verformen während des Biege-Prozesses vermieden und zugleich die Sicherheit gegen Dauerbruch erhöht. Zudem können hochfeste Legierungen verwendet werden, die für einen plastischen Biege-Prozess vollkommen ungeeignet sind. Die Sicherheit gegen Dauerbruch kann so weiter erhöht werden.
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Die Übertragungselemente sind in besonders vorteilhafter Weise in Schubrichtung des Schubelements elastisch, beispielsweise als Blattfedern, ausgeführt. Dadurch kann bei unterschiedlichen Schaltzeiten der Ventiltriebkomponenten die Übertragung einer axialen Stellbewegung durch Vorspannung der Übertragungselemente und individuelles Schalten der Ventiltriebskomponenten in der jeweiligen kräftefreien Nockengrundkreisphase einer antreibenden Nockenwelle ohne zusätzliche Bauteile erfolgen. Der Schaltvorgang kann dabei bereits in der Vollhubphase beginnen, in der die jeweilige Blattfeder vorgespannt wird, so dass in der Nockengrundkreisphase durch die jeweils bereits vorgespannte Blattfeder die axiale Stellbewegung auf ein Schaltelement der Ventiltriebkomponente, beispielsweise einen Schaltbolzen, übertragen und das Schaltelement bzw. der Schaltbolzen verschoben wird.
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Die Betätigungseinheit ist besonders einfach einteilig herstellbar, wenn das Schubelement als flache Schubleiste durch Stanzen aus einem Blech und die Übertragungselemente als Blattfedern aus der Schubleiste ausgestanzt und mit freien Enden an der Schubleiste umgebogen sind. Dabei ist es möglich, die Betätigungseinheit aus einem Blech-Halbzeug zu stanzen und zu biegen. Die Federrate der Blattfedern kann durch die Materialstärke und/oder über die Geometrie bzw. die Form und Abmessungen derselben ausgelegt werden.
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Alternativ ist es möglich, dass die Betätigungseinheit mit flacher Schubleiste und Übertragungselementen als Blattfedern durch Urformen einteilig hergestellt ist.
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Vorzugsweise sind dabei die Übertragungselemente mit einer gegenüber der Materialstärke der Schubleiste reduzierten Materialstärke urgeformt. Die Betätigungseinheit ist besonders kostengünstig insbesondere durch Druck-, Spritz- oder Feingussverfahren oder durch Metallpulverspritzgießen mit einem Werkzeug in einem Arbeitsschritt herstellbar. Dabei wird eine Beeinflussung oder Beschädigung der Materialstruktur der Blattfeder durch plastisches Verformen während des Biege-Prozesses vermieden und zugleich die Sicherheit gegen Dauerbruch erhöht.
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Dabei können die Blattfedern mit einer gegenüber der Materialstärke der Schubleiste um etwa ein Viertel reduzierten der Materialstärke hergestellt sein. Alternativ oder ergänzend kann die Federrate der Blattfedern über die Geometrie bzw. über die Form und Abmessungen derselben ausgelegt werden.
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Denkbar ist auch, die Betätigungseinheit mit flacher Schubleiste und Übertragungselementen als Blattfedern in einem dreidimensionalen Druckverfahren als sogenannten 3D-Druck einteilig herzustellen.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Schubelement als Schubleiste mit zwei als Blattfedern ausgebildeten Übertragungselementen ausgebildet, die zur Längsachse an der Schubleiste mit ihren freien Enden abstehend zum Betätigen mit jeweils zumindest einer schaltbaren Ventiltriebkomponente in axialer Stellverbindung stehen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist ein Betätigungsmodul zur Übertragung einer axialen Schubbewegung auf das Schubelement bauraumsparend in einem axial zwischen zwei Übertragungselementen gelegenen Bereich des Schubelements angeordnet.
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Das Betätigungsmodul kann zumindest teilweise in eine Ausnehmung des Schubelements bauraumsparend aufgenommen sein. Bevorzugt ist dabei die Ausnehmung durch zwei hintereinander angeordnete Übertragungselemente axial begrenzt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Betätigungsmodul eine Umlenkeinheit auf, durch die eine von einem Antriebselement senkrecht zur Längsachse erzeugte Linearbewegung als Schubbewegung in Richtung der Längsachse auf das Schubelement übertragbar ist.
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In einer weiteren vorteilhaften, insbesondere bauraumsparenden Anordnung ist das Schubelement durch das Betätigungsmodul verschiebbar hindurchgeführt. Vorzugsweise ist dabei das Schubelement zugleich am Betätigungsmodul abgestützt. Bevorzugt ist hierbei das Schubelement zwischen der Umlenkeinheit und einer mit dieser verbundenen Abstützung hindurchgeführt.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur Herstellung einer Betätigungseinheit für eine Aktorik für einen variablen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine gelöst. Die Betätigungseinheit umfasst ein entlang einer Längsachse verschiebbares Schubelement und mehrere mit diesem verschiebbaren Übertragungselementen zum axialen Betätigen jeweils zumindest einer zugeordneten schaltbaren Ventiltriebkomponente. Erfindungsgemäß wird das Schubelement als Schubleiste durch Stanzen aus einem Blech hergestellt, aus der zwei mit einem vorbestimmten axialen Abstand axial hintereinander angeordnete Übertragungselemente als Blattfedern ausgestanzt werden. Dabei wird eine der Blattfedern mit einer um eine vorbestimmte Zusatzlänge vergrößerten Länge ausgestanzt und in einem Zwischenschritt mit einer Zusatzlasche mit der Zusatzlänge umgebogen. Anschließend werden beide Blattfedern mit ihren freien Enden mit gleicher Länge am Schubelement abstehend umgebogen. Durch die Herstellung der Zusatzlasche wird eine Materialüberlappung bei der Herstellung der Blattfedern vermieden. Auf diese Weise kann die Betätigungseinheit einteilig mit reduzierter Baulänge bauraumsparend einfach hergestellt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann in besonders vorteilhafter Weise zur Herstellung einer Betätigungseinheit für eine Aktorik für einen variablen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine nach einem der vorangehend beschriebenen Ansprüche verwendet werden.
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Die erfindungsgemäße Aktorik kann in weiterhin besonders vorteilhafter Weise zur Betätigung von einem oder mehreren schaltbaren Schlepphebeln in einem Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine verwendet werden. Denkbar ist auch die Verwendung zur Betätigung anderer schaltbarer Ventiltriebkomponenten, insbesondere zumindest eines schaltbaren Tassen- oder Rollenstößels oder zumindest eines schaltbaren Abstützelements für einen Schlepphebel.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung vereinfacht dargestellt sind. Es zeigen:
- 1 eine erfindungsgemäße Aktorik für einen variablen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine in einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 2 eine erfindungsgemäße Betätigungseinheit der Aktorik in einer Einzelansicht,
- 3 eine erfindungsgemäße Aktorik in einem zweiten Ausführungsbeispiel,
- 4 eine erfindungsgemäße Betätigungseinheit der Aktorik aus 3 in einer Einzelansicht.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Aktorik für einen variablen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine in einem ersten Ausführungsbeispiel dargestellt. Die Aktorik weist eine entlang einer Längsachse 1 verschiebbare einteilig ausgeführte Betätigungseinheit 2 zum Betätigen zumindest einer nicht dargestellten schaltbaren Ventiltriebkomponente auf. 2 zeigt in einer Einzelansicht die Betätigungseinheit 2 der Aktorik. Ein Betätigungsmodul 3 ist in einem zwischen den axialen Enden gelegenen Bereich der Betätigungseinheit 2 angeordnet und dient zur Übertragung einer axialen Schubbewegung auf die Betätigungseinheit 2. Diese weist ein entlang der Längsachse 1 verschiebbares Schubelement 4 auf, das zwei mit dieser einteilig verbundene Übertragungselemente 5 trägt. Das Schubelement 4 ist als flache Schubleiste ausgeführt, und mit den Übertragungselementen 5 als Blattfedern einteilig hergestellt ist, die in Schubrichtung der Schubleiste 4 biegeelastisch ausgeführt sind. Durch die Blattfedern 5 ist jeweils eine Schubbewegung der Schubleiste 4 als axiale Stellbewegung zum Schalten einer jeweils zugeordneten Ventiltriebkomponente übertragbar.
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Die Schubleiste 4 ist als Flachstab mit planen quer zur Längsachse 1 ausgerichteten in Materialstärkerichtung schmalen Längsseiten 6 und senkrecht zu diesen ausgerichteten breiten Längsseiten 7 ausgebildet ist. Die Blattfedern 5 sind mit einem vorbestimmten Abstand L axial fluchtend hintereinander angeordnet. Sie sind dabei quer zur Längsachse 1 mit freien Enden mit einer vorbestimmten lichten Länge LA an der Schubleiste 4 abstehend angeordnet, die größer ist als der axiale Abstand L der Blattfedern 5 zueinander. Hierdurch kann die axiale Baulänge der Betätigungseinheit 2 deutlich verkürzt werden. Der Abstand L und die Länge LA sind insbesondere durch die Einsatzbedingungen und Einbauverhältnisse vorgegeben.
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Die Betätigungseinheit 2 ist durch Urformen insbesondere durch Spritz-, Druck- oder Feinguss oder durch Metallpulverspritzgießen einteilig hergestellt. Schubleiste 4 und Blattfedern 5 können dabei in einem Herstellungsschritt mit einem Werkzeug hergestellt werden. Die Blattfedern 5 sind zur Anpassung der Federrate an die Einsatzbedingungen mit einer entsprechenden Federgeometrie und einer gegenüber der Materialstärke S der Schubleiste 4 reduzierten Materialstärke s ausgeführt. Im Ausführungsbeispiel weist die Schubleiste 4 eine Materialstärke S = 2 mm auf, während die Blattfedern 5 mit einer Materialstärke s = 1, 5 mm ausgebildet sind.
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Das Verhältnis der Materialstärke s der Blattfedern 5 zur Materialstärke S der Schubleiste 4 ist nicht auf ein Viertel begrenzt. Es kann an die Einsatzbedingungen angepasst werden. Denkbar ist auch, dass beispielsweise die Schubleiste 4 eine Materialstärke S = 3 mm aufweist, während die Blattfedern 5 mit einer Materialstärke s = 1 mm ausgeführt sind. Dies ergibt eine Reduzierung der Materialstärke der Blattfedern 5 gegenüber der Materialstärke S der Schubleiste 4 um zwei Drittel. Die minimale Materialstärke ist durch den Urform- oder Umformprozess begrenzt.
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Das Betätigungsmodul 3 ist mehrteilig ausgeführt und umfasst einen Abstützabschnitt und eine Umlenkeinheit mit einem Gehäuse 12. Durch die Umlenkeinheit ist eine von einem nicht dargestellten Antriebselement, insbesondere einem Schub- bzw. Linear-Aktor, senkrecht zur Längsachse 1 erzeugte Linearbewegung als Schubbewegung in Richtung der Längsachse 1 auf das Schubelement 4 übertragbar. Das Betätigungsmodul 3 ist mit dem Abstützabschnitt in eine axial zwischen den Blattfedern 5 gelegene und durch diese axial begrenzte Ausnehmung 8 an einer schmalen Längs- bzw. Materialstärkeseite 6 der Schubleiste 4 teilweise aufgenommen. Die Schubleiste 4 ist zwischen Abstützabschnitt und Umlenkeinheit bzw. Gehäuse 12 im Bereich der Ausnehmung 8 verschiebbar hindurchgeführt. Betätigungsmodul 3 und Schubleiste 4 können so über den Abstützabschnitt an einem ortsfesten Bauteil Brennkraftmaschine, insbesondere einem Zylinderkopf derselben, abgestützt werden.
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Die Schubleiste 4 weist an den breiten Längsseiten 7 im Bereich der Ausnehmung 8 zwei in der Draufsicht rechteckförmige in Richtung der Längsachse 1 hintereinander angeordnete Öffnungen 9, 10 auf. In eine erste Öffnung 9, die in Richtung der Längsachse 1 schmal und quer zu dieser breit ausgebildet ist, greift das Betätigungsmodul 3 mit der Umlenkeinheit mit einem im Gehäuse 12 angeordnet angedeuteten 90°-Umlenkhebel zur Übertragung einer Schubbewegung auf die Schubleiste 4 ein. Dieser weist zweit rechtwinklig zueinander angeordnete Arme auf und ist mit beiden Armen um eine Achse 11 verschwenkbar an einem Gehäuse 12 des Antriebselements 3 gelagert. Durch die vom nicht dargestellten Antriebselement übertragbare Linearbewegung ist einer der Arme senkrecht zur Längsachse 1 betätigbar, während der Umlenkhebel mit dem anderen Arm in die erste Öffnung 9 der Schubleiste 4 in Schubrichtung formschlüssig eingreift. In der zweiten Öffnung 10, die sich in Richtung der Längsachse 1 mit großer und quer dazu mit kleinerer Länge erstreckt, ist eine nicht dargestellte Rückstellfeder angeordnet, die sich einerseits in der Öffnung 10 und andererseits am Gehäuse 12 abstützt. Durch Betätigung des Antriebselements und Verschwenken des Umlenkhebels ist die Schubleiste 4 aus einer Ausgangsstellung gegen die Federkraft der Rückstellfeder verschiebbar, die nach beendeter Betätigung die Schubleiste 4 in die Ausgangsstellung zurückstellt.
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In einem zweiten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Aktorik gemäß 3 und 4 ist im Unterschied zur Ausführung nach 1 und 2 die Betätigungseinheit 2 durch Stanzen und Biegen einteilig hergestellt. Hierzu wird zunächst die Schubleiste 4 durch Stanzen aus einem Blech gefertigt. An den breiten Längsseiten 7 der Schubleiste 4 werden axial einerseits die Blattfedern 5 und axial zwischen diesen die Ausnehmung 8 sowie andererseits hintereinanderliegend die Öffnungen 9, 10 und ausgestanzt. Die ausgestanzten Blattfedern 5 werden an der Schubleiste 4 in Schubrichtung senkrecht zur Längsachse 1 mit den freien Enden mit gleicher lichter Länge LA an der Längsseite 7 der Schubleiste 4 abstehend umgebogen. Dabei ist eine Blattfeder 5 fertigungsbedingt mit einer Zusatzlasche 14 ausgeführt. Die Blattfedern 5 sind mit einem vorbestimmten axialen Abstand L axial hintereinander angeordnet, wobei dieser kleiner als die Länge LA ist. Hierdurch kann die axiale Baulänge der Betätigungseinheit 2 deutlich verkürzt werden. Um dabei eine axiale Materialüberlappung beim Ausstanzen der Blattfedern 5 zu vermeiden, werden diese an der Schubleiste 4 mit in axialer Richtung voneinander abgewandten Enden ausgestanzt und mit entgegengesetzter Biegerichtung parallel zueinander an der Schubleiste 4 in gleicher Richtung abstehend umgebogen. Damit bei vorgegebenen kurzem axialem Abstand L im umgebogenen Zustand die gleiche Länge LA der Blattfedern 5 an der Schubleiste 4 eingehalten werden kann, wird eine der Blattfedern 5 mit einer Zusatzlänge ΔL an der Schubleiste 4 ausgestanzt. Um im umgebogenen Zustand die vorbestimmte Abstandslänge LA erreichen zu können, ist es erforderlich, die Zusatzlänge ΔL der besagten Blattfeder 5 beim Biegeprozess durch zusätzliches Biegen der Zusatzasche 14 wieder zu kompensieren. Die Zusatzlänge ΔL ist durch einen gebogenen Doppelpfeil an der Zusatzasche 14 angedeutet.
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Die umgebogenen Blattfedern 5 sind mit den breiten Längsseiten 13 in Schubrichtung der Schubleiste 4 ausgerichtet und bilden an den freien Enden zumindest eine plane axiale Kontaktfläche 15 zum Schalten der jeweiligen Ventiltriebkomponente. Zur Vergrößerung der Kontaktflächen 15 sind an den freien Enden die breiten Längsseiten 13 aufgeweitet.
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In besonders vorteilhafter Weise kann die erfindungsgemäße Aktorik zur Betätigung von einem oder mehreren schaltbaren Schlepphebeln in einem Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine verwendet werden. Vorzugsweise stehen dabei die Übertragungselemente 5 bzw. die Blattfedern mit Kontaktflächen an ihren freien Enden jeweils in Kontakt mit einem in den jeweiligen Schlepphebel integrierten Schaltelement. Durch Verschieben des Schubelements 4 ist durch die Übertragungselemente 5 eine axiale Stellbewegung zum Schalten des jeweiligen Schlepphebels übertragbar. Der oder die Schlepphebel ist bzw. sind von einer oder mehreren Nockenwellen der Brennkraftmaschine mit einer Nockenhubbewegung antreibbar. Diese ist an einem Hebelendbereich des jeweiligen Schlepphebels zur Betätigung zumindest eines Gaswechselventils der Brennkraftmaschine übertragbar. Die Betätigungseinheit ist vorzugsweise mit dem Schubelement 4 parallel zur Nockenwelle angeordnet. Denkbar ist auch, dass die Aktorik mehrere jeweils aus einem Schubelement 4 und einem oder mehrerer Übertragungselementen 5 gebildete Betätigungseinheiten aufweist. Schaltbare Schlepphebel sind in den verschiedensten Ausführungen bekannt. Im Wesentlichen bestehen diese aus zwei ineinander gelagerten Hebeln, wobei vorzugsweise einer dieser Hebel, der sogenannte Primärhebel, sich ständig in Kontakt mit zumindest einem Gaswechselventil der Brennkraftmaschine befindet und der weitere Hebel, der so genannte Sekundärhebel, am Primärhebel schwenkbeweglich abgestützt ist. Bei Bedarf, beispielsweise bei einer Forderung nach einem großen Ventilhub, kann der Sekundärhebel zu- oder abgeschaltet werden. Hierdurch ist eine Hubum- oder -abschaltung bzw. Zylinderabschaltung möglich. Im abgeschalteten Modus führt der Sekundärhebel im Allgemeinen einen Leerhub als sogenannte Lost-Motion-Bewegung aus.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Längsachse
- 2
- Betätigungseinheit
- 3
- Betätigungsmodul
- 4
- Schubelement, Schubleiste
- 5
- Übertragungselement, Blattfeder
- 6
- Längs- bzw. Materialstärkeseite
- 7
- Längsseite
- 8
- Ausnehmung
- 9
- Öffnung
- 10
- Öffnung
- 11
- Achse
- 12
- Gehäuse
- 13
- Längsseite
- 14
- Zusatzlasche
- 15
- Kontaktfläche
- S
- Materialstärke
- s
- Materialstärke
- LA
- Abstandslänge
- L
- Abstand
- ΔL
- Zusatzlänge
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017101792 A1 [0002]
