Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Betätigungsvorrichtung mit
variablem Hub für ein oszillierendes Bauteil, insbesondere
einem Pumpenkolben einer Kolbenpumpe, wobei das
oszillierende Bauteil durch eine Druckfeder gegen die
Betätigungseinrichtung vorgespannt ist, mit einer
Nockenwelle, mit einem drehbar gelagerten Betätigungshebel,
mit einem Schlepphebel, wobei der Betätigungshebel von der
Nockenwelle und der Schlepphebel von dem Betätigungshebel
angetrieben wird, und mit einem Stellglied zum Ändern der
relativen Lage von Nockenwelle und Betätigungshebel.
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Eine solche Betätigungsvorrichtung ist durch die sogenannte
"Valvetronic" der BMW AG bekannt. Diese
Betätigungsvorrichtung dient dazu, den Hub der
Einlassventile einer Brennkraftmaschine in Abhängigkeit des
Betriebszustandes der Brennkraftmaschine variabel
einzustellen: Bei dieser u. a. in der MTZ motortechnische
Zeitschrift 6/2001, ISSN 0024-8525 beschriebenen
Betätigungsvorrichtung wird der Betätigungshebel - in der
o. g. Veröffentlichung als Zwischenhebel bezeichnet - in
einem Exzenter einer Exzenterwelle drehbar gelagert. Durch
Verdrehen der Exzenterwelle werden der Drehpunkt und die
relative Lage des Betätigungshebels zur Nockenwelle
verändert. Aufgrund der dadurch geänderten
Hebelverhältnisse ändert sich auch der Hub des von dieser
Betätigungsvorrichtung betätigten Gaswechselventils.
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Nachteilig an dieser Betätigungsvorrichtung ist die
erforderliche Präzision bei der Herstellung der
Komponenten, was sich insgesamt in hohen Herstellungskosten
niederschlägt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Betätigungsvorrichtung mit variablem Hub für ein
oszillierendes Bauteil bereitzustellen, welche einfach
herzustellen ist und dessen Funktion durch das Auftreten
von Fertigungstoleranzen nicht nennenswert beeinträchtigt
wird.
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Diese Aufgabe wird bei einer Betätigungsvorrichtung mit
variablem Hub für ein oszillierendes Bauteil, insbesondere
einem Pumpenkolben einer Kolbenpumpe, wobei das
oszillierende Bauteil gegen die Betätigungseinrichtung
vorgespannt ist, mit einer Nockenwelle, mit einem drehbar
gelagerten Betätigungshebel, mit einem Schlepphebel, wobei
der Betätigungshebel von der Nockenwelle und dem
Schlepphebel von dem Betätigungshebel angetrieben wird, und
mit einem Stellglied zum Ändern der relativen Lage von
Nockenwelle und Betätigungshebel, dadurch gelöst, dass der
Drehpunkt des Betätigungshebels ortsfest ist, dass das
Stellglied einen keilförmigen Abschnitt aufweist, und dass
durch Verschieben des zwischen Nockenwelle und
Betätigungshebel angeordneten keilförmigen Abschnitts die
relative Lage von Nockenwelle und Betätigungshebel
zueinander änderbar ist.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Betätigungsvorrichtung hat gegenüber
der aus dem Stand der Technik bekannten
Betätigungsvorrichtung den Vorteil, dass die
Fertigungstoleranzen von Nockenwelle, Stellglied,
Betätigungshebel und Schlepphebel sich beim Betrieb der
Betätigungsvorrichtung gegenseitig kaum beeinflussen,
sondern weitestgehend voneinander unabhängig sind. In Folge
dessen ist durch Einstellen des Stellglieds, bzw. einer
entsprechenden Kompensation beim Ansteuern des Stellglieds,
die Funktion der Betätigungseinrichtung unabhängig von den
individuellen Toleranzen der Bauteile gewährleistet.
Außerdem sind alle Bauteile von einfacher Geometrie, so
dass sich die Herstellung einfach und kostengünstig
realisieren lässt. Ein weiterer Vorteil ist darin zusehen,
dass für Motoren unterschiedlicher Baugröße nur eine
Nockenkontur mit einem Nockenhub notwendig ist und nicht
wie bisher verschiedene Nockenkonturen hergestellt werden
müssen.
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Weitere Varianten der Erfindung sehen vor, dass das
Stellglied an einem Hubzapfen einer Kurbelwelle angelenkt
ist und/oder dass durch Verdrehen der Kurbelwelle der
keilförmige Abschnitt verschoben wird, so dass auf einfache
Weise durch einen Stellmotor der Hub der
Betätigungseinrichtung eingestellt werden kann.
Selbstverständlich kann auch durch einen Linearantrieb, z. B.
durch eine Gewindespindel, die gewünschte Verschiebung
des Stellglieds realisiert werden. Die Wahl für einen
geeigneten Antrieb des Stellglieds hängt u. a. von dem
verfügbaren Bauraum, der geforderten Genauigkeit und den
Kosten ab.
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Zur Verringerung der Reibungsverluste der erfindungsgemäßen
Betätigungsvorrichtung ist außerdem vorgesehen, dass der
Betätigungshebel und/oder der Schlepphebel eine Rolle
aufweisen und dass die Relativbewegungen des Stellglieds
auf den Betätigungshebel und/oder des Betätigungshebels auf
dem Schlepphebel über die Rollen übertragen werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist eine
Abrollfläche des Betätigungshebels, über die der
Schlepphebel angetrieben wird, einen ersten Abschnitt und
einen zweiten Abschnitt auf, wobei die Abrollfläche im
ersten Abschnitt konzentrisch zum Drehpunkt des
Betätigungshebels verläuft, und der Abstand zwischen
Abrollfläche und Drehpunkt des Betätigungshebels im zweiten
Abschnitt mit zunehmendem Abstand vom ersten Abschnitt
zunimmt, so dass - eine entsprechende Stellung des
Stellglieds vorausgesetzt - der gewünschte Hub des
oszillierenden Bauteils stufenlos zwischen einem Nullhub
und dem maximalem Hub einstellbar ist.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der
zweite Abschnitt der Abrollfläche kreisförmig geformt.
Dadurch ergibt sich ein günstiges Betriebsverhalten der
erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung.
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Um die Geräuschentwicklung der erfindungsgemäßen
Betätigungsvorrichtung zu optimieren kann vorgesehen sein,
dass der Betätigungshebel durch eine Druckfeder gegen das
Stellglied gepresst wird. Durch den Wegfall des
Mengensteuerventils an der angetriebenen Hochdruckpumpe
wird zum einen ein Bauteil eingespart und zum anderen
werden die hydraulischen Absteuerstöße in den
Niederdruckteil erheblich reduziert. Dadurch wird die
Geräuschentwicklung um etwa 50% reduziert. Durch die
langsame Entspannung des Fluids im Hochdruckteil der Pumpe,
bedingt durch die geringe Geschwindigkeit des Kolbens im
Umkehrpunkt des Nockens werden hohe Druckpulsationen
unterdrückt.
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Es kann weiter auch vorgesehen sein, dass das oszillierende
Bauteil durch eine Druckfeder oder durch eine
desmotromische Steuerung gegen die Betätigungseinrichtung
vorgespannt wird.
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Die erfindungsgemäße Betätigungsvorrichtung ist außer zum
Antriebs eines Pumpenkolbens einer Kolbenpumpe auch zum
Antrieb eines Gaswechelsventils einer Brennkraftmaschine
oder anderer oszillierender Bauteile geeignet.
Zeichnungen
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren
Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.
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Es zeigen:
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Fig. 1 eine Seitenansicht eines
Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen
Betätigungseinrichtung,
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Fig. 2 einen vergrößert dargestellten
Betätigungshebel und
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Fig. 3-6 verschiedene Darstellungen von
Betriebszuständen des Ausführungsbeispiels
gemäß Fig. 1.
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Fig. 7 ein zweites Ausführungsbeispiels eines
vergrößert dargestellten Betätigungshebels
und
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Fig. 8 und 9 verschiedene Darstellungen von
Betriebszuständen des zweiten
Ausführungsbeispiels.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In Fig. 1 ist eine von einer erfindungsgemäßen
Betätigungsvorrichtung 1 angetriebene Kolbenpumpe 3 in
einer Seitenansicht dargestellt. Die Kolbenpumpe 3 weist
einen Zulauf 5 und einen Hochdruckanschluß 7 auf. Die über
den Zulauf angesaugte Flüssigkeit (nicht dargestellt) wird
in einem nur andeutungsweise dargestellten
Kolbenpumpenelement 9 mit Druck beaufschlagt und zur
Hochdruckseite 7 gefördert. Das Pumpenelement 9 weist einen
Pumpenkolben 11 auf, welcher über die
Betätigungseinrichtung 1 angetrieben wird. Anstelle des
Pumpenkolbens 11 können mit der erfindungsgemäßen
Betätigungseinrichtung 1 auch beliebige andere
oszillierende Bauteile, wie z. B. Gaswechselventile von
Brennkraftmaschinen angetrieben werden.
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Die erfindungsgemäße Betätigungseinrichtung 1 besteht aus
einer drehbar gelagerten Nockenwelle 13 mit zwei Nocken 15.
Die Nockenwelle 13 ist um ihre Drehachse 17 drehbar, wie
durch den Pfeil in Fig. 1 angedeutet wird.
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Zwischen einem Betätigungsglied 19, das drehbar um einen
Drehpunkt 37 gelagert ist, und der Nockenwelle 13 ist ein
Stellglied 21 angeordnet. Das Stellglied 21 weist einen
keilförmigen Abschnitt 23 auf. Die durch die Nocken 15 der
sich drehenden Nockenwelle 13 verursachten Steuerbewegungen
der Nockenwelle 13 werden über den keilförmigen Abschnitt
23 des drehbar in einem Hubzapfen 25 gelagerten Stellglieds
21 auf den Betätigungshebel 19 übertragen. Die Lagerung des
Stellglieds 21 im Hubzapfen 25 ist in Fig. 1 mit dem
Bezugszeichen 27 versehen. Der Hubzapfen 25 kann durch eine
Verstellwelle 29, die wiederum von einem nicht
dargestellten Stellmotor oder dgl. betätigt wird, verdreht
werden.
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Je nach Stellung des Hubzapfens 25 wird das Stellglied 21,
bzw. dessen keilförmiger Abschnitt 23, mehr oder weniger
weit zwischen Nockenwelle 13 und Betätigungshebel 19
verschoben. Aus dieser Verschiebung ergibt sich, wie
nachfolgend noch detailliert erläutert werden wird, der
variable Hub der erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung.
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Der Betätigungshebel 19 wird durch eine erste Druckfeder
31, die sich gegen ein Gehäuse 33 der
Betätigungsvorrichtung 1 abstützt, gegen das Stellglied 21
gepresst.
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Die Bewegung des Stellglieds 21 wird über eine Rolle 35,
die drehbar im Betätigungshebel 19 gelagert ist, auf diesen
übertragen. Durch die Rolle 35 wird die Reibung zwischen
Stellglied 21 und Betätigungshebel 19 reduziert. Der
Betätigungshebel 19 hat an seinem, dem Drehpunkt 37 im
Gehäuse 33 abgewandten Ende eine Abrollfläche 39, deren
Kontur nachfolgend anhand der Fig. 2 genauer erläutert
werden wird.
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Auf der Abrollfläche 39 liegt ein Schlepphebel 41 mit einer
Rolle 43 auf. Der Schlepphebel 41 ist an einem Ende drehbar
auf einem Lagerbock 45 gelagert. Mit seinem anderen Ende 47
drückt der Schlepphebel 41 gegen den Pumpenkolben 11. Der
Pumpenkolben 11 wird durch eine zweite Druckfeder 49 gegen
das Ende 47 des Schlepphebels 41 gepresst. Durch die erste
Druckfeder 31 und die zweite Druckfeder 49 ist
gewährleistet, dass von der Nockenwelle 13, über das
Stellglied 21, den Betätigungshebel 19, den Schlepphebel 41
bis zum Pumpenkolben 11 stets eine spielfreie und
kinematisch eindeutig bestimmte Zuordnung der genannten
Bauteile zueinander vorhanden ist.
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Anhand der Fig. 2 wird die Geometrie der Abrollfläche 39
des Betätigungshebels 19 detaillierter erläutert. Ein in
Fig. 2 mit I bezeichneter erster Abschnitt der
Abrollfläche 39 ist kreisförmig ausgebildet und hat einen
Radius R1, dessen Ursprung mit dem Drehpunkt 37 des
Betätigungshebels 19 zusammenfällt. Daran schließt sich ein
zweiter Abschnitt II der Abrollfläche 39 an, dessen Kontur
ebenfalls kreisförmig ist, allerdings liegt der Ursprung
des zugehörigen Radius' R2 deutlich oberhalb des
Betätigungshebels 19 in Fig. 2. Dies bedeutet, dass im
ersten Abschnitt I der Abstand der Abrollfläche zum
Drehpunkt 37 konstant ist, während er im zweiten Abschnitt
II mit zunehmendem Abstand vom ersten Abschnitt I zunimmt.
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Nachfolgend wird anhand der Fig. 3 bis 6 die Kinematik
der Betätigungseinrichtung 1 in Abhängigkeit der Stellung
des Stellglieds 21 beispielhaft erläutert. In den Fig. 3
bis 6 sind nicht alle in der Fig. 1 bezeichneten Bauteile
mit Bezugszeichen versehen, sondern nur diejenigen, welche
für das Verständnis der erfindungsgemäßen Kinematik von
Bedeutung sind.
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In Fig. 3 ist der Hubzapfen 25 so weit entgegen dem
Uhrzeigersinn gedreht worden, dass der keilförmige
Abschnitt 23 des Stellglieds 21 zwischen Nockenwelle 13 und
Betätigungshebel 19 sehr schmal ist. Dies bedeutet, dass
der Betätigungshebel 19 von der ersten Druckfeder 31 um
seinen Drehpunkt 37 in Fig. 3 nach rechts gedreht wird.
Infolge dessen liegt die Rolle 43 des Schlepphebels 41 auf
dem ersten Abschnitt I des Betätigungshebels 19 auf. Der
erste Abschnitt I ist in Fig. 3 aus Gründen der
Übersichtlichkeit nicht eingetragen, es wird jedoch auf
Fig. 2 und das oben dazu Gesagte verwiesen.
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Wenn sich nun, wie in Fig. 4 dargestellt, bei gleicher
Stellung des Stellglieds 21 die Nockenwelle 13 um etwa 90°
weiterdreht, so dass das Stellglied 21 auf einem Nocken 15
aufliegt, dann liegt die Rolle 43 des Schlepphebels 41immer noch auf dem ersten Abschnitt I der Abrollfläche 39
des Betätigungshebels 19 auf. Da, wie anhand der Fig. 2
erläutert, der erste Abschnitt I konzentrisch zum Drehpunkt
37 des Betätigungshebels 39 ausgebildet ist ergibt sich
somit kein Hub des Pumpenkolbens 11, bei der in den Fig.
3 und 4 gezeigten Stellung des Stellglieds 21. Somit
fördert die Kolbenpumpe 3 bei dieser Stellung des
Stellglieds 21 nicht.
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In Fig. 5 und 6 ist die erfindungsgemäße
Betätigungseinrichtung 1 so dargestellt, dass der Hub des
Pumpenkolbens 11 maximal wird. Dies wird dadurch erreicht,
dass der Hubzapfen 25 im Uhrzeigersinn so weit gedreht
wird, dass das dicke Ende des keilförmigen Abschnitts 23
zwischen Nockenwelle 13 und Betätigungshebel 19
positioniert ist. Infolge dessen dreht sicht der
Betätigungshebel 19 nach links um seinen Drehpunkt 37.
Dadurch verlagert sich der Berührpunkt zwischen Rolle 43
des Schlepphebels 41 und der Abrollfläche 39 des
Betätigungshebels 19 (siehe Fig. 1 und 2) nach rechts in
Richtung des zweiten Abschnitts II (siehe Fig. 2). Wenn
nun, wie in Fig. 6 dargestellt, die Nockenwelle 13 bei
unveränderter Stellung des Stellglieds 21 um 900 gedreht
wird, so dass der Nocken 15 auf dem Stellglied 21 aufliegt,
liegt die Rolle 43 am äußersten Ende der Abrollfläche 39
auf. Durch die Drehung der Nockenwelle 13 um 90° (siehe
Fig. 5 und 6 im Vergleich) bewegt sich der zweite
Abschnitt II der Abrollfläche 39 des Betätigungshebels 19
unter der Rolle 43 des Schlepphebels 41 durch. Wegen der
Geometrie des zweiten Abschnitts II (siehe Fig. 2) wird
dadurch der Schlepphebel 41 entgegen dem Uhrzeigersinn
gedreht und der Kolben 11 in Richtung des Pfeils 51 bewegt.
Wenn die Nockenwelle 13 um weitere 900 gedreht wird, stellt
sich wieder die Situation gemäß Fig. 5 ein, d. h. der
Kolben 11 hat sich wieder nach unten in seine Ausgangslage
bewegt.
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In der in Fig. 5 und 6 dargestellten Stellung des
Stellglieds 21 ist der Hub des Kolbens 11 maximal. Durch
Zwischenstellungen zwischen den in Fig. 3 und 4
einerseits sowie den Fig. 5 und 6 andererseits gezeigten
Positionen des Stellglieds 21 kann jeder gewünschte Hub des
Kolbens 11 eingestellt werden. Die untere Grenze ist der
Nullhub (siehe Fig. 3 und 4). Die obere Grenze ist der
in den Fig. 5 und 6 dargestellte maximale Hub.
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Selbstverständlich ist die Geometrie der Abrollfläche 39
des Betätigungshebels 19 nicht auf die in Fig. 2
beschriebene Geometrie beschränkt, sondern kann auch andere
Geometrien beinhalten. Insbesondere kann der zweite
Abschnitt II so ausgestaltet werden, dass die
Hubgeschwindigkeit des Kolbens 11 (siehe Fig. 1) den
hydraulischen oder mechanischen Anforderungen angepasst
wird. Es kann bspw. vorgesehen sein, dass zu Beginn des
Vorderhubs die Hubgeschwindigkeit hoch ist und mit
zunehmendem Druck im Pumpenelement die Hubgeschwindigkeit
abnimmt, so dass der Leistungsbedarf der Pumpe 3
vergleichmäßigt wird und die Belastungsspitzen abgebaut
werden.
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Besonders vorteilhaft an der erfindungsgemäßen
Betätigungseinrichtung 1 ist, dass die Toleranzen der
unterschiedlichen Bauteile wie Schlepphebel 41,
Betätigungshebel 19, Stellglied 21 und Nockenwelle 13 nicht
additiv oder multiplikativ einander beeinflussen, sondern
weitgehend unabhängig voneinander sind. Durch Einstellen
des Hubzapfens 25 bei der Inbetriebnahme der
Betätigungseinrichtung, können bei der Fertigung
auftretende Toleranzen weitestgehend egalisiert werden.
Eine vollständige Kompensation fertigungsbedingter
Ungenauigkeiten kann durch eine entsprechende
Korrekturkennlinie in einem nicht dargestellten
Steuergerät, welches die Verstellwelle 29 ansteuert
erreicht werden.
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In Fig. 7 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines
Betätigungshebels 19 dargestellt. Ein in Fig. 2 mit I
bezeichneter erster Abschnitt der Abrollfläche 39 ist
kreisförmig ausgebildet und hat einen Radius R1, dessen
Ursprung mit dem Drehpunkt 37 des Betätigungshebels 19
zusammenfällt. Daran schließt sich ein zweiter Abschnitt II
der Abrollfläche 39 an, dessen Kontur ebenfalls kreisförmig
ist, allerdings liegt der Ursprung des zugehörigen Radius'
R2 deutlich oberhalb des Betätigungshebels 19 in Fig. 2.
Dies bedeutet, dass im ersten Abschnitt I der Abstand der
Abrollfläche zum Drehpunkt 37 konstant ist, während er im
zweiten Abschnitt II mit zunehmendem Abstand vom ersten
Abschnitt I zunimmt. An den zweiten Abschnitt II schließt
ein dritter Radius R3 an, der einen Übergang von dem
zweiten Abschnitt II zu einem vierten Radius R4, dessen
Drehpunkt mit dem Drehpunkt 37 des Betätigungshebels 19
zusammenfällt. Durch diese Geometrie der Abrollfläche 39
können das Betriebsverhalten der Kolbenpumpe (nicht
dargestellt) verbessert und die Beanspruchungen des
Antriebs verringert werden.
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Nachfolgend wird anhand der Fig. 8 und 9 die Kinematik
der Betätigungseinrichtung 1 in Abhängigkeit der Stellung
des Stellglieds 21 beispielhaft erläutert. In den Fig.
7, 8 und 9 sind nicht alle in der Fig. 1 bezeichneten
Bauteile mit Bezugszeichen versehen, sondern nur
diejenigen, welche für das Verständnis der
erfindungsgemäßen Kinematik von Bedeutung sind. Bei diesem
zweiten Ausführungsbeispiel ist der Schlepphebel 41 um
einen zweiten Drehpunkt 53 drehbar gelagert. Außerdem ist
der Schlepphebel 41 als einarmiger Hebel ausgeführt und der
Pumpenkolben 11 liegt an einem Auflagepunkt 55 auf, der
sich zwischen dem zweiten Drehpunkt 53 des Schlepphebels 41und der Rolle 43, welche sich auf dem Betätigungshebel 19
abstützt. Dadurch erhöht sich die Belastbarkeit der
gesamten Kinematik. In Fig. 8 ist das Stellglied 21 so
eingestellt, dass sich kein Hub am Pumpenkolben 11
einstellt. In Fig. 9 ist das Stellglied 21 so eingestellt,
dass sich der maximale Hub am Pumpenkolben 11 einstellt.
Zwischen diesen Extrema kann der Hub des Pumpenkolbens 11
stufenlos je nach gewünschter Fördermenge eingestellt
werden. Ansonsten gilt das bezüglich des ersten
Ausführungsbeispiels gesagte für das zweite
Ausführungsbeispiel (Fig. 7 bis 9) entsprechend.