TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung bezieht sich auf Ventilstößel für
Verbrennungsmotoren. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf
direkt wirkende, zweistufige Ventilstößel von der Art, die in
Motoren mit obenliegenden Nocken verwendet werden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Es sind zweistufige Ventilstößel bekannt, die
alternierende Hubprofile zum Betätigen eines einzelnen Tellerventils
eines Motorzylinders vorsehen, um einen variablen Ventilhub
und/oder eine variable Ventileinstellung zu ergeben. Die
Stößel weisen in typischer Weise konzentrische, zylindrische
Angriffsglieder auf, die durch benachbarte Nocken einer
zugeordneten Nockenwelle betätigt werden. Verriegelungsmittel,
z. B. verschiebbare Stifte, die in einem der zylindrischen
Angrifffsglieder angeordnet sind, greifen in entsprechende
Öffnungen in dem anderen Angriffsglied ein, um die
Angriffsglieder miteinander zu verbinden, wenn gemäß einer ersten
Hubkurve, z. B. der Kurve eines verlängerten oder großen
Ventilhubes, gearbeitet wird. Wenn er außer Eingriff ist,
ermöglicht der Verriegelungsmechanismus eine Leerlauf- bzw.
Totgangbewegung der konzentrischen Zylinder für einen Betrieb
gemäß einer zweiten Hubkurve.
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Ein zweistufiger Ventilstößel mit konzentrischen,
zylindrischen Angriffsgliedern von der beschriebenen Art kann bei
gewissen Motoren aufgrund der Anforderungen an Nockenbreite
und Platz nicht leicht verwendet werden, die der Nockenwelle
durch die Ausgestaltung oder Anordnung der
Nockenbetätigungsflächen des Stößels auferlegt sind. Insbesondere müssen die
Außenstößel-Nockenvorsprünge relativ zu dem Nockenvorsprung
des Innenstößels beabstandet sein, um eine Berührung mit dem
inneren Angriffsglied zu vermeiden. In herkömmlicher Weise
hat das innere Angriffsglied einen Durchmesser, der
ausreichend ist, um ein hydraulisches Spielausgleichselement oder
eine hydraulische Spielausgleichsbaugruppe unterzubringen.
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Die Breite der resultierenden, drei Nockenvorsprünge
aufweisenden Nockengruppe kann ein Problem einer gegenseitigen
Störung mit den Nockenwellenlagern verursachen, die an beiden
Seiten der Stößelbohrungen angeordnet sind.
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Die WO-A-93/22543 offenbart einen Ventilstößel, bei dem
die Nockenangriffsfläche des inneren Angriffsglieds oder
Stößels im wesentlichen gleich dem Durchmesser des hydraulischen
spieleinstellenden Elements ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung ist auf einen zweistufigen
Stößel zur variablen Ventilbetätigung für direkt wirkende
Anwendungen gerichtet, wie im Anspruch 1 definiert ist, wobei
dieser Stößel Anforderungen bezüglich der Breite des
Nockenbetätigers bzw. -stellgliedes minimiert, wohingegen ein
angemessenes Hubvermögen vorgesehen ist, um Ventil- und/oder
Zylinder-Deaktivierungsstrategien für Verbrennungsmotoren mit
Platzbeschränkungen für die Zylinderköpfe auszuführen. Der
hierin offenbarte Ventilstößel weist einen gestuften
Innenstößel mit einem sich axial erstreckenden
Nockenangriffsbereich auf, der in der Richtung der Nockenwellenachse
wesentlich schmäler ist als ein zugeordnetes, hydraulisches,
spielausgleichendes Element. Der Nockenangriffsbereich weist
vorzugsweise einen abgerundeten Querschnitt auf, der dazu
imstande ist, eine erhöhte Belastbarkeit zu ergeben, wohingegen
er wirksam ist, um eine Drehung des Innenstößels relativ zu
dem Außenstößel zu verhindern, so daß die Ausrichtung des
Verriegelungsmechanismus beizubehalten wird. Der gestufte
Bereich des Innenstößels dient als die Angriffsfläche für die
Verriegelungsstifte, die unter Fluiddruck von den äußeren
Stößeln arbeiten. Wenn die Stifte ausgefahren werden, greifen
sie an offenen Sattelelementen mit komplementären Flächen an,
die dahingehend wirken, Oberflächenspannung an dem Stift und
dem Stößel zu reduzieren.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
einen zweistufigen variablen Ventilbetätigungsstößel mit einem
herkömmlichen hydraulischen Spielelement zu schaffen, wobei
das Nockenstellglied bzw. der Nockenbetätiger, der die
Ventilbetätigungsnocken für großen und kleinen Hub aufweist, in
einem Motor mit axialen Begrenzungen in der Richtung der
Nockenwellenachse untergebracht werden kann.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 ist eine partielle Schnittansicht eines
Verbrennungsmotors zur Veranschaulichung der Merkmale der
vorliegenden Erfindung;
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Fig. 2 ist eine partielle Schnittansicht des
Verbrennungsmotors nach Fig. 1, wobei diese Schnittansicht entlang
der Linie 2-2 gemäß Fig. 1 gelegt ist;
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Fig. 3 zeigt die partielle Schnittansicht nach Fig. 2
für einen alternierenden Betriebsmodus;
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Fig. 4 ist eine Draufsicht auf den durch die
vorliegenden Erfindung definierten hydraulischen Ventilstößel, wobei
diese Draufsicht entlang der Linie 4-4 gemäß Fig. 3 gelegt
ist; und
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Fig. 5 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils der
Fig. 3.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und insbesondere auf
die Fig. 1 und 2 wird erläutert, daß hierin ein Teil eines
allgemein mit 10 bezeichneten Verbrennungsmotors mit
obenliegender Nockenwelle dargestellt ist, wobei dieser
Verbrennungsmotor 10 einen Zylinderblock 12 aufweist, der eine
Anzahl von Zylindern 14 enthält, von denen einer gezeigt ist.
Der Block 12 stützt einen Zylinderkopf 16 ab, der die Enden
der Zylinder 14 schließt, um Verbrennungskammern für jeden
Zylinder zu definieren. Der Kopf 16 trägt Einlaß- und
Auslaßventile, welche die Zuführung von Verbrennungsluft und
Kraftstoff zu den Zylindern und den Auslaß von Abgasbestandteilen
hieraus steuern. Obgleich die hierin offenbarte Erfindung
sowohl bei Einlaß- als auch bei Auslaßventilen Anwendung
findet, wird sie unter Bezugnahme auf das in den Figuren
gezeigte Einlaßventil 20 beschrieben.
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Eine Nockenwelle 24 ist durch den Zylinderkopf 16 für
eine Rotation entlang einer Nockenwellenachse 26 gelagert. Die
Nockenwelle 24 trägt eine Mehrzahl von Nockenvorsprüngen, die
in einer in Längsrichtung verlaufenden, beabstandeten
Beziehung entlang ihrer Achse angeordnet sind. Für jedes
Einlaßventil 20, das gemäß einem zweistufigen Groß-Klein-Hubprofil
betätigt wird, ist die Nockenwelle 24 mit drei axial
beabstandeten Nocken versehen, zu denen ein mittig angeordneter
Nocken 28 für kleinen Hub und ein Paar Nocken 30 für großen
Hub gehören, die an gegenüberliegenden Seiten des Nockens 28
für kleinen Hub mit Abstand angeordnet sind. Die Nockengruppe
mit drei Nockenvorsprüngen ist allgemein mit 32 bezeichnet.
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Ein Stößel-Zuführungskanal 34, der in diesem Fall einen
Teil des Nockenwellen-Zylinderkopfs 16 bildet, ist mit einer
Mehrzahl von Stößelbohrungen 36 versehen, die mit
zugeordneten Nockengruppen 32 an der Nockenwelle 24 ausgerichtet sind.
Gemäß der Erfindung ist ein zweistufiger Ventilstößel 38,
Fig. 5, in jeder der Stößelbohrungen 36 hin- und herbewegbar
und betätigt ein zugeordnetes Einlaßventil 20 in einer
nachfolgend zu beschreibenden Weise. Jeder Ventilstößel 38 weist
ein äußeres Nockenangriffsglied 40 für großen Hub auf, das
einen ringförmigen zylindrischen Körper 42 mit einem oberen
Nockenangriffsende 44, einem herabhängenden zylindrischen
Mantel 46 mit einer zylindrischen Außenseite 48 und einem
offenen, unteren Ende 50 aufweist. Ein gestufter konzentrischer
innerer Zylinder 52 erstreckt sich von dem unteren, offenen
Ende 50 des Mantels 46, so daß er dem oberen
Nockenangriffsende 44 benachbart endet. Der konzentrische innere Zylinder
52 erstreckt sich von einer dem oberen Nockenangriffsende 44
benachbarten Stelle und weist eine zylindrische Innenseite 56
konzentrisch mit der Außenseite 48 des Mantels 46 auf. Die
zylindrische Innenseite 56 ist so ausgestaltet, um ein
inneres Nockenangriffsglied, z. B. das Angriffsglied 58 für
kleinen Hub, verschiebbar aufzunehmen. Die zylindrische
Innenseite 56 endet zwischen den Enden des Körpers 42.
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Das innere Angriffsglied 58 weist einen hohlen Zylinder
64 mit einem geschlossenen Ende 66 und einer herabhängenden,
zylindrischen Wand 68 auf. Die Wand 68 ist durch die
zylindrische Innenseite 56 des konzentrischen inneren Zylinders 52
für eine Hin- und Herbewegung an einer gemeinsamen Achse 70
aufgenommen. Innerhalb des hohlen Zylinders 64 ist eine
hydraulische Spieleinstellvorrichtung oder eine
Hydraulikelement-Baugruppe 72 hin- und herbewegbar aufgenommen. Die
Hydraulikelement-Baugruppe
72 weist einen hohlen Kolben 74 auf,
der im Inneren ein Rückschlagventil und andere Elemente einer
herkömmlichen Hydraulikelement-Baugruppe trägt, die nicht
gezeigt ist. Unter Druck gesetztes Hydraulikfluid, um die
hydraulische Spieleinstellvorrichtung 72 zu betätigen, kann
durch einen Zylinderkopf-Ölzuführungskanal 80 zugeführt
werden, der in einem Öldurchgang 82 endet, der sich in jeder
Stößelbohrung 36 erstreckt, derart, daß der Durchgang 82 in
Fluidverbindung steht mit einem rohrförmigen
Zuführungsdurchgang 84, Fig. 1, der sich von der Außenseite 48 des Mantels
46 durch die zylindrische Innenseite 56 des konzentrischen
inneren Zylinders 52 erstreckt. Eine Fluidverbindung zwischen
dem rohrförmigen Zuführungsdurchgang 84 und der
Hydraulikelement-Baugruppe 72 wird durch eine Öffnung 85 in der
zylindrischen Außenwand 68 des inneren Angriffsglieds gebildet.
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Von dem geschlossenen Ende 66 des inneren Angriffsglieds
64 geht ein sich axial erstreckender Fuß 86 des inneren
Angriffsglieds aus. Der Fuß 86 des inneren Angriffsglieds ist
vorzugsweise mit einer abgerundeten Gestaltung, Fig. 4, in
der Weise ausgebildet, daß seine Länge "L" rechtwinklig zur
Nockenwellenachse 26 im wesentlichen die gleiche wie
diejenige des Durchmessers "D" des inneren Angriffsglieds ist,
wohingegen die Breite "W" des Fußes 86 in Richtung der
Nockenwellenachse 26 im wesentlichen geringer als diejenige des
Durchmessers "D" des inneren Angriffsglieds ist. Wie in Fig.
4 veranschaulicht, ist die Breite "W" des Fußes 86 des
inneren Angriffsglieds vorzugsweise so gewählt, daß sie
derjenigen des mittleren Betätigungsnockens 28 für kleinen Hub genau
gleich ist. Der Fuß 86 des Nockens für kleinen Hub erstreckt
sich, wie in den Figuren dargestellt ist, aufwärts durch eine
entsprechende Öffnung 88 im oberen Nockenangriffsende 44 des
ringförmigen zylindrischen Körpers 42 des äußeren
Nockenangriffsglieds 40. Die Öffnung 88 weist eine längliche oder
geschlitzte Gestaltung, Fig. 4, zur genau passenden Aufnahme
der parallelen Seiten 90 des Fußes 86 auf, wohingegen die
Enden 92 der Öffnung 88 Öffnungen zur Spannungsentlastung
aufweisen können, die die Aufgabe haben, den konzentrischen
inneren Zylinder 52 zu entlüften, wenn sich das innere
Angriffsglied 58 hierin hin- und herbewegt.
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Der Fuß 86 des inneren Angriffsglieds 58 weist eine
Nockenangriffsfläche 94 für eine Berührung mit dem
Nockenvorsprung 28 für kleinen Hub während des Motorbetriebs mit
kleinem Hub auf. Infolge der abgerundeten Gestaltung des Fußes 58
des inneren Angriffsglieds erstreckt sich die
Nockenangriffsfläche 94 im wesentlichen gemäß dem Durchmesser "D" des
inneren Angriffsglieds 58, um hierdurch eine Fußfläche zu
ergeben, die gleich einem Vollmaß-Hub-Fuß ist, bei dem das obere,
geschlossene Ende der inneren Stößelbaugruppe den
Nockenvorsprung berührt.
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Seitlich beabstandet von der Öffnung 88 in dem oberen
Nockenangriffsende 44 des Körpers 42 befinden sich
Nockenangriffsflächen 96 des äußeren Angriffsglieds, die mit Nocken
30 für großen Hub zusammenarbeiten, um das Ventil 20 während
einer zweiten Phase des Motorbetriebs zu öffnen. Die
Nockenangriffsflächen 96 des äußeren Angriffsglieds sind zu der
Öffnung 88 und somit zu dem Fuß F36 des inneren Angriffsglieds
nahe benachbart beabstandet und aufgrund der abgerundeten
Gestaltung des Fußes des inneren Angriffsglieds zumindest
teilweise radial innerhalb des Durchmessers "D" des
konzentrischen inneren Zylinders 52 angeordnet, Fig. 3. Die
Nockenangriffsflächen 96 des äußeren Angriffsglieds sind als nach
einwärts geflanschte Bereiche 98 ausgestaltet, die die
Schultern 100 des inneren Angriffsglieds 58 radial überragen, die
die zylindrische Wand 68 des hohlen Zylinders 64 mit dem sich
axial erstreckenden Fuß 86 des inneren Angriffsglieds
verbinden. Wie in Fig. 2 dargestellt, kann die drei
Nockenvorsprünge aufweisende Nockengruppe 32 wegen der Anordnung der
äußeren Nocken 30 für großen Hub radial einwärts, die
erleichtert ist durch die abgerundete Gestaltung des Fußes 86
des inneren Angriffsglieds, eine axiale Abmessung "Wc"
aufweisen, die bedeutend geringer als der Durchmesser des
zylindrischen Angriffsgliedkörpers 42 ist. Bei Motoranwendungen,
bei denen der Zwischenraum des Nockenwellenlagers die
Stößelbohrungen 36 überlappt bzw. übergreift, erlaubt es die enge
Gestaltung der Nockenwellen-Nockenvorsprung-Gruppe 32, die
durch die Verwendung der abgerundeten Gestaltung des inneren
Stößelfußes herbeigeführt, die Anwendung eines variablen
Ventilhubs.
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Zwischen dem zylindrischen Mantel 46 des
Angriffsgliedkörpers 42 und dem konzentrischen, inneren Zylinder 52
erstrecken sich Rippen 102. Die Rippen 102 erstrecken sich von
dem oberen, geschlossenen Ende 44 des Angriffsgliedkörpers 42
bis zu einer Stelle zwischen dem geschlossenen Ende und dem
offenen Ende 50, wo die Rippe in Schultern 104 endet. Eine
Durchgangsbohrung 106 erstreckt sich radial durch jede Rippe
102 von der Außenseite 48 des zylindrischen Mantels 46 zu der
zylindrischen Innenfläche 56 des konzentrischen inneren
Zylinders 52. Jede Durchgangsbohrung 106 ist für eine
verschiebbare Aufnahme eines hydraulisch betätigten
Verriegelungsstifts 108 ausgestaltet, der, wenn er einem
hydraulischen Druck ausgesetzt wird, radial einwärts bewegbar ist, um
das innere Angriffsglied 58 relativ zu dem äußeren
Angriffsglied 40 zu verriegeln, wodurch eine einem großen Hub
zugeordnete Arbeitsweise des zweistufigen Ventilstößels 38 an den
Nocken 30 für großen Hub eingeleitet wird. Der hydraulische
Druck zum Betätigen der Verriegelungsstifte 108 kann durch
den Zylinderkopf-Ölzuführungskanal 80 und den Öldurchgang 82
zugeführt werden, die mit den Durchgangsbohrungen 106 in
Fluidverbindung stehen. Die Durchgangsbohrungen 106 weisen
einen Bereich 110 mit verringertem Durchmesser benachbart zu
der zylindrischen Innenfläche 56 des konzentrischen inneren
Zylinders 52 auf, wobei diese Bereiche einen Anschlagflansch
112 für eine Begrenzung der radial einwärts gerichteten
Bewegung der Verriegelungsstifte 108 durch Anlage an einer
entsprechenden Anschlagschulter 114 definieren, die sich um den
Umfang eines jeden Stiftes 108 herum erstreckt. Zusätzlich
definiert der Anschlagflansch 112 bzw. die Anschlagschulter
114 einen inneren Federsitz bzw. einen äußeren Federsitz zum
Anordnen einer Verriegelungsstift-Rückstellfeder 116. Eine
ringförmige Klammer 118, die in einer Umfangsnut 120 in jeder
Durchgangsbohrung 106 angeordnet ist, verhindert eine radial
auswärts gerichtete Bewegung der Verriegelungsstifte 108 von
dem Stößelkörper 42, die zu einer Berührung mit den
Stößelbohrungen 36 in dem Zylinderkopf 16 führen könnte.
Hydrauliköldruck, der erforderlich ist, um die Verriegelungsstifte zu
betätigen, wird durch eine (nicht gezeigte) geeignete
Steuervorrichtung dem Zylinderkopf-Ölzuführungskanal 80 zugeführt.
Während des Motorbetriebs wird der den Stößeln 38 durch die
Steuervorrichtung zugeführte Öldruck normalerweise auf einen
niedrigen Pegel reguliert, der für den Betrieb der
Hydraulikelement-Baugruppe 72 ausreicht, jedoch ungenügend ist, um die
Rückstellkraft der Verriegelungsstift-Rückstellfedern 116 zu
überwinden. Dieser Zustand erlaubt es jeweils dem äußeren
Angriffsglied 40 und dem inneren Angriffsglied 58, seinem
entsprechenden Nockenvorsprung unabhängig zu folgen, wie in
Fig. 3 veranschaulicht ist, so daß die Ventilbewegung durch
das Profil des mittleren Nockenvorsprungs 28 für kleinen Hub
definiert ist, wobei der Nockenvorsprung 28 an dem inneren
Angriffsglied 58 arbeitet und das äußere Angriffsglied 40
eine Totgangfunktion annimmt. Wenn der Öldruck zu dem
Zuführungskanal 80 durch die Steuervorrichtung erhöht wird,
bewegen sich die Verriegelungsstifte 108 radial einwärts gegen
die auswärts gerichtete Vorspannung der Rückstellfedern 116,
um an dem inneren Angriffsglied 58 anzugreifen. Wenn sie in
die verriegelte Position bewegt sind, Fig. 2, greifen die
Verriegelungsstifte an Sitzflächen 122 an, die in der
Schulter 100 ausgebildet sind. Während des Grundkreisabschnitts
des Hubereignisses sind die Verriegelungsstifte 108 mit den
Sitzflächen 122 des inneren Angriffsglieds 58 ausgerichtet
und erstrecken sich in die Sitze 122 und greifen an ihnen an,
derart, daß bei einem nachfolgenden Hubereignis die Stifte in
wirksamer Weise das innere Angriffsglied 58 und das äußere
Angriffsglied 40 verriegeln werden, wobei die Ventilbewegung
durch die äußeren Nockenvorsprünge 30 für großen Hub
definiert wird. Die komplementäre zylindrische Gestalt der
Verriegelungsstifte 108 und der Sitzflächen 122 gewährleistet,
daß Kontaktspannungen über die Sitzfläche gleichmäßig
verteilt werden, statt daß sie auf eine einzelne Berührungslinie
dazwischen begrenzt werden. Eine derartige
Spannungsverteilung reduziert den Verschleiß an der Schulter 100 des
Angriffsgliedes für kleinen Hub. Nach der Entlastung des
hydraulischen Drucks arbeiten die Stiftrückstellfedern 116
dahingehend, die Verriegelungsstifte 108 radial auswärts zu
bewegen, um das innere Nockenangriffsglied 58 von dem äußeren
Nockenangriffsglied 40 zu entriegeln, um die Betätigung des
Tellerventils für kleinen Hub erneut einzuleiten.
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Eine Drehung des äußeren Angriffsgliedkörpers 42 mit der
Stößelbohrung 36 des Stößel-Zuführungskanals 34 wird durch
einen Gegendrehstift 126 gesteuert, der in einem in der
Stößelbohrung 36 ausgebildeten Stiftschlitz 128 angeordnet ist.
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Die vorliegende Erfindung ist auf einen Stößel zur
variablen Ventilbetätigung für direkt wirkende Anwendungen
gerichtet, der die erforderliche Nockenvorsprungbreite wesentlich
reduziert, während für ein angemessenes Hub-Vermögen gesorgt
wird, um Ventil- und/oder Zylinderdeaktivierungsstrategien
bei Motoren mit räumlichen Beschränkungen auszuführen. Der
Stößel kennzeichnet einen gestuften Innenstößel, der einen
Angriffsgliedfuß mit einer abgerundeten Gestaltung oder
Fußfläche aufweist, die einen angemessenen Kontaktbereich des
Innenstößels definiert, während ein nahe benachbartes
Arbeiten der Außenstößelnocken an dem Außenstößel erleichtert
wird. Bei der hierin beschriebenen bevorzugten
Ausführungsform arbeiten die äußeren Nocken teilweise innerhalb des
Durchmessers des zylindrischen, inneren Angriffsglieds,
wodurch die axiale Breite der drei Nockenvorsprünge
aufweisenden Nockengruppe wesentlich reduziert wird.
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Die vorhergehende Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung ist zum Zweck der Veranschaulichung
und Erläuterung vorgelegt worden. Sie soll weder erschöpfend
sein, noch die Erfindung auf die offenbarte, genaue
Ausführungsform beschränken. Es versteht sich für den Fachmann, daß
die offenbarten Ausführungsformen im Lichte der obigen Lehren
geändert werden können. Die beschriebenen Ausführungsformen
wurden gewählt, um eine Veranschaulichung der Prinzipien der
Erfindung und ihrer praktischen Anwendung zu liefern, um
hierdurch einen Fachmann in die Lage zu versetzen, die
Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen und mit verschiedenen
Abänderungen zu verwenden, wie sie für die besondere, in
Betracht gezogene Anwendung geeignet sind. Daher ist die
vorhergehende Beschreibung als beispielhaft statt beschränkend
anzusehen und der wahre Schutzumfang der Erfindung ist
derjenige, der in den folgenden Ansprüchen beschrieben ist.