EP1593880A1 - Verstellwelle eines hubvariablen Ventiltriebs - Google Patents

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EP1593880A1
EP1593880A1 EP05007185A EP05007185A EP1593880A1 EP 1593880 A1 EP1593880 A1 EP 1593880A1 EP 05007185 A EP05007185 A EP 05007185A EP 05007185 A EP05007185 A EP 05007185A EP 1593880 A1 EP1593880 A1 EP 1593880A1
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EP
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shaft
adjusting shaft
drive
adjusting
drive component
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EP05007185A
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Michael Schleusener
Torsten Eder
Gerald Gallacher
Leonhard Halmanseger
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Bayerische Motoren Werke AG
PSA Automobiles SA
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Bayerische Motoren Werke AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L13/00—Modifications of valve-gear to facilitate reversing, braking, starting, changing compression ratio, or other specific operations
    • F01L13/0015—Modifications of valve-gear to facilitate reversing, braking, starting, changing compression ratio, or other specific operations for optimising engine performances by modifying valve lift according to various working parameters, e.g. rotational speed, load, torque

Definitions

  • the present invention relates to an adjusting shaft of a variable-stroke valve drive an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
  • the present invention now provides an adjusting shaft of a variable-stroke valve drive an internal combustion engine, wherein the adjusting shaft is an elongated Has shaft body, which is in operative connection with a pivot lever Eccentric cam and a drive component for the rotary drive of the adjusting shaft has, wherein according to the invention it is provided that the shaft body, the eccentric cam and the drive member are manufactured separately from each other and the eccentric cams and the drive member for forming the adjusting shaft on the shaft body arranged according to their respective production.
  • the shaft body of an at least partially pipe-shaped hollow body is formed, compared with the known wave a significant cost advantage in the production of adjusting shaft according to the invention provides.
  • a solid shaft are used in the form For example, one already finished in the field of bearings Wave.
  • the drive component is generally a displacement an output component of a drive in a rotational movement of the adjusting converting Component.
  • As drive for example, an electric motor or a hydraulic Drive are used, whose output component is displaced.
  • the output member is engaged with the drive member on the shaft body and can thus rotate the adjusting shaft.
  • This may be the case with the drive component for example, a spur gear of a spur gear or a Schneckenradlace a worm gear or a rack and pinion or a Crankshaft act.
  • the eccentric cam and / or the drive component in the Shape for example, a helical gear or worm wheel by means of a punching operation are manufactured and after their production on the hollow basic body be put on.
  • the adjustment shaft provided according to the invention has to their bearings on shaft bearings, those of rolling bearings or plain bearings or both Bearing types are formed, which arranged by means of on the base body Eccentric cam supporting spacers are positioned on the shaft body can, so that also a significantly cheaper positioning of the Bearing on the adjusting shaft is possible.
  • the spacers force fit for example in the form of a press fit to the shaft body.
  • the drive component provided for the rotary drive of the known adjusting shaft is for manufacturing reasons in this known adjusting largely arranged in the region of the axial longitudinal center and therefore leads to a problem the so-called packaging, as in this area often cylinder head bolts are provided on the internal combustion engine and thus the problem of a restriction the clearance of the cylinder head bolts consists.
  • the eccentric cam and / or the Drive component on the shaft body by means of a non-rotatable shaft / hub connection be determined, provided for this purpose, for example, a knurling can be.
  • the adjusting shaft according to the invention can over the already described above Drive component by means of a standing in operative connection electric motor be driven for pivoting or pivoting movement, wherein the drive due to the respective end positions of the eccentric cam relative to the above-described Transmission mechanism has to be done so that a rotation of the Adjusting be avoided over a predetermined rotation angle range addition got to.
  • the drive component formed with at least one rotation angle limit stop is, so that the drive component in addition to the function of the drive of the adjusting also performs the function of limiting the rotation angle range of the adjusting.
  • the invention is also characterized by the fact that the shaft body and / or the eccentric cam and / or the drive component of different Materials, according to the respective requirement profiles, manufactured can not be the case that the entire wave from one, the most heavily loaded component selected according to uniform Material must be made.
  • adjusting shaft it is one for a four-cylinder inline engine with each two intake valves provided adjusting shaft.
  • the adjusting shaft 1 has an elongated Basic body 2, of a simple and inexpensive to produce is hollow inside and thus tubular piece-shaped continuous tubular body is formed, at the then after the production of the other parts of the adjusting this subsequently can be put on. It is also instead of the tube body shown possible to use a solid shaft.
  • the adjusting shaft according to the illustrated embodiment a total of eight eccentric cam 3, the For example, can be manufactured as cost-effectively produced stampings and between each intended for storage of the adjusting Needle roller bearings 4 are arranged.
  • the adjusting shaft 1 of the invention has a drive member 5, the on a substantially front end portion of the adjusting shaft 1 is arranged and thus the above-described problem of clearance of the cylinder head bolts solves.
  • the drive component is a, a pitch circle from about 180 ° enclosing component with an external toothing for engagement in the output worm of an electric motor, not shown, with which the Adjusting shaft 1 can be rotated so that the eccentric cam. 3 act on the transmission mechanism, not shown, so that a Rotation of the intake camshaft to open the intake valves of the internal combustion engine with variable stroke leads.
  • To a rotation of the adjusting shaft. 1 To avoid beyond the constructive angle of rotation range, has the drive member 5 two rotation angle limiting stops 6, in a not shown in detail component can intervene to limit the rotation angle.
  • the invention is characterized in that the adjusting shaft according to the invention can be made much cheaper than the one from a one-piece forged component manufactured known adjusting shaft. Furthermore can form the individual components of the adjusting shaft according to the invention Components made of different application-specific ones There are therefore materials that are optimized for the respective component-specific load can be. It is particularly possible, the tubular piece-shaped shaft body 2 of a simple material to form while the mechanical higher loaded eccentric cam 3 from a corresponding to monten Material are manufactured. It is not in the adjusting shaft according to the invention more necessary to subject them to a heat treatment after their manufacture, so that the problem of any thermal distortion of the elongated Wave is avoided.
  • the adjusting shaft can due to the closed bearings 4 in contrast to the split bearings used in the known shaft be stored precisely and in addition, the one have undivided Bearing outer bearing bearing increased load capacity.
  • the shaft according to the invention has the advantage of being complete can be finished and pre-assembled and so on the assembly line in the cylinder head of the internal combustion engine can be used without the Band further steps are required.

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Abstract

Es wird eine Verstellwelle eines hubvariablen Ventiltriebs einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, die einen langgestreckten Wellenkörper (2) besitzt, der mit einem Schwenkhebel in Wirkverbindung stehende Exzenternocken (3) und ein Antriebsbauteil (5) zum Drehantrieb der Verstellwelle (1) aufweist, wobei der Wellenkörper (2), die Exzenternocken (3) und das Antriebsbauteil (5) getrennt voneinander gefertigt und die Exzenternocken (3) sowie das Antriebsbauteil (5) zur Bildung der Verstellwelle (1) am Wellenkörper (2) angeordnet sind. <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verstellwelle eines hubvariablen Ventiltriebs einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Bekannte Brennkraftmaschinen weisen üblicherweise eine Drosselklappe auf, die einen Ansaugquerschnitt im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors mehr oder weniger weit öffnet und daher die Strömungsverhältnisse im Ansaugtrakt negativ beeinflusst, da sie als Strömungswiderstand wirkt.
Zur Vermeidung dieses Problems wurden daher bereits Versuche unternommen, diese Drosselklappe dadurch wegfallen zu lassen, dass die Füllung der einzelnen Zylinder der Verbrennungskraftmaschine durch eine Veränderung des Hubs der Einlassventile des Motors modifiziert wird. Zu diesem Zweck sind bereits sehr erfolgreich hubvariable Ventiltriebe zum Einsatz gekommen, die eine Laststeuerung des Motors alleine durch die veränderliche Ventilerhebung zulassen. Bei einem solchen System, welches beispielsweise anhand der DE 101 23 186 A1 bekannt ist, wirkt ein Übertragungsmechanismus zwischen den Nocken der Nockenwelle und den Ventilen, wobei der Übertragungsmechanismus Rollenschlepphebel zur Ventilbetätigung betätigt. Mittels eines elektrischen Stellmotors wird eine Verstellwelle, die als Exzenterwelle ausgebildet ist, verstellt und die Hebelgeometrie des Übertragungsmechanismus so modifiziert, dass der Hub des Einlassventils vom Nullhub bis zum Vollhub verändert werden kann.
Obwohl sich der aus der DE 101 23 186 A1 bekannte hubveränderliche Ventiltrieb in der Praxis bereits bestens bewährt hat, hat es sich gezeigt, dass die vorstehend genannte Verstellwelle Verbesserungen insbesondere hinsichtlich ihrer Herstellung und ihres Aufbaus zugänglich ist.
So handelt es sich bei der bekannten Verstellwelle für den hubvariablen Ventiltrieb um ein aufwendig herzustellendes Schmiedebauteil, bei dem ein einheitlicher Werkstoff für die komplette Welle zum Einsatz kommt und aufwendige Oberflächen- und Wärmebehandlungen erforderlich sind. Auch müssen die Konturen der einzelnen Exzenter aus Ansätzen an der Welle herausgearbeitet werden und eine nach Fertigstellung der Welle erforderliche Wärmebehandlung kann zu Ungenauigkeiten hinsichtlich des Rundlaufs der Welle und zu Abweichungen hinsichtlich der Formgenauigkeit der Welle führen.
Da sich zwischen den einzelnen Exzentern der Welle jeweils Lagerstellen befinden, an denen die Welle mittels Nadellagern gelagert werden muss, muss es sich bei diesen Nadellagern um Lager mit geteilten Lagerschalen handeln, in die in einem Kunststoffkäfig geführte Nadeln eingesetzt werden, was deutlich macht, dass es sich bei den Nadellagern um aufwendig herzustellende Sonderbauteile handelt und bei denen es aufgrund der geteilten Lagerschale zu Stoßbelastungen beim Abwälzen der Wälzkörper am Lagerstoß kommen kann.
Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung nunmehr die Aufgabe zugrunde, eine Verstellwelle eines hubvariablen Ventiltriebs einer Brennkraftmaschine zu schaffen, die die genannten Nachteile beseitigt und deutlich kostengünstiger herzustellen ist als die bekannte geschmiedete Verstellwelle.
Die zur Lösung dieser Aufgabe geschaffene Erfindung weist die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale auf. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Die vorliegende Erfindung schafft nun eine Verstellwelle eines hubvariablen Ventiltriebs einer Brennkraftmaschine, wobei die Verstellwelle einen langgestreckten Wellenkörper besitzt, der mit einem Schwenkhebel in Wirkverbindung stehende Exzenternocken und ein Antriebsbauteil zum Drehantrieb der Verstellwelle besitzt, wobei nach der Erfindung vorgesehen ist, dass der Wellenkörper, die Exzenternocken und das Antriebsbauteil getrennt voneinander gefertigt werden und die Exzenternocken sowie das Antriebsbauteil zur Bildung der Verstellwelle am Wellenkörper nach ihrer jeweiligen Fertigung angeordnet werden.
Im Gegensatz zu der bekannten einteilig ausgebildeten Verstellwelle ist es nach der Erfindung vorgesehen, dass der Wellenkörper von einem zumindest abschnittsweise rohrstückförmigen hohlen Grundkörper gebildet ist, was verglichen mit der bekannten Welle einen deutlichen Kostenvorteil bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Verstellwelle erbringt. Statt des genannten Rohrkörpers kann aber nach der Erfindung auch eine Vollwelle zum Einsatz kommen in der Form beispielsweise einer auch schon im Bereich der Lagerstellen fertig bearbeiteten Welle.
Bei dem Antriebsbauteil handelt es sich ganz allgemein um ein eine Verlagerung eines Abtriebsbauteils eines Antriebs in eine Drehbewegung der Verstellwelle umsetzendes Bauteil. Als Antrieb kann beispielsweise ein Elektromotor oder ein hydraulischer Antrieb zum Einsatz kommen, dessen Abtriebsbauteil verlagert wird. Das Abtriebsbauteil steht mit dem Antriebsbauteil auf dem Wellenkörper in Eingriff und kann somit die Verstellwelle verdrehen. So kann es sich bei dem Antriebsbauteil beispielsweise um eine Stirnradstufe eines Stirnradgetriebes oder eine Schneckenradstufe eines Schneckenradgetriebes oder einen Zahnstangentrieb oder einen Kurbeltrieb handeln.
Darüber hinaus können die Exzenternocken und/oder das Antriebsbauteil in der Form beispielsweise eines Schraubrads oder Schneckenrads mittels eines Stanzvorgangs gefertigt werden und nach ihrer Herstellung auf den hohlen Grundkörper aufgesetzt werden. Die nach der Erfindung vorgesehene Verstellwelle weist zu ihrer Lagerung Wellenlager auf, die von Wälzlagern oder Gleitlagern oder beiden Lagerarten gebildet sind, die mittels sich an auf dem Grundkörper angeordneten Exzenternocken abstützenden Distanzhaltern am Wellenkörper positioniert werden können, so dass auch hierdurch eine deutlich kostengünstigere Positionierung der Lager an der Verstellwelle möglich ist. Statt der Abstützung der Distanzhalter an Exzenternocken ist es auch möglich, die Distanzhalter kraftschlüssig, beispielsweise in der Form einer Presspassung am Wellenkörper anzubringen.
Das zum Drehantrieb der bekannten Verstellwelle vorgesehene Antriebsbauteil ist aus fertigungstechnischen Gründen bei dieser bekannten Verstellwelle weitgehend im Bereich der axialen Längsmitte angeordnet und führt daher zu einem Problem des sogenannten Packaging, da in diesem Bereich oftmals Zylinderkopfschrauben an dem Verbrennungsmotor vorgesehen sind und somit das Problem einer Einschränkung des Freigangs der Zylinderkopfschrauben besteht.
Da es sich bei der erfindungsgemäßen Verstellwelle um eine aus mehreren getrennt voneinander hergestellten Bestandteilen zusammengesetzten Welle handelt, ist es nach der Erfindung auch vorgesehen, dass das zum Drehantrieb der Verstellwelle vorgesehene Antriebsbauteil im Bereich eines stirnseitigen Endes des Wellenkörpers angeordnet ist, so dass das vorstehend beschriebene Packaging-Problem gelöst ist.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung können die Exzenternocken und/oder das Antriebsbauteil am Wellenkörper mittels einer drehfesten Wellen/Nabenverbindung festgelegt werden, wobei zu diesem Zweck beispielsweise eine Rändelung vorgesehen sein kann.
Die erfindungsgemäße Verstellwelle kann über das vorstehend bereits beschriebene Antriebsbauteil mittels eines damit in Wirkverbindung stehenden Elektromotors zur Dreh- bzw. Verschwenkbewegung angetrieben werden, wobei der Antrieb aufgrund der jeweiligen Endlagen der Exzenternocken relativ zum vorstehend geschilderten Übertragungsmechanismus so zu erfolgen hat, dass ein Verdrehen der Verstellwelle über einen vorbestimmten Drehwinkelbereich hinaus vermieden werden muss. Zu diesem Zweck ist es nach der Erfindung vorgesehen, dass das Antriebsbauteil mit mindestens einem Drehwinkelbegrenzungsanschlag ausgebildet ist, so dass das Antriebsbauteil neben der Funktion des Antriebs der Verstellwelle auch die Funktion der Begrenzung des Drehwinkelbereichs der Verstellwelle ausführt.
Schließlich zeichnet sich die Erfindung auch noch dadurch aus, dass der Wellenkörper und/oder die Exzenternocken und/oder das Antriebsbauteil aus unterschiedlichen Werkstoffen, den jeweiligen Anforderungsprofilen entsprechend, gefertigt werden können und somit nicht der Fall vorliegt, dass die gesamte Welle aus einem, dem am höchsten belasteten Bauteil entsprechend ausgewählten einheitlichen Werkstoff gefertigt werden muss.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in der einzigen Figur die perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Verstellwelle.
Bei der in der Zeichnung perspektivisch dargestellten erfindungsgemäßen Verstellwelle handelt es sich um eine für einen Vierzylinder-Reihenmotor mit jeweils zwei Einlassventilen vorgesehenen Verstellwelle.
Wie es ohne weiteres ersichtlich ist, weist die Verstellwelle 1 einen langgestreckten Grundkörper 2 auf, der von einem einfach und kostengünstig herzustellenden innen hohlen und damit rohrstückförmigen durchgehenden Rohrkörper gebildet ist, an dem dann nach der Herstellung der weiteren Teile der Verstellwelle diese nachträglich aufgesetzt werden können. Statt des gezeigten Rohrkörpers ist es auch möglich, eine Vollwelle einzusetzen.
Wie es ohne weiteres anhand der Zeichnung ersichtlich ist, weist die Verstellwelle nach der dargestellten Ausführungsform insgesamt acht Exzenternocken 3 auf, die beispielsweise als kostengünstig herzustellende Stanzteile gefertigt werden können und zwischen denen sich jeweils zur Lagerung der Verstellwelle vorgesehene Nadellager 4 angeordnet befinden.
Aufgrund der ganz besonderen erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Verstellwelle kann es sich bei diesen Nadellagern um in großen Stückzahlen hergestellte Standardlager handeln, die einen einteiligen Lageraußenring besitzen und daher keinen Stoß mehr aufweisen, wie dies bei mehrteiligen Lagerschalen der Fall ist, die bei der bekannten einteilig ausgebildeten Verstellwelle zum Einsatz kommen mussten.
Auch weist die erfindungsgemäße Verstellwelle 1 ein Antriebsbauteil 5 auf, das an einem im wesentlichen stirnseitigen Endbereich der Verstellwelle 1 angeordnet ist und somit das vorstehend geschilderte Problem des Freigangs der Zylinderkopfschrauben löst. Bei dem Antriebsbauteil handelt es sich um ein, einen Teilkreis von etwa 180° einschließendes Bauteil mit einer Außenverzahnung zum Eingriff in die Abtriebsschnecke eines nicht näher dargestellten Elektromotors, mit dem die Verstellwelle 1 so in Drehung versetzt werden kann, dass die Exzenternocken 3 den nicht dargestellten Übertragungsmechanismus so beaufschlagen, dass eine Drehung der Einlassnockenwelle zu einem Öffnen der Einlassventile des Verbrennungsmotors mit veränderbarem Hub führt. Um ein Verdrehen der Verstellwelle 1 über den konstruktiv vorgesehenen Drehwinkelbereich hinaus zu vermeiden, besitzt das Antriebsbauteil 5 zwei Drehwinkelbegrenzungsanschläge 6, in die ein nicht näher dargestelltes Bauteil zur Drehwinkelbegrenzung eingreifen kann.
Die Erfindung zeichnet sich nun dadurch aus, dass die erfindungsgemäße Verstellwelle wesentlich kostengünstiger hergestellt werden kann als die aus einem einteiligen Schmiedebauteil gefertigte bekannte Verstellwelle. Darüber hinaus können die die einzelnen Bestandteile der erfindungsgemäßen Verstellwelle bildenden Bauteile aus anwendungsspezifisch ausgewählten unterschiedlichen Werkstoffen bestehen, die daher für die jeweilige bauteilspezifische Belastung optimiert werden können. Es ist insbesondere möglich, den rohrstückförmigen Wellengrundkörper 2 aus einem einfachen Werkstoff zu bilden, während die mechanisch höher belasteten Exzenternocken 3 aus einem entsprechend.höherwertigen Werkstoff gefertigt werden. Bei der erfindungsgemäßen Verstellwelle ist es nicht mehr erforderlich, diese einer Wärmebehandlung nach ihrer Fertigung zu unterziehen, so dass das Problem eines etwaigen thermischen Verzugs der langgestreckten Welle vermieden wird. Die Verstellwelle kann aufgrund der geschlossenen Lager 4 im Gegensatz zu den bei der bekannten Welle verwendeten geteilten Lagerschalen präzise gelagert werden und darüber hinaus besitzen die einen nicht geteilten Lageraußenring aufweisenden Lager eine erhöhte Tragfähigkeit. Durch die Anordnung des Antriebsbauteils an einem stirnseitigen Endbereich des Grundkörpers der Welle ist es möglich, das Problem der Einschränkung des Freigangs der Zylinderkopfschrauben des Verbrennungsmotors zu vermeiden. Die zur Drehwinkelbegrenzung der Verstellwelle notwendigen Anschläge können in das Antriebsbauteil der Verstellwelle integriert werden und die zwischen den Exzenternocken vorgesehenen Lager können mittels einfachen sich gegen diese Exzenternocken abstützenden Distanzhaltern aus beispielsweise Kunststoffbuchsen präzise positioniert werden.
Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Welle den Vorteil auf, dass sie vollständig fertig bearbeitet und vormontiert werden kann und so am Montageband in den Zylinderkopf des Verbrennungsmotors eingesetzt werden kann, ohne dass am Band weitere Arbeitsschritte anfallen.
Hinsichtlich vorstehend im einzelnen nicht näher erläuterter Merkmale der Erfindung wird im übrigen ausdrücklich auf die Ansprüche und die Zeichnung verwiesen.

Claims (9)

  1. Verstellwelle eines hubvariablen Ventiltriebs einer Brennkraftmaschine, mit einem langgestreckten Wellenkörper (2), der mit einem Schwenkhebel in Wirkverbindung stehende Exzenternocken (3) und ein Antriebsbauteil (5) zum Drehantrieb der Verstellwelle (1) besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenkörper (2), die Exzenternocken (3) und das Antriebsbauteil (5) getrennt voneinander gefertigt und die Exzenternocken (3) sowie das Antriebsbauteil (5) zur Bildung der Verstellwelle (1) am Wellenkörper (2) angeordnet sind.
  2. Verstellwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenkörper (2) von einem zumindest abschnittsweise rohrstückförmigen hohlen Grundkörper (2) gebildet ist.
  3. Verstellwelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Exzenternocken (3) und/oder das Antriebsbauteil (5) mittels Stanzen gefertigt sind.
  4. Verstellwelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Wellenlager (4), die von insbesondere Wälzlagern und/oder Gleitlagern gebildet sind, die mittels sich am Wellenkörper (2) abstützenden Distanzhaltern am Wellenkörper (2) positionierbar sind.
  5. Verstellwelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsbauteil (5) im Bereich eines stirnseitigen Endes des Wellenkörpers (2) angeordnet ist.
  6. Verstellwelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Exzenternocken (3) und/oder das Antriebsbauteil (5) am Wellenkörper (2) mittels einer drehfesten Wellen/Nabenverbindung festlegbar sind.
  7. Verstellwelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsbauteil (5) mit mindestens einem Drehwinkelbegrenzungsanschlag (6) ausgebildet ist.
  8. Verstellwelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenkörper (2) und/oder die Exzenternocken (3) und/oder das Antriebsbauteil (5) aus unterschiedlichem Werkstoff gefertigt sind.
  9. Verstellwelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsbauteil (5) ein eine Verlagerung eines Abtriebsbauteils eines Antriebs in eine Drehbewegung der Verstellwelle umsetzendes Bauteil ist.
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