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Die Erfindung betrifft einen Ventiltrieb zur Betätigung von Gaswechselventilen von Brennkraftmaschinen mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
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Es ist bekannt, Gaswechselventile einer Brennkraftmaschine variabel mit unterschiedlichen Öffnungs- und Schließzeitpunkten sowie mit unterschiedlichen Ventilöffnungshüben zu betreiben. Eine derartige Ventilsteuerung ist aus der
DE 42 30 877 A1 vorbekannt. Dabei ist auf einer Nockenwelle drehfest, aber axial verschiebbar ein Nockenwellenblock mit zwei unterschiedlichen Nockenkonturen angeordnet. Entsprechend der Axialstellung des Nockenblocks steht eine Nockenkontur über ein Zwischenglied (Übertragungshebel) mit dem Hubventil in Wirkverbindung. Die Axialverschiebung des Nockenblocks zur Änderung der Ventilparameter erfolgt während der Grundkreisphase entgegen der Wirkung einer Rückstellfeder mittels eines Druckringes.
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Aus der
DE 35 20 859 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit mindestens einer von der Kurbelwelle angetriebenen Nockenwelle zur Betätigung von Ein- und Auslassventilen vorbekannt. Auf der Nockenwelle sind zwei unmittelbar nebeneinander in ihrer Nockenkontur unterschiedlich gestaltete Nocken angeordnet, die jeweils unter Berücksichtigung des Ventilspiels entsprechend ihrer Ausbildung den Öffnungs- und Schließzeitpunkt und den Öffnungshub bestimmen. Beim Durchfahren des bei beiden Nocken gleichförmigen Nockengrundkreises wird über eine Schaltstange und einen Hebel ein verstellbares Zwischenstück derart verschoben, dass wahlweise einer der beiden Nocken mit dem Ventil in Wirkverbindung bringbar ist.
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Aus der
DE 195 19 048 A1 ist ein variabler Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine vorbekannt, bei dem auf der Nockenwelle ebenfalls zwei unmittelbar nebeneinander in ihrer Nockenkontur unterschiedlich gestaltete Nocken angeordnet sind. Die Änderung des Nockeneingriffs erfolgt durch ein axiales Verschieben der Nockenwelle mit dem auf ihm befindlichen Nocken.
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Weiterhin ist aus der
DE 195 20 117 C2 ein Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine vorbekannt, bei der auf der Nockenwelle drehfest ein axial verschiebbarer Nockenblock mit mindestens zwei unterschiedlichen Nockenbahnen angeordnet ist. Die Verstellung des Nockenblocks erfolgt über ein Verstellorgan, das im Inneren der Nockenwelle geführt ist. Durch eine stirnseitig an der Nockenwelle angeordnete doppelt wirkende hydraulische oder pneumatische Kolben-Zylinder-Einheit wird das Verstellorgan im Inneren der Nockenwelle verschoben. Das Verstellorgan ist mit einem Mitnahmestück verbunden, das ein axial in der Nockenwelle angeordnetes Langloch durchdringt und in eine Bohrung des Nockenblocks mündet.
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Die
DE 100 54 623 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Umschalten eines Nockenpaketes auf einer Nockenwelle zur Betätigung von Gaswechselventilen, bei der das Nockenpaket axial verschiebbar auf der Nockenwelle geführt ist. Entsprechend der Position des Nockenpaketes steht das Gaswechselventil mit unterschiedlichen Nockenkonturen in Wirkverbindung. Die Verstellung des Nockenpaketes erfolgt über ein Stellelement im Zusammenwirken mit einer Kulissenbahn. Das Stellelement ist dabei ein radial nach außen verschiebbarer Pin, der mit zumindest zwei in einem um ca. 180° um das Nockenpaket herum angeordneten Führungsteil ausgebildeten Kulissenbahnen im ausgefahrenen Zustand zusammenwirkt.
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Nachteilig bei dem zitierten Stand der Technik ist der hohe Bauraumbedarf, der zur Verstellung des Nockenblocks benötigt wird. Diese Lösungen sind deshalb nur einsetzbar bei verhältnismäßig großen Zylinderabständen, um die entsprechenden Bauteile unterbringen zu können. Ein weiterer Nachteil sind die beim Stellvorgang auftretenden hohen Massenkräfte, die zum Verschieben der Nockenblöcke oder der Verstellorgane benötigt werden. Die Umschaltung auf eine entsprechende Nockenkontur kann mit den im Stand der Technik genannten Lösungen meist nur zylinderselektiv erfolgen. Eine ventilselektive Umschaltung ist nicht möglich.
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Ein wesentlicher Nachteil der
DE 100 54 623 A1 ist, dass zum Umschalten auf eine andere Nockenkontur der Pin aus der Nockenwelle ausgefahren und in eine axial verschiebbare Schaltkulisse eingespurt werden muss. Nach dem Schaltvorgang muss der Pin wieder eingefahren werden. Diese Konstruktion ist sehr teile- und fertigungsaufwendig und es besteht die Gefahr von Schäden an der Nockenwelle durch Fehlschaltungen des Pins. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass durch die notwendige Stellzeit des Pins die Motordrehzahl begrenzt wird. Außerdem ist die Verstellung abhängig von dem jeweils vorhandenen Öldruck.
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Aus der
DE 10 2004 033 798 A1 ist eine Ventilhubumschaltung für Gaswechselventile einer Brennkraftmaschine zwischen zwei unterschiedlichen Nockenkonturen mittels einer drehfest aber axial verschiebbaren am Gehäuse der Brennkraftmaschine angeordneten Schaltkulisse bekannt. Die Schaltkulisse umfasst teilweise die Nockenwelle und ist mit einer sich entgegen der Drehrichtung der Nockenwelle erweiternden Kulissennut versehen, deren Seitenwände jeweils eine Kulissenflanke bilden, die zur Ventilhubumschaltung wechselseitig in Wirkverbindung mit einer beiderseits seitlich an einer axial verschiebbaren zweiten Nockenkontur angeordneten Anlauffläche bringbar ist. Bei der Ventilhubumschaltung wird durch die Schaltkulisse die axial verschiebbare zweite Nockenkontur entweder über eine Nockenkontur des fest mit der Nockenwelle verbundenen Nockens geschoben oder von der Nockenkontur weggeschoben, so dass wahlweise zwei verschiedene Nockenkonturen in Wirkverbindung mit dem Gaswechselventil bringbar sind.
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Die
DE 10 2004 055 852 A1 betrifft einen Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine, insbesondere zur selektiven Zylinderzuschaltung. Dabei ist eine Nockeneinrichtung auf einer von der Kurbelwelle angetriebenen Nockenwelle axial verschiebbar angeordnet. Die Axialverschiebung der Nockeneinrichtung erfolgt durch eine gabelartig ausgebildete Schaltkulisse, die über eine Antriebsspindel axial verlagerbar ist. Zur Verschiebung der Nockeneinrichtung sind wechselseitig die Anlaufflächen der Schaltfinger der gabelartigen Schaltkulisse mit der Nockeneinrichtung in Wirkverbindung bringbar. Nachteilig ist hierbei, dass durch die über die Antriebsspindel eingeleitete Nockenverschiebung Fehlschaltungen nicht vermieden werden können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Ventiltrieb zur Betätigung von Gaswechselventilen von Brennkraftmaschinen zu schaffen, mit dem bei einem geringen technischen Aufwand, einer geringen Baugröße und bei geringen aufzubringenden Schaltkräften eine Ventilhubumschaltung vorgenommen wird, wobei die Anzahl der von der Nockenwelle angetriebenen drehenden Teile verringert werden soll.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
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Durch die Lagerung einer Schaltstange im Inneren eines durch Aktuatoren axial verschiebbaren Verschiebestücks wird erreicht, dass die Schaltstange gegenüber des durch eine Nockenwelle angetriebenen Verschiebestücks keine Rotationsbewegung durchführt, sondern nur bei Eingriff der Aktuatoren in die Kulissenbahn des Verschiebestücks axial verschoben wird. Eine Rotation der Schaltstange wird durch Anordnung einer Verdrehsicherung ausgeschlossen, so dass eine Ventilhubumschaltung nur durch die axiale Verschiebung der Schaltstange, die über eine daran fest angeordnete Schaltkulisse mit einem auf der Nockenwelle axial verschiebbaren Nockenträger in Wirkverbindung steht, erfolgt.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass mit geringem Aufwand und unter Reduzierung der rotierenden Bauteile unter Aufwendung von geringen Schaltkräften eine exakte Ventilhubumschaltung durchgeführt werden kann.
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Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher beschrieben. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:
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1: eine Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Lösung,
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2: eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Lösung,
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3: eine Schnittdarstellung B-B gemäß 1 und
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4: eine Variante der erfindungsgemäßen Lösung.
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Der in der 1 und 2 dargestellte erfindungsgemäße Ventiltrieb zur Betätigung von Gaswechselventilen besteht aus einer von einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine angetriebenen Nockenwelle 1, zu der parallel eine als Schaltstange 2 ausgebildete Verstellwelle angeordnet ist, durch die über eine an der Schaltstange 2 fest angeordnete Schaltkulisse 9 eine Ventilhubumschaltung zwischen wenigstens zwei unterschiedlichen Nockenprofilen 3 vorgenommen wird. Die unterschiedlichen Nockenprofile 3 sind an einem Nockenträger 4 angeordnet, der drehfest aber axial verschiebbar auf der Nockenwelle 1 gelagert ist. Gemäß dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel sind auf einem Nockenträger 4 entsprechende Nockenprofile 3 und 3' zur Ventilhubumschaltung der Ventile von jeweils zwei Zylindern der Brennkraftmaschine dargestellt. Dabei ist dem Nockenträger 4 eine Schaltkulisse 9 zur Verschiebung des Nockenträgers 4 zugeordnet. Es ist auch denkbar, dass ein Nockenträger 4 jeweils nur einem Zylinder der Brennkraftmaschine zugeordnet ist, so dass entsprechend der Anzahl der in Reihe angeordneten Zylinder auch eine gleiche Anzahl von Nockenträgern 4 und Schaltkulissen 9 eingesetzt wird. Gemäß der 1 und 2 ist der Nockenträger 4 mit jeweils zwei unterschiedlich ausgebildeten Nockenprofilen 3 und 3' versehen, die mit dem zu betätigenden Ventil entsprechend der jeweiligen Schaltstellung der Schaltstange 2 in Wirkverbindung bringbar sind. Die Erfindung ist auch analog anwendbar für mehr als zwei nebeneinander angeordnete unterschiedliche Nockenprofile 3.
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An dem axial verschiebbaren Nockenträger 4 ist ein Pin 10 fest angeordnet, der zum Verschieben des Nockenträgers 4 mit der jeweiligen Innenfläche einer sich erweiternden Kulissennut 11 der fest mit der Schaltstange 2 verbundenen aber axial verschiebbaren Schaltkulisse 9 in Eingriff bringbar ist. Die in einer Führung 16 axial verschiebbar gelagerte Schaltkulisse 9 umfasst teilweise die Nockenwelle 1 und ist mit einer sich entgegen der Drehrichtung der Nockenwelle 1 erweiternden Kulissennut 11 versehen. Während des normalen Betriebs, bei dem keine Ventilhubumschaltung erfolgt, durchläuft der Pin 10 bei jeder Drehung der Nockenwelle 1 die Kulissennut 11 der Schaltkulisse 9, ohne dabei die Innenflächen der Kulissennut 11 zu berühren.
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Die Schaltstange 2 ist in mehreren fest am Motorgehäuse angeordneten Lagern 14 und in einem zweiten Verschiebestück 20 nicht drehbar aber axial verschiebbar gelagert. An der Schaltstange 2 ist eine Verdrehsicherung 7 angeordnet, die in bekannter Weise aus einer sich in Axialrichtung erstreckenden, an der Schaltstange 2 angebrachten Nut besteht, in die ein mit dem Lager 14 fest verbundener Stift eingreift. Die Länge der Nut ist dabei so ausgelegt, dass der maximale axiale Verschiebungsweg der Schaltstange 2 realisiert werden kann. Die Schaltstange 2 ist in dem drehbaren zweiten Verschiebestück 20 über ein Axiallager 15 so gelagert, dass die Rotationsbewegung des zweiten Verschiebestücks 20 nicht auf die Schaltstange 2 übertragen wird. Mit der axialen Verschiebung des Verschiebestücks 20 wird gleichzeitig die Schaltstange 2 um den gleichen Betrag axial verlagert. Das Axiallager 15 besteht aus einem Bund mit beidseitig angeordneten Gleitflächen, die vorzugsweise mit Schmiernuten versehen sind. Es ist auch möglich, das Axiallager 15 als Wälzlagerung auszubilden.
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Am Umfang des zweiten Verschiebestücks 20 ist eine Kulissenbahn 21 angeordnet, die zur Verschiebung des Verschiebestücks 20 und somit der Schaltstange 2 mit einem Pin eines zweiten Aktuators 18 in Wirkverbindung bringbar ist. Die Kulissenbahn 21 ist dabei so ausgebildet, dass bei einem Eingriff des Pins des Aktuators 18 das zweite Verschiebestück 20 mit der Schaltstange 2 und einem ersten Verschiebestück 19 gemäß der Ansicht nach 1 nach links verschoben wird.
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Das zweite Verschiebestück 20 ist drehfest mit dem durch die Nockenwelle 1 angetriebenen ersten Verschiebestück 19 verbunden. Das erste Verschiebestück 19 ist dabei über eine Zahnradstufe, bestehend aus einem an der Nockenwelle 1 angeordneten Antriebsritzel 5 und einem an dem ersten Verschiebestück 19 angeordneten Zahnrad 6, antriebsmäßig mit der Nockenwelle 1 verbunden, so dass die Nockenwelle 1, das erste Verschiebestück 19 und das zweite Verschiebestück 20 mit einer gleichen Drehzahl angetrieben werden. Aus der 3 ist die Verbindung der Nockenwelle 1 mit dem Verschiebestück 19 über die Zahnradstufe erkennbar. Das Zahnrad 6 ist dabei so breit ausgeführt, dass auch bei einer axialen Verschiebung des ersten Verschiebestücks 19 ein ständiger Kontakt des Antriebsritzels 5 mit dem Zahnrad 6 vorhanden ist.
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Am Umfang des ersten Verschiebestücks 19 ist eine Kulissenbahn 8 angeordnet, die die zur Verschiebung des Verschiebestücks 19 und 20 und somit der Schaltstange 2 mit einem Pin eines ersten Aktuators 17 in Wirkverbindung bringbar ist. Bei einem Eingriff des Pins des Aktuators 17 in die Kulissenbahn 8 wird, gemäß der Ansicht in 1, das erste Verschiebestück 19 und somit das zweite Verschiebestück 20 mit der Schaltstange 2 nach rechts verschoben.
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Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Lösung ist folgende:
In der 1 ist ein Zustand dargestellt, bei dem nach Eingriff des Pins des Aktuators 17 in die Kulissenbahn 8 die Verschiebestücke 19 und 20 und somit die Schaltstange 2 nach rechts verschoben wurde. Damit wurde gleichzeitig durch den Wirkeingriff der fest an der Schaltstange 2 angeordneten Schaltkulisse 9 mit dem fest an den axial verschiebbaren Nockenträger 4 angeordneten Pin 10 nach rechts verschoben, so dass das größere Nockenprofil 3 in Eingriff mit dem nicht dargestellten Gaswechselventil steht. Nach einer erfolgten Ventilhubumschaltung durchläuft der Pin 10 bei jeder Drehung der Nockenwelle 1 die Kulissennut 11 der Schaltkulisse 9, ohne dabei die Innenseiten der Kulissennut 11 zu berühren. Zur Einhaltung des entsprechenden Verstellweges für die Umschaltung zwischen zwei unterschiedlichen Nockenprofilen 3 ist die Schaltstange 2 mit einer Arretierung 12 versehen, bei der eine Arretierungskugel der Arretierung 12 nach der erfolgten axialen Verschiebung der Schaltstange 2 in eine entsprechende Arretierungskontur 13 einrastet, die auf der Schaltstange 2 angeordnet ist. In dem Beispiel erfolgt eine Umschaltung zwischen zwei unterschiedlich ausgebildeten Nockenprofilen 3. Die Erfindung ist aber auch anwendbar für mehr als zwei unterschiedliche Nockenprofile 3.
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Soll eine Umschaltung beispielsweise von dem größeren Nockenprofil 3 auf das kleinere Nockenprofil 3' erfolgen, wird der Pin des zweiten Aktuators 18 in Wirkverbindung mit der Kulissenbahn 21 gebracht. Durch die Drehbewegung der drehfest miteinander verbundenen Verschiebestücke 19 und 20 erfolgt aufgrund des Eingriffs des Aktuators 18 in die spiralförmig ausgebildete Kulissenbahn 21 eine axiale Verschiebung des zweiten Verschiebestücks 20 mit der darin gelagerten aber nicht drehbaren Schaltstange 2 und des ersten Verschiebestücks 19 nach rechts. Der Schaltvorgang und somit der axiale Verschiebeweg der Schaltstange 2 wird begrenzt durch die Einrastung der Rastkugel der Arretierung 12 in die Arretierungskontur 13. Durch die axiale Verschiebung der Schaltstange 2 erfolgt auch eine axiale Verschiebung der an der Schaltstange 2 fest angeordneten Schaltkulisse 9. Infolge der Verschiebung der Schaltkulisse 9 erfolgt ein Kontakt des Pins 10 mit der rechten Innenseite der Kulissennut 11 an dessen breitester Stelle. Durch die Drehbewegung der Nockenwelle 1 wandert der Pin 10 an der rechten Innenseite der Kulissennut 11 entlang und aufgrund der sich in Drehrichtung der Nockenwelle 1 verengenden Kulissennut 11 wird der Pin 10 und damit der axial verschiebbare Nockenträger 4 nach links verschoben, bis jeweils das kleinere Nockenprofil 3' in Kontakt mit dem Gaswechselventil steht.
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Eine Umschaltung von dem kleineren Nockenprofil 3' auf das größere Nockenprofil 3 erfolgt analog durch Eingriff des ersten Aktuators 17 in die Kulissenbahn 8 des ersten Verschiebestücks 19, wodurch das erste Verschiebestück 19 und mit ihm das zweite Verschiebestück 20 mit der darin nicht drehbar gelagerten Schaltstange 2 axial verschoben wird.
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Bei einer Verwendung eines Nockenträgers 4 mit mehr als zwei unterschiedlichen Nockenprofilen 3 sind die Kulissenbahnen 8 und 21 auf den Verschiebestücken 19 und 20 so ausgebildet, dass entsprechend der Anzahl der unterschiedlichen Nockenprofile 3 jeweils eine axiale Verschiebung der Verschiebestücke 19 und 20 und der Schaltstange 2 erfolgt. Dabei sind entsprechend den verschiedenen Schaltstellungen auf der Schaltstange 2 die dazugehörigen Arretierungskonturen 13 angeordnet.
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4 zeigt eine Variante der erfindungsgemäßen Lösung, bei der die Nockenprofile 3 zur Betätigung der Gaswechselventile von zwei nebeneinander liegenden Zylindern einer Brennkraftmaschine derart zueinander phasenversetzt angeordnet sind, dass der Phasenversatz so groß ist, dass keine oder lediglich eine zu kleine gemeinsame Grundkreisphase zum Schalten vorhanden ist. Zur Durchführung eines Schaltprozesses mittels einer Schaltstange 2 bei einer phasenversetzten Anordnung der Nockenprofile 3 an zwei Nockenträgern 4 und 4', bei der kein gemeinsamer Grundkreis vorhanden ist, wird der an dem Nockenträger 4 angeordnete Pin 10 und der an dem Nockenträger 4' angeordnete Pin 10' durch eine gemeinsame Schaltkulisse 9 betätigt. Dabei ist der Pin 10 gegenüber dem Pin 10' versetzt, aber in einer Querschnittsebene angeordnet, so dass bei einem Schaltvorgang die Pins 10' und 10 die Kulissennut 11 nacheinander durchlaufen und die Nockenträger 4 und 4' nacheinander verschoben werden. Da die Schaltkulisse 9 nur verschoben werden kann, wenn beide Pins 10 und 10' sich außerhalb der Schaltkulisse 9 befinden, ist es notwendig, den Versatz bzw. den Abstand des Pins 10 gegenüber dem Pin 10' geringer auszuführen als die Umfangslänge der Schaltkulisse 9.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass durch die Übertragung der rotatorischen Bewegung der Nockenwelle 1 über ein Zahnradgetriebe auf das erste Verschiebestück 19 und durch die drehfeste Verbindung auf das zweite Verschiebestück 20 eine sichere Ventilhubumschaltung zwischen unterschiedlichen Nockenprofilen 3 erfolgt und Fehlschaltungen bei der Ventilhubumschaltung vermieden werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Anzahl der rotierenden Teile bei einer Ventilhubumschaltung reduziert wurde, so dass die Vorrichtung einen einfacheren und störungsunanfälligen Aufbau aufweist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Nockenwelle
- 2
- Schaltstange
- 3
- Nockenprofil
- 3'
- Nockenprofil
- 4
- Nockenträger
- 4'
- Nockenträger
- 5
- Antriebsritzel
- 6
- Zahnrad
- 7
- Verdrehsicherung
- 8
- Kulissenbahn
- 9
- Schaltkulisse
- 10
- Pin
- 10'
- Pin
- 11
- Kulissennut
- 12
- Arretierung
- 13
- Arretierungskontur
- 14
- Lager
- 15
- Axiallager
- 16
- Führung
- 17
- erster Aktuator
- 18
- zweiter Aktuator
- 19
- erstes Verschiebestück
- 20
- zweites Verschiebestück
- 21
- Kulissenbahn
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4230877 A1 [0002]
- DE 3520859 A1 [0003]
- DE 19519048 A1 [0004]
- DE 19520117 C2 [0005]
- DE 10054623 A1 [0006, 0008]
- DE 102004033798 A1 [0009]
- DE 102004055852 A1 [0010]
