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Diese Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum
automatischen Verändern der Zeitphase oder Winkelstellung einer
Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle einer
Brennkraftmaschine.
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In Brennkraftmaschinen ist normalerweise die Zeitphase der
Nockenwellen, und deshalb der Einlaß- und Auslaßventile,
für eine bestimmte Motordrehzahl optimiert, und im Fall
einer feststehenden Zeitphase ist sie bei anderen
Drehzahlen kaum geeignet und manchmal nur gerade noch zulässig.
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Folglich wird entweder ein Kompromißwert verwendet, oder es
werden Vorrichtungen verwendet, die es möglich machen, ihn
entweder ständig oder sprunghaft zu ändern.
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Vorrichtungen, die in der Lage sind, die Zeitphase
stufenlos zu ändern, sind im allgemeinen ziemlich kompliziert,
während die Typen mit diskreter Änderung einfacher, aber
immer noch einigermaßen zufriedenstellend sind, weil sie es
ermöglichen, Zetiphasenwerte zu verwenden, die für den
einen oder anderen Bereich des Betriebsbereichs des Motors
optimiert sind.
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Im Leerlauf und bei niedrigen Belastungen muß die zeitliche
Überlappung (gleichzeitiges Öffnen der Einlaß- und
Auslaßventile) kurz sein, um ein Zurückströmen des Abgases in die
Brennkammer oder in die Einlaßkanäle hinein aufgrund des
Ansaug-Unterdrucks und/oder des Auslaß-Überdrucks zu
verhindern.
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Der durch eine kurze Überlappung hauptsächlich erzielte
Vorteil besteht in einer Verringerung des
Kraftstoffverbrauchs, des Schadstoffausstoßes und in einem gleichmäßigen
Motorleerlauf.
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Bei hoher Drehzahl unter Vollast-Bedingungen ist eine lange
Überlappung notwendig, um die Füllung des Zylinders durch
Ausnutzung der Trägheit und des Austausches der Fluide in
den Einlaß- und Auslaßkanälen zu verbessern. Schließlich
ist es in der Nähe der höchsten Drehzahl unter
Vollast-Bedingungen vorteilhaft, das Schließen der Einlaßventile
wesentlich zu verzögern, um die Trägheit und den Austausch
des Fluids in den Einlaßkanälen auszunutzen.
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Der Nutzen besteht in einem höheren Drehmoment, einer hohen
Maximalleistung und in einem optimierten
Kraftstoffverbrauch.
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Stufenweise arbeitende Steuervorrichtungen dieses Typs sind
in den Druckschriften US-A-4 231 330 und FR-A-2 526 858
beschrieben.
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Eine weitere Vorrichtung ist aus der Druckschrift EP-A-0
147 209 bekannt, welche die Merkmale des Oberbegriffs des
Anspruchs 1 aufweist. In dieser bekannten Vorrichtung trägt
das Ende der Nockenwelle ein angetriebenes Bauteil, das
stirnseitig an diesem Ende befestigt ist und einen
Abschnitt, der die ringförmige Endwand des Zylinders drehbar
stützt, und einen weiteren Abschnitt mit einem viereckigen
Querschnitt aufweist, der progressiv um die Mittelachse des
angetriebenen Bauteils rotiert wird. Dieser letztere
Abschnitt paßt in eine viereckige Bohrung des Kolbens an, die
in axialer Richtung gerade verläuft, wobei somit eine
Schraubennut-Kopplung gebildet ist, durch welche die axiale
Verschiebung des Kolbens durch ein Druckfluid eine relative
Rotation zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle
bewirkt.
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Wegen der Konstruktion dieser bekannten Vorrichtung ist
eine beträchliche Arbeit zur spanabhebenden Formgebung der
sich schraubenförmig entwickelnden Kopplung mit der
erforderlichen Genauigkeit und zum einwandfreien Zusammenbau der
zahlreichen Teile nötig, aus denen die vollständige
Vorrichtung zusammengesetzt ist.
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Die Druckschrift DE-A-3 126 620 offenbart eine Vorrichtung
für eine Ventilsteuerung, in der das Lager der Nockenwelle
einstückige Vorsprünge aufweist, die einen Endabschnitt und
einen Zwischenabschnitt umfassen, wobei der Endabschnitt
äußerlich mit dem Kolben gekoppelt und innen hohl ist, um
einen axialen Ansatz der ringförmigen Endwand starr
aufzunehmen, die den Zylinder mit dem von der Kurbelwelle
rotierten Antriebsrad trägt. Dieselbe Endwand trägt
stirnseitig eine Steuervorrichtung, die den Betrieb des Kolbens
durch ein Zentrifugalgewicht steuert, das auf die
Umdrehungsgeschwindigkeit der Kurbelwelle anspricht. Der Kolben
ist durch verzahnte Kopplungen sowohl mit dem Zylinder als
auch mit diesem Endabschnitt gekoppelt. Auch diese
Vorrichtung hat eine komplizierte Konstruktion und Montage.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der
Schaffung einer automatischen Steuerverstellvorrichtung für
eine Brennkraftmaschine, die, wie die in den Druckschriften
des Standes der Technik angeführten, besonders
leistungsfähig und zuverlässig, in ihrer Konstruktion und ihrem
Zusammenbau aber wesentlich einfacher ist, deren Gesamtgröße,
Gewicht und Kosten geringer sind und die für eine
beträchtliche Genauigkeit der Steuerung sorgt.
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Das wird durch eine Vorrichtung erreicht, die die Merkmale
des Anspruchs 1 aufweist. Charakteristische Merkmale und
Vorteile der Erfindung sind nachstehend mit Bezug auf die
begleitenden Fig. 1 bis 4 beschrieben, die eine bevorzugte
Ausführungsform der Erfindung durch ein nicht
einschränkendes Beispiel darstellen. Es zeigen:
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Fig. 1 einen axialen Teilschnitt durch eine
Steuerverstellvorrichtung nach der Erfindung;
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Fig. 2 einen Teilschnitt auf der Linie II-II der Fig. 1;
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Fig. 3 einen Teilschnitt auf der Linie III-III der Fig. 1;
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Fig. 4 eine Modifizierung der Einzelheit der Fig. 2.
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In der Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 10 allgemein den
Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine, von dem nur ein Teil
dargestellt ist. Im Zylinderkopf ist ein Lager 11
vorgesehen, das einen Lagerzapfen 12 der Nockenwelle trägt, die
insgesamt durch das Bezugszeichen 13 bezeichnet und auch
nur teilweise gezeigt ist. Die Nockenwelle 13 steuert zum
Beispiel die Einlaßventile des Motors.
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Das Bezugszeichen 15 bezeichnet ein gezahntes Antriebsrad,
das durch die nicht dargestellte Kurbelwelle mittels eines,
ebenfalls nicht dargestellten, Zahnriemens in Rotation
versetzt wird.
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Das Bezugszeichen 16 bezeichnet insgesamt einen Zylinder,
der aus einer ringförmigen Stützendwand 18 und einer
zylindrischen Seitenwand 19 gebildet ist, die bei 17 zum
Beispiel durch ein Laserverfahren angeschweißt ist.
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Damit ist es möglich, die Innenflächen der Wand 19 auf die
Konstruktionsgenauigkeit und Toleranzen spanabhebend zu
bearbeiten, bevor sie an der Wand 18 befestigt wird.
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Der Zylinder 16 ist in einen passenden Sitz 20 des
Antriebsrads 15 mit einem Dichtungsring 21 eingebaut, und das
Antriebsrad 15 ist axial auf einer Frontfläche der
ringförmigen Stützendwand 18
durch Schrauben, wie es beispielsweise durch das
Bezugszeichen 22 angezeigt ist, mit einer Sicherungsplatte 23
zwischen den Schraubenköpfen und dem Antriebsrad 15 befestigt.
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Das Antriebsrad 15 weist Bohrungen 24 auf, wie es zum
Beispiel in der Fig. 1 dargestellt ist, die Gewindebohrungen
25 in der Wand 18 und Bohrungen 26 in der Sicherungsplatte
23 entsprechen, um eine genaue Einstellung der Steuerung
der Nockenwelle 13 bezüglich des Antriebsrads 15 zu
ermöglichen.
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Um zu garantieren, daß die beim Verriegeln des Zylinders 16
am Antriebsrad 15 erhaltene Zeitphase beibehalten wird,
wird die Platte 23 nach dem Zusammenbau in einen passenden
Sitz 14 im Antriebsrad 15 gestaucht.
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Der Zylinder 16 ist wie ein Ausleger auf einem Endabschnitt
27 des Lagerzapfens 12 der Nockenwelle 13 durch die
ringförmige Stützwand 18 drehbar gelagert, die am Endabschnitt
27 drehbar getragen wird und diesen von außen umgibt, und
ist durch eine Schraube 28 und eine Unterlegscheibe 29
axial zur Nockenwelle 13 befestigt.
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Die zylindrische Seitenwand 19 des Zylinders 16 ist innen
mit schraubenförmigen Nuten 30 versehen, die zur Bildung
einer Schraubennut-Kopplung mit entsprechenden
schraubenförmigen Nuten 31 in Eingriff stehen, die in der Schürze 32
eines Kolbens 33 vorgesehen sind.
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Der Kopfteil 34 des Kolbens 33 ist ringförmig und mit einer
Bohrung 35 zum axialen Verschieben auf einem
Zwischenabschnitt 36 des Lagerzapfens 12 der Nockenwelle 13 versehen.
Wie es in der Fig. 1 zu sehen ist, sind die Abschnitte 27
und 36 einstückige Vorsprünge des Lagerzapfens 12 der
Nokkenwelle
13. Die Bohrung 35 weist vorzugsweise mindestens
zwei, diametral gegenüberliegende, ebene Wände 37 auf, die
gleitend an entsprechenden, diametral gegenüberliegenden,
ebenen Wänden 38 des Zwischenabschnitts 36 anliegen, um
eine prismatische Kopplung zu bilden, wie sie in der Fig. 2
dargestellt ist. Die beiden diametral gegenüberliegenden
ebenen Wände 37, 38 können durch entsprechende
gegenüberliegende Abschnitte einer zylindrischen Wand verbunden
werden, wobei jeder dieser Abschnitte die beiden
gegenüberliegenden, ebenen Wände 37, 38 direkt verbindet. Die Bohrung
35 und der Abschnitt 36, deren Querabmessungen größer als
der Abschnitt 27 sind, können mit zahlreichen ebenen Wänden
zur Anlage vorgesehen werden, wie beispielsweise mit den
jeweils durch die Bezugszeichen 39 und 40 in der Fig. 4
bezeichneten, die ein Ausführungsbeispiel darstellt, in
welchem die Bohrung 35 und der Abschnitt 36 einen
Sechskantquerschnitt aufweisen.
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Das Bezugszeichen 41 bezeichnet ein elastisches Mittel in
Form einer Feder, die zwischen dem Kopfteil 34 des Kolbens
33 und einem Absatz 42 auf der Nockenwelle 13
dazwischengelegt ist, um diesen Kolben 33 axial in eine erste
Hub-Endstellung an die Stützendwand 18 des Zylinders 16 zu
drükken, wobei das Bezugszeichen 43 auf einen weiteren Absatz
auf der Nockenwelle 13 hinweist, der als Anschlag einer
Wegstrecke für den Kolben 33 in einer zweiten
Hub-Endstellung wirkt. Eine Kammer mit veränderlichem Volumen, die mit
dem Bezugszeichen 44 angegeben wird, ist zwischen dem
Kopfteil 34 des Kolbens 33 und den Wänden 18 und 19 des
Zylinders 16 eingeschlossen.
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Die Kammer 44 wird abgedichtet durch die Toleranz, die für
die in Berührung stehenden Flächen der Wände der Bohrung 35
und des Abschnitts 36 und für die Flächen der Wand 19 des
Zylinders 16 und eines ringförmigen Vorsprungs 45 auf der
Schürze 32 des Kolbens 33 verwendet wurde.
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Außerdem wird jeder Ölaustritt aus dem Zylinder 16 nach
außen durch einen Ring 75 (vom Typ "Corteco"-Lippendichtung
für Öl) zurückgehalten, der in einen passenden Sitz im
Zylinderkopf 10 eingesetzt ist.
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Die Kammer 44 kommuniziert mit einem in der Nockenwelle 13
vorgesehenen, diametralen Kanal 46, der von einem axialen
Kanal 47 abzweigt, der ebenfalls in dieser Nockenwelle 13
vorgesehen ist.
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Der Kanal 47 steht durch einen Kanal 48 und eine
ringförmige Kammer 49 mit einem Kanal 50 in Verbindung, der im
Zylinderkopf 10 vorgesehen ist, wie es in der Fig. 3
dargestellt ist.
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Der Kanal 50 kann an einen Zuführungskanal 51, der Drucköl
aus dem Schmierölkreislauf des Motors aufnimmt, und an
einen Auslaßkanal 52 angeschlossen werden.
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In den Fig. 1 und 3 bezeichnet das Bezugszeichen 53 einen
Kanal des Schmierölkreislaufs, in welchem dem Wellenlager
11 Öl zugeführt wird. Die Kanäle 50, 51, 52 stehen mit
entsprechenden Kanälen in Verbindung, die in einen, mit dem
Bezugszeichen 54 angegebenen, zylindrischen Hohlraum
münden, und sind in einem Bauteil 55 vorgesehen, das mit einer
Dichtung 56 am Zylinderkopf 10 angebaut ist. Ein durch das
Bezugszeichen 57 im ganzen angegebener Schieber ist im
Hohlraum 54 zur Steuerung der Verbindung zwischen den
Kanälen 50, 51, 52 verschiebbar eingebaut. Der Schieber 57
weist eine innere zylindrische Kammer 58 auf, die durch
radiale Kanäle 59, 60, 61 mit ringförmigen Kammern 62, 63, 64
in Verbindung steht.
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Der Schieber 57 steht im Gleichgewicht, weil die vom Öl auf
seine Wände ausgeübten Kräfte eine Resultierende aufweisen,
die Null beträgt. Der Schieber 57 liegt an einer durch das
Bezugszeichen 65 angegebenen Feder und einem durch das
Bezugszeichen 66 bezeichneten Stößel an und ist funktionell
mit dem nicht dargestellten Anker eines Elektromagneten
verbunden, der insgesamt durch das Bezugszeichen 67
angegeben ist.
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Der Elektromagnet 67 ist mit einer Gummi-Metall-Muffe 68
und Schrauben 69 am Bauteil 55 befestigt.
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Der Elektromagnet 67 ist funktionell über eine Leitung 71
mit einer Steuerzentrale 70 verbunden, zum Beispiel in Form
eines programmierten Mikroprozessors. Die durch Pfeile 72
und 73 dargestellten Signale, die die ausgewählten
Betriebsparameter des Motors anzeigen, beispielsweise die
Motordrehzahl, den oder die Drosselklappenwinkel, Einlaß-
Unterdruck und Einlaß-Luftdurchsatz, werden der
Steuerzentrale 70 zugeführt. Die Steuerzentrale 70 führt dem
Elektromagnet 67 kein Signal zu, bis sie abtastet, daß die
ausgewählten Parameter des Motors, zum Beispiel die Drehzahl,
der oder die Drosselklappenwinkel oder der Luftdurchsatz,
unter den vorbestimmten Schwellenwerten liegen.
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Während der Elektromagnet 67 inaktiviert ist, bleibt der
Stößel 66 in seiner zurückgezogenen Stellung, und der
Schieber 57 nimmt unter der Wirkung der Feder 65 eine erste
Betriebsstellung ein, wie es in der Fig. 3 dargestellt ist,
in der er den Kanal 50 mit dem Auslaßkanal 52 verbindet.
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Somit ist die Kammer 44 der Fig. 1 auch mit dem Auslaß
verbunden, und der Kolben 33 wird durch die Feder 41 axial an
die Wand 18 des Zylinders 16 gedrückt, um die erste Hub-
Endstellung einzunehmen, wie es in der Fig. 1 dargestellt
ist.
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Unter diesen Bedingungen bewirkt der Kolben 33 eine erste
Zeitphase oder Winkelstellung zwischen der Nockenwelle 13
und dem Antriebsrad 15. Diese erste Zeitphase ist
vorzugsweise für niedrige Drehzahlwerte und geringe Belastungen
optimiert, und wenn die Nockenwelle 13 die Einlaßventile
des Motors steuert, kann sie zur Schaffung einer geringsten
Überlappung bei den Auslaßventilen ausgewählt werden, um
somit den Motorbetrieb unter diesen Bedingungen zu regeln.
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Die Steuerzentrale 70 führt dem Elektromagnet 67 ein
Steuersignal zu, wenn sie abtastet, daß die gewählten Parameter
des Motors die vorbestimmten Schwellenwerte überschreiten.
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Der Elektromagnet 67 wird aktiviert, und sein Anker drückt
den Stößel 66 nach außen, so daß er den Schieber 57 gegen
die Wirkung der Feder 65 in eine zweite Betriebsstellung
bewegt, um den Kanal 50 durch die ringförmige Kammer 63 mit
dem Zuführungskanal 51 zu verbinden. Die Kammer 44 der Fig.
1 ist somit an die Druckölzuführung angeschlossen, und
durch die Wirkung des Öls wird der Kolben 33, indem er die
Wirkung der Feder 41 überwindet, axial gegen den Absatz 43
gedrückt.
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Wenn sich der Kolben 33 zum Zylinder 16 und zur Nockenwelle
13 axial verschiebt, rotiert er wegen der durch die
schraubenförmigen Nuten 30 und 31 gebildeten Verbindung im
Zylinder 16 auch relativ dazu, bis er am Absatz 43 seine zweite
Hub-Endstellung erreicht. Wenn der Kolben 33 rotiert, dreht
er die Nockenwelle 13 wegen der Verbindung, die durch die
anliegenden ebenen Wände 37, 38 oder 39, 40 gebildet ist.
Unter diesen Bedingungen bewirkt der Kolben 33 zwischen der
Nockenwelle 13 und dem Antriebsrad 15 eine zweite Zeitphase
oder Winkelstellung. Dieser zweite Zeitphasenwert kann zum
Beispiel für Vollast-Drehzahlwerte optimiert werden, die
einem größtmöglichen Drehmoment entsprechen. Wenn die
Einlaßventile durch die Nockenwelle 13 gesteuert werden, kann
somit dieser Wert zur Schaffung einer langdauernden
Überlappung bei den Auslaßventilen zur Ausnutzung von Trägheit
und Austausch der die Einlaß- und Auslaßkanäle
durchfließenden Fluidsäule ausgenutzt werden, um unter diesen
Bedingungen die Spülung des Zylinders und das Füllen mit
einer frischen Füllung zu verbessern. Mit der
vorgeschlagenen Vorrichtung ist es möglich, eine dritte, der ersten
gleiche Zeitphase für Drehzahlwerte und Belastungen zu
bewirken, die einer größtmöglichen Leistung entsprechen.
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In diesem Fall tastet die Steuerzentrale 70 einen Durchgang
von weiteren vorbestimmten Ansprechwerten der gewählten
Parameter des Motors ab und unterbricht die Zuführung des
Steuersignals zum Elektromagnet 67, so daß der Schieber 57
durch die Wirkung der Feder 65 in seine erste
Betriebsstellung zurückkehrt, um die Kammer 44 mit dem Auslaßkanal 52
zu verbinden.
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Der Kolben 33 wird durch die Feder 41 an die Wand 18 des
Zylinders 16 gedrückt, und die Nockenwelle 13 kehrt zurück,
um diesen ersten Wert der Zeitphase anzunehmen.
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Diese Zeitphase führt zu einer Verzögerung bei der
Schließung der Einlaßventile, die es möglich macht,
Trägheit und Austausch des in den Einlaßkanälen vorhandenen
Fluids auszunutzen, um die Füllung des Zylinders unter den
Bedingungen einer größtmöglichen Leistung zu erhöhen.
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Die beschriebene Vorrichtung weist durch ihre sehr einfache
Konstruktion und Anordnung, die auf ein Minimum
zurückgeführte Größe, Gewicht und Kosten, ihre Leistungsfähigkeit,
ein besonders schnelles Ansprechen und durch ihre
Zuverlässigkeit verschiedene Vorteile auf. Sie erlaubt ferner eine
sehr genaue Einstellung der Zeitphase zwischen der
Nockenwelle 13 und dem Antriebsrad 15.
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Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung besteht in ihrer
bemerkenswerten Flexibilität, die es möglich macht, daß sie
für Motore verwendet werden kann, in denen die Nockenwelle
entweder durch einen Zahnriemen oder eine Kette angetrieben
wird.