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Die
Erfindung betrifft eine Stellvorrichtung für eine Brennkraftmaschine,
insbesondere eine Nockenwellenstellvorrichtung, nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
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Aus
der
DE 102 20 687
A1 ist eine Nockenwellenstellvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit
einer Notlaufverstelleinheit bekannt, die dazu vorgesehen ist, in
einem Notlaufmodus ein Nockenwellenantriebsmoment zur Verstellung
eines Nockenwellenphasenwinkels zu nutzen. Die Stellvorrichtung weist
ein Verstellgetriebe mit einer Standgetriebeübersetzung auf, die so ausgelegt
sind, dass durch bloßes
Festsetzen einer Verstellwelle mittels der Notlaufverstelleinheit
eine Arretierstellung erreicht wird.
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Der
Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, eine Stellvorrichtung
mit einem großen Einstellbereich
bereitzustellen, bei der jedoch zumindest ein vorteilhafter Notlaufwellenphasenwinkel stets
sicher erreicht werden kann. Die Aufgabe wird gelöst durch
die Merkmale des Patentanspruchs 1, wobei weitere Ausgestaltungen
der Erfindung den Unteransprüchen
entnommen werden können.
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Die
Erfindung geht aus von einer Stellvorrichtung für eine Brennkraftmaschine,
insbesondere von einer Nockenwellenstell vorrichtung, mit einer Notlaufverstelleinheit,
die dazu vorgesehen ist, zumindest in einem Notlaufmodus ein vorliegendes
Antriebsmoment zur Verstellung eines Wellenphasenwinkels zu nutzen.
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Es
wird vorgeschlagen, dass die Notlaufverstelleinheit dazu vorgesehen
ist, zumindest abhängig von
einem vorliegenden Wellenphasenwinkel eine Verstellung nach Früh oder nach
Spät zur
Erzielung wenigstens eines Notlaufwellenphasenwinkels vorzunehmen.
Unter „vorgesehen" soll dabei insbesondere
speziell ausgestattet, ausgelegt und/oder gegebenenfalls programmiert
verstanden werden. Ferner soll unter einem „Wellenphasenwinkel" insbesondere ein
Phasenwinkel einer ersten Welle zu einer zweiten Welle verstanden
werden, wie dies insbesondere bei einer von einer Kurbelwelle angetriebenen
Nockenwelle mit einer Nockenwellenstellvorrichtung auftritt. Durch
eine entsprechende Ausgestaltung kann eine Stellvorrichtung mit
einem großen
Stellbereich erzielt und es kann konstruktiv einfach und kostengünstig ein
vorteilhafter Notlaufwellenphasenwinkel stets sicher erreicht werden,
und zwar unabhängig
von einem vorliegenden Wellenphasenwinkel bei einem Notfall und
unabhängig
von einer Standgetriebeübersetzung
eines Verstellgetriebes. Ferner kann durch die Nutzung eines Antriebsmoments
im Gegensatz zur Nutzung von durch Schwingungen verursachten Wechselmomenten
die Stellvorrichtung insbesondere auch bei Brennkraftmaschinen ohne
oder mit nur sehr kleinen Wechselmomenten eingesetzt werden, wie
beispielsweise bei Brennkraftmaschinen mit zwölf Zylindern usw.
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Weist
die Notlaufverstelleinheit wenigstens eine stromlose Sensoreinheit
auf, d.h. eine Sensoreinheit, mittels der eine Sensierung ohne elektrische Energieversorgung
möglich
ist, kann ein vorliegender Wellenphasenwinkel vorteilhaft unabhängig von
einer elektrischen Stromversorgung, beispielsweise auch bei einem
Kabelbruch, sensiert werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass
die Sensoreinheit eine mechanische Abtasteinheit aufweist, wodurch diese
konstruktiv einfach, insbesondere auch unabhängig von einem vorliegenden Öldruck,
ausgeführt werden
kann. Alternativ und/oder zusätzlich
zu einer mechanischen Abtasteinheit könnte jedoch die Sensoreinheit
auch eine hydraulische Einheit zur Sensierung eines vorliegenden
Wellenphasenwinkels aufweisen.
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Ferner
wird vorgeschlagen, dass die Notlaufverstelleinheit zur Erzielung
eines einstellbaren Notlaufwellenphasenwinkels bzw. einer Sollposition
einstellbar ausgeführt
ist, wodurch während
des Betriebs und/oder auch grundsätzlich vor einer Inbetriebnahme
eine Anpassung an verschiedene Randbedingungen ermöglicht werden
kann.
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Bei
der Verstellung des Wellenphasenwinkels können verschiedene, dem Fachmann
als sinnvoll erscheinende Antriebsmomente genutzt werden, wie insbesondere
ein Stellerantriebsmoment, das in erster Linie dazu vorgesehen ist,
eine Stellbewegung bzw. eine Verstellung des Wellenphasenwinkels
zu erzielen, und/oder besonders vorteilhaft ein Wellenantriebsmoment,
das in erster Linie dazu vorgesehen ist, die Welle, deren Phasenwinkel
verstellt werden soll, zur Übertragung
eines Antriebsmoments über dieselbe
anzutreiben. Ist die Notlaufverstelleinheit dazu vorgesehen, ein
vorliegendes Wellenantriebsmoment zur Verstellung zu nutzen, kann
insbesondere auch bei Ausfall einer Stelleinheit zur Erzeugung eines
Stellerantriebsmoments eine gewünschte
Verstellung in den Notlaufwellenphasenwinkel erzielt werden.
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Ist
ein gewünschter
Notlaufwellenphasenwinkel erreicht, kann dieser auf verschiedene
Art und Weise gehalten werden, wie beispielsweise mittels einer
gezielten Steuerung und/oder insbesondere Regelung. Besonders vorteilhaft
weist jedoch die Stellvorrichtung eine mechanische Arretiereinheit
zur Arretierung wenigstens eines Wellenphasenwinkels auf, wodurch
dieser konstruktiv einfach, insbesondere ohne Energieaufwand gehalten
werden kann.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass
die Arretiereinheit und die Notlaufverstelleinheit bewegungstechnisch zumindest
gekoppelt und/oder zumindest teilweise einstückig ausgeführt sind, wodurch zusätzliche
Bauteile, Bauraum, Gewicht, Montageaufwand und Kosten eingespart
werden können.
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Ferner
wird vorgeschlagen, dass die Stellvorrichtung einen in axialer Richtung
verschiebbar gelagerten Rotor aufweist, wodurch die axiale Bewegung
des Rotors vorteilhaft für
eine Notlauffunktion, insbesondere für eine Arretierfunktion, genutzt
werden kann und wiederum zusätzliche
Bauteile, Bauraum, Gewicht, Montageaufwand und Kosten eingespart
werden können.
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Weist
die Notlaufverstelleinheit zumindest eine Bremseinheit auf, die
vorzugsweise zur Verstellung einer Übersetzung eines Summierungsgetriebes
der Stelleinheit vorgesehen ist, kann eine energetisch vorteilhafte
Verstellung erzielt werden, und zwar insbesondere, wenn die Notlaufverstelleinheit dazu
vorgesehen ist, die Bremse passiv zu aktivieren und/oder passiv
zu deaktivieren. Dabei soll unter „passiv" insbesondere verstanden werden, dass
eine Aktivierung bzw. Deaktivierung bei abgeschalteter Brennkraftmaschine
und/oder bei unterbrochener Stromversorgung ermöglicht wird, wie insbesondere durch
einen Energiespeicher. Der Energiespeicher kann dabei von verschiedenen,
dem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Einheiten gebildet sein,
wie beispielsweise von einem Druckspeicher und/oder besonders vorteilhaft
von einem Federelement, das besonders kostengünstig und Platz sparend integriert
werden kann.
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Weist
die Bremseinheit wenigstens eine Reibeinheit auf, kann konstruktiv
einfach eine passive Aktivierbarkeit realisiert werden. Weist die
Reibeinheit zusätzliche
Reibbeläge
auf, kann ein gewünschtes
Reibmoment vorteilhaft eingestellt werden. Alternativ und/oder zusätzlich zu
einer Reibeinheit könnte auch
eine Formschlusseinheit vorgesehen sein.
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Die
erfindungsgemäße Lösung kann
bei sämtlichen,
dem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Stellvorrichtungen einer
Brennkraftmaschine eingesetzt werden, wie bei Stellvorrichtungen
zum Einstellen eines Verdichtungsverhältnisses, Stellvorrichtungen
zum Einstellen einer Wasserpumpendrehzahl, Stellvorrichtungen zum
Einstellen einer Kältemittelverdichtungseinrichtung
usw., besonders vorteilhaft jedoch bei Nockenwellenstellvorrichtungen, wodurch
ein Nockenwellenphasenwinkel über
einen großen
Bereich einstellbar und dennoch stets ein sicherer Betrieb der Brennkraftmaschine
gewährleistet ist.
Ferner ist grundsätzlich
auch denkbar, eine entsprechende Stellvorrichtung außer bei
Brennkraftmaschinen auch bei anderen, dem Fachmann als geeignet
erscheinenden Maschinen einzusetzen.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche enthalten
zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale
zweckmäßigerweise
auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Dabei
zeigen:
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1 einen
schematisch dargestellten Längsschnitt
durch eine Nockenwellenstellvorrichtung mit einer Nockenwelle im
Regelbetrieb,
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2 die
Nockenwellenstellvorrichtung aus 1 in arretierter
Stellung,
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3 eine
Abwicklung eines von einer Arretierkulisse gebildeten Arretiermittels
mit einem korrespondierenden Arretiermittel bei einem ersten Arretiervorgang,
ausgehend von einem ersten Nockenwellenphasenwinkel,
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4 die
Arretiermittel nach dem ersten Arretiervorgang in arretierter Stellung,
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5 die
Arretiermittel aus 3 bei einem zweiten Arretiervorgang,
ausgehend von einem zweiten Nockenwellenphasenwinkel in einer ersten
Phase,
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6 die
Arretiermittel beim zweiten Arretiervorgang in einer zweiten Phase
und
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7 die
Arretiermittel nach dem zweiten Arretiervorgang in arretierter Stellung.
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1 zeigt
eine Nockenwellenstellvorrichtung einer Brennkraftmaschine mit einer
Stelleinheit 14 zur Einstellung eines Nockenwellenphasenwinkels
einer Nockenwelle 15. Die Stelleinheit 14 weist eine
elektromagnetische Bremseinheit 16 und ein von einem Planetengetriebe
gebildetes Summierungsgetriebe 17 auf. Die elektromagnetische Bremseinheit 16 weist
einen Stator 18 mit einer Haupterregerspule 19 und
einen Rotor 12 auf, der in einem konzentrischen Durchgangskanal
des Stators 18 mit seiner Rotorwelle 37 drehbar
und in axialer Richtung 20, 21 verschiebbar gelagert
ist. Der Rotor 12 weist einen scheibenförmigen Rotationskörper 22 auf,
an dessen radial äußerem Rand
ein hülsenförmiger Rotationskörper 23 aus
einem Hysteresematerial angeordnet ist, der eine Polstruktur 24 des
Stators 18 umschließt
und mit dieser im Betrieb zusammenwirkt.
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Zudem
ist der Rotor 12 mit seiner Rotorwelle 37 mit
einem Sonnenrad 25 des Summierungsgetriebes 17 in
Umfangsrichtung und in axialer Richtung 20, 21 fest
gekoppelt.
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Ferner
weist die Nockenwellenstellvorrichtung eine Notlaufverstelleinheit 10 auf,
die dazu vorgesehen ist, in einem Notlaufmodus ein vorliegendes Nockenwellenantriebsmoment,
das zum Antrieb der Nockenwelle 15 dient, zur Verstellung
des Nockenwellenphasenwinkels zu nutzen. Die Notlaufverstelleinheit 10 weist
eine stromlose, eine mechanische Abtasteinheit umfassende Sensoreinheit 11 auf.
Die Sensoreinheit 11 weist einen an den Rotationskörper 22 angeformten,
sich in axialer Richtung 21 zu einem Kettenrad 26 erstreckenden
Tastfinger 27 auf. Ferner weist die Sensoreinheit 11 eine
an einer zum Rotationskörper 22 weisenden
Stirnseite des Kettenrads 26 angeformte Abtastkontur 28 auf.
Das Kettenrad 26 ist mit einem Planetenträger 29 gekoppelt,
auf dem Planeten 30 des Summierungsgetriebes 17 gelagert sind,
die mit einem mit der Nockenwelle 15 gekoppelten Hohlrad 31 kämmen.
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In
die Sensoreinheit 11 ist zudem eine mechanische Arretiereinheit
integriert, die zur Arretierung eines Nockenwellenphasenwinkels
im Notlaufmodus vorgesehen ist. Der Tastfinger 27 bildet
zusätzlich
ein erstes Arretiermittel, und in die Abtastkontur 28 ist
ein zweites eine Arretierausnehmung 32 umfassendes Arretiermittel
angeformt (1 und 3).
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Die
Notlaufverstelleinheit 10 weist einen elektromagnetischen
Aktuator 33 mit einer im Stator 18 angeordneten
Hilfserregerspule 34 auf. Die Hilfserregerspule 34 ist
radial innerhalb der Haupterregerspule 19 angeordnet und
wirkt im aktivierten Zustand in axialer Richtung 20 auf
einen an den Rotationskörper 22 angeformten
ringförmigen
Fortsatz 35, der in axialer Richtung 20 in eine
ringförmige
Ausnehmung 36 des Stators 18 ragt, in der auch
die Hilfserregerspule 34 angeordnet ist.
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Ferner
weist die Notlaufverstelleinheit 10 eine Bremseinheit 13 auf,
die passiv aktivierbar und deaktivierbar ist. Die Bremseinheit 13 umfasst
eine Reibeinheit mit einer Bremsscheibe 38, die an einem dem
Summierungsgetriebe 17 abgewandten Ende der Rotorwelle 37 befestigt
ist. Ferner bildet der Stator 18 auf einer dem Summierungsgetriebe 17 abgewandten
Seite eine Reibfläche 48 der
Reibeinheit.
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Um
eine einstellbare Notlaufverstelleinheit zu erreichen, könnte beispielsweise
die Abtastkontur 28 von einem von dem Kettenrad 26 getrennten
Bauteil gebildet sein, das grundsätzlich drehfest mit dem Kettenrad 26 verbunden
ist, jedoch zur Verstellung der Notlaufverstelleinheit und damit
insbesondere zur Verstellung des Nockenwellenphasenwinkels in einer
Arretierstellung relativ zum Kettenrad 26 verdreht werden
kann, beispielsweise mittels eines hydraulischen und/oder elektromagnetischen
Aktuator.
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1 zeigt
die Nockenwellenstellvorrichtung aktiviert im geregelten Betrieb,
in dem die Hilfserregerspule 34 bestromt ist, so dass der
Rotor 12 durch eine von der Hilfserregerspule 34 erzeugte
Magnetkraft in axialer Richtung 20 in eine dem Stator 18 zugewandte
Endstellung verschoben ist, und mittels unterschiedlichen Bestromungen
der Haupterregerspule 19 unterschiedliche Bremsmomente
induziert und damit unterschiedliche Nockenwellenphasenwinkel eingestellt
werden können.
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Wird
die Stromversorgung, insbesondere zur Hilfserregerspule 34,
unterbrochen, beispielsweise aufgrund eines Kabelbruchs in einem
Notfall, wird der Rotor 12 angetrieben durch eine Schraubendruckfeder 39 in
axialer Richtung 21 in seine der Nockenwelle 15 zugewandte
Endstellung verschoben und damit das Sonnenrad 25 innerhalb
der Planeten 30 (2). Der Tastfinger 27 wird
mittels der Federkraft der Schraubendruckfeder 39 gegen
die Abtastkontur 28 gedrückt.
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Durch
das Nockenwellenantriebsmoment läuft
die Stelleinheit 14 bei stromloser Haupterregerspule 19 und
ohne Vorliegen eines Bremsmoments der Bremseinheit 13 nur
in eine Richtung, und zwar im vorliegenden Fall in eine Stellrichtung 40 (3). Bei
einer Verstellung in Stellrichtung 40 wird der Nockenwellenphasenwinkel
in Richtung Spät
verstellt, während
bei einer Verstellung in eine der Stellrichtung 40 entgegen
gesetzten Stellrichtung 41 der Nockenwellenphasenwinkel
in Richtung Früh
verstellt wird.
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Die 3 und 4 zeigen
einen Notlaufvorgang, bei dem eine Stromversorgung der Haupterregerspule 19 und
der Hilfserregerspule 34 unterbrochen wird, während die
Nockenwelle 15 relativ zur Arretierausnehmung 32 in
Stellrichtung 41 bzw. in Richtung Früh verstellt ist. Im Bereich
der Arretierausnehmung 32 bildet die Abtastkontur 28 eine
erste Anlagefläche 43 und
ausgehend von der Arretierausnehmung 32 in Stellrichtung 41 bzw.
in Richtung Früh bis
zu einem ersten Anschlag 42 bildet die Abtastkontur 28 eine
zweite Anlagefläche 44,
die beide im Vergleich zu einer dritten Fläche 45 der Abtastkontur 28, die
sich von einem zweiten Anschlag 46 in Stellrichtung 41 bis
zu einer Rampe 47 erstreckt, in axialer Richtung 20 zum
Stator 18 verlagert sind. Die Anschläge 42, 46 begrenzen
einen maximalen Verstellbereich der Nockenwellenstellvorrichtung.
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Kommt
der Tastfinger 27 mit der Anlagefläche 44 der Abtastkontur 28 in
Anlage, weist die Bremsscheibe 38 einen Abstand zur Reibfläche 48 des
Stators 18 auf, so dass von der Bremseinheit 13 kein
Bremsmoment aufgebracht wird und die Stelleinheit 14 in
Stellrichtung 40 verstellt, und zwar indem die Nockenwelle 15 und
das Kettenrad 26 relativ zueinander ent sprechend verdreht
werden (3 und 4). Der
Tastfinger 27 rastet in die Arretierausnehmung 32 ein
und der Nockenwellenphasenwinkel ist arretiert (4).
Ist der Tastfinger 27 in die Arretierausnehmung 32 eingerastet,
weist die Bremsscheibe 38 weiterhin einen Abstand zur Reibfläche 48 des
Stators 18 auf, so dass durch die Bremseinheit 13 kein
Verstellvorgang induziert wird und somit ein Verschleiß der Reibeinheit
der Bremseinheit 13 beim Betrieb im arretierten Zustand
vermieden wird.
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Die 5 bis 7 zeigen
einen Arretiervorgang, bei dem eine Stromversorgung der Haupterregerspule 19 und
der Hilfserregerspule 34 unterbrochen wird, während die
Nockenwelle 15 relativ zur Arretierausnehmung 32 in
Stellrichtung 40 bzw. Richtung Spät verstellt ist. Bevor der
Tastfinger 27, angetrieben durch die Federkraft der Schraubendruckfeder 39 mit
der Fläche 45 der
Abtastkontur 28 in Anlage kommt, kommt die Bremsscheibe 38 mit
der Reibfläche 48 in
Anlage, so dass von der Bremseinheit 13 ein Bremsmoment
aufgebracht wird und die Stelleinheit 14 in Stellrichtung 41 verstellt,
und zwar indem die Nockenwelle 15 und das Kettenrad 26 relativ
zueinander entsprechend verdreht werden. Der Tastfinger 27 überquert
die Rampe 47 (6) und rastet anschließend in
die Arretierausnehmung 32 ein (7).
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Wird
die Hilfserregerspule 34 nach einem Arretiervorgang wieder
bestromt, wird der Rotor 12 durch die von der Hilfserregerspule 34 erzeugte
Magnetkraft in seine dem Stator 18 zugewandte Endstellung
entgegen der Federkraft der Schraubendruckfeder 39 verschoben
und der als Arretiermittel dienende Tastfinger 27 wird
aus der Arretierausnehmung 32 gezogen (1).
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- 10
- Notlaufverstelleinheit
- 11
- Sensoreinheit
- 12
- Rotor
- 13
- Bremseinheit
- 14
- Stelleinheit
- 15
- Nockenwelle
- 16
- Bremseinheit
- 17
- Summierungsgetriebe
- 18
- Stator
- 19
- Haupterregerspule
- 20
- Richtung
- 21
- Richtung
- 22
- Rotationskörper
- 23
- Rotationskörper
- 24
- Polstruktur
- 25
- Sonnenrad
- 26
- Kettenrad
- 27
- Tastfinger
- 28
- Abtastkontur
- 29
- Planetenträger
- 30
- Planet
- 31
- Hohlrad
- 32
- Arretierausnehmung
- 33
- Aktuator
- 34
- Hilfserregerspule
- 35
- Fortsatz
- 36
- Ausnehmung
- 37
- Rotorwelle
- 38
- Bremsscheibe
- 39
- Schraubendruckfeder
- 40
- Stellrichtung
- 41
- Stellrichtung
- 42
- Anschlag
- 43
- Anlagefläche
- 44
- Anlagefläche
- 45
- Fläche
- 46
- Anschlag
- 47
- Rampe
- 48
- Reibfläche