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Vorrichtung zum Ausgleich des Spiels im Ventilantrieb von Brennkraftmaschinen
u. dgl. Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Ausgleich des Spiels
oder des toten Ganges im Ventilantrieb von Brennkraftmaschinen und bei ähnlichen
kraftschlüssig bewegten Teilen. Bei derartigen Anordnungen verändert sich die Größe
des Spiels nicht nur infolge von Abnutzung, sondern auch infolge derWärmeausdehnung
bzw. Wärmezusammenziehung während des Betriebes der Maschine. Bei den üblichen Ventilantrieben
z. B. ergeben sich dadurch beträchtliche Verschiedenheiten für den Öffnungs- und
Schließungszeitpunkt des Ventils.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, zum Ausgleich des Spiels einen
unter Federwirkung stehenden Nocken in das Ventilgestänge einzuschalten. Bei einer
bekannten Einrichtung wird z. B. ein drehbarer Nocken verwendet, welcher durch eine
Feder in Berührung mit der Grundfläche des Stößels gehalten wird und der auf einer
Bahn geführt ist, welche die Bahn des Stößels schneidet. Die bekannte Vorrichtung
besitzt einen Steuernocken, der auf eine an dem zum Spielausgleich dienenden Nocken
angebrachteNase einwirkt und den Nocken entgegen der Wirkung der Feder nach jedem
Schließen des Ventils so weit dreht, daß ein Spiel in das Ventilgestänge eingeführt
wird, welches erst nach dem Vorbeigehen des Steuernockens. an der Nase durch dieFeder
wieder ausgeglichen wird. Da die zur Aufhebung des Spiels zur Verfügung stehende
Zeit sehr kurz ist, muß die Feder sehr stark ausgebildet sein, um die nötige Beschleunigung
erzeugen zu können. Dies hat jedoch die Folge, daß beim Ausgleich des Spiels die
Teile, zwischen denen das Spiel entstanden ist, stark aufeinanderschlagen: - Es
entsteht also ebenso wie bei Maschinen ohne Spielausgleich ein lästiges Geräusch
und eine starke Abnutzung der aufeinanderschlagenden Teile.
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Die Erfindung bezweckt, den Übelständen der bekannten kraftschlüssigen
Ventilantriebe mit Ausgleichnocken abzuhelfen und eine einfache Vorrichtung zu schaffen,
die einen sicheren selbsttätigen Spielausgleich unter allen Betriebsverhältnissen
ermöglicht.
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Eine solche Vorrichtung zur Aufnahme des Spiels muß sich selbst den
Veränderungen des Spiels anpassen, gleichgültig, worauf diese Veränderungen zurückzuführen
sind. Die Vorrichtung soll daher bei jedem Arbeitskreislauf eine Neueinstellung
vornehmen, d. h. während jedes Kreislaufs soll sie zunächst einen gewissen toten
Gang in das Gestänge einführen und dann den toten Gang ausgleichen.
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Die eben gekennzeichnete Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch einen
im Antriebsgestänge vorgesehenen, unter Federwirkung stehenden drehbaren Nocken
bekannter Art, der in Berührung mit einem Gestängeteil, z. B. dem Ventilschaft oder
dem Stößel, steht. Dabei ist -die Anordnung derart getroffen, daß sich die Achse
des Nockens bei der Öffnungs-und Schließbewegung des Ventils auf einer Bahn bewegt,
die die Bahn des mit ihr in
Berührung-stehenden-Gestängeteiles schneidet.
Der Nocken selbst hat erfindungsgemäß die Gestalt,einer-Spirale mit einem solchen
Steigungswinkel, daß er während der einen Bewegung des Ventils auf dem Ende des
mit ihm in Berührung stehenden Gestängeteiles entgegen der Wirkung einer Feder abrollt,
aber bei der entgegengesetzten Bewegung des Ventils auf dem genannten Teile gleitet.
Hierbei wird während der Betätigung des Ventils in das Gestänge ein Spiel eingeführt,
das von der Feder wieder aufgehoben wird, wenn sich das Ventil in Ruhe befindet.
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Die Erfindung wird an Ausführungsbeispielen von Ventilantrieben an
Hand der Zeichnungen beschrieben, in denen darstellen: Abb. i bis 3 eine Seitenansicht,
teilweise im Schnitt, des Ventils mit seinem Antrieb in verschiedenen Stellungen,
Abb. 4 eine Seitenansicht des Nockens, Abb. 5 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt,
einer abgeänderten Form der Erfindung, Abb. 6 eine Draufsicht, teilweise im Schnitt,
auf den Nocken der Abb. 5, ' Abb. 7 einen senkrechten Schnitt bei seitlich angeordneten
Ventilen, Abb.8 eine Seitenansicht in Pfeilrichtung nach Linie 8-8 der Abb. 7, Abb.
9 einen Schnitt nach Linie 9-9 der Abb. 8, Abb. io eine Seitenansicht, teilweise
im Schnitt, der Erfindung an einer V-förmigen Maschine, Abb. i i und 12 weitere
Anwendungsbeispiele der Erfindung, Abb. 13 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt,
der Erfindung in etwas abgeänderter Form an einer Maschine mit dem Ventil im Zylinderkopf,
Abb. 14 eine perspektivische Ansicht des Nockens nach Abb. 13. -In den Abb. i bis
4 ist mit io ein Teil eines Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine mit in diesem
' angeordnetem Ventil bezeichnet. Das Ventil 12 wird gegen seinen Sitz mit Hilfe
der üblichen Schraubenfeder 14 gehalten. Es wird mittels eines Nockens 16 auf der
Nockenwelle 18 geöffnet, wobei Nöcken 16 den Stößel ?-o anhebt, welcher seinerseits
den Schwinghebel 22 bewegt, um das @ Ventil niederzudrücken. Die Erfindung richtet
sich auf die Ausbildung des Nockens 24, der bei 26 am Ende des Schwinghebels 22
drehbar gelagert und durch eine Torsiönsfeder 28 nachgiebig im Uhrzeigersinn gedrückt
wird.
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Der Nocken ist in diesen Abbildungen spiralförmig dargestellt. Vorzugsweise
ist für die Nockenform eine logarithmische Spirale zu benutzen, die sich durch konstanten
Steigungswinkel auszeichnet. Falls man wünscht, kann man jedoch auch irgendwelche
anderen bekannten Spiralen, wie z. B. eine archimedische oder eine hyperbolische
Spirale, verwenden. Die logarithmische Spirale bietet den Vorteil, daß sie am meisten
angenähert konstante Betriebseigenschaften schafft. Die Nockenerhebung ist derart,
daß sie selbstsperrend wirkt. Mit anderen Worten, der Nocken kann sich auf seiner
Achse nicht unter der Wirkung des Betriebsdruckes allein verdrehen, oder, was auf
dasselbe hinauskommt, die auf das Ende des durch die Nockenexzentrizität gebildeten
Hebelarmes wirkende Betriebskraft darf nicht größer sein als der Reibungswiderstand
am Drehzapfen des Nockens. Wo in üblicher Weise bearbeitete Stahlteile verwendet
werden, ergibt sich, daß die Nockensteigung nicht mehr als 6 bis 8° betragen soll.
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Die Abb. i bis 3 zeigen die Ventilsteuerung gemäß der Erfindung in
aufeinanderfolgenden Betriebsstellungen.
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In der Stellung nach Abb. i hält Feder 14 das Ventil auf seinem Sitz,
ohne einen Druck auf den Nockenschwinghebel oder die damit verbundenen Teile auszuüben.
Der Stößel 2o ruht auf dem Grundkreis des Nockens 16 auf,. so daß auch dieser keinem
Betriebsdruck unterworfen ist. Während dieser Periode dreht Feder 28 den Nocken
24 in eine Stellung, in der kein Spiel oder toter Gang im Gestänge vorhanden ist.
Die Teile sind demgemäß in Abb. i dargestellt.
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In Abb. 2 befindet sich das Ventil in vollständig geöffneter Lage,
und Nocken 24 berührt nun das Ende des Ventilschaftes an einem niedrigeren Punkte
seinerKurve. Diese Lagenänderung ist dadurch bewirkt, daß der Nocken auf dem Ende
des Ventilschäftes sich infolge der seitlichen Verschiebung der Nokkenachse abgerollt
hat, _ während sich der Schwinghebel aus der im wesentlichen waagerechten Lage der
Abb. i in .die abwärts geneigte Lage der Abb. 2 bewegt hat. Um diese Bewegung hervorzurufen,
mußte sowohl die Reibung am Zapfen des Nockens und die Federkraft, welche den Nocken
in entgegengesetzter Richtung zu drehen sucht, überwunden werden. Dies ist geschehen
mit Hilfe der Reibung zwischen dem Nocken und dem Ende des Ventilschaftes und durch
den Betriebsdruck, der an einem durch die Exzentrizität entstandenen Hebelarm links
vom Nocken wirkt. Das Maß, um das sich infolge dieser rollenden Wirkung der Berührungspunkt
die Nockenkurve hinabbewegt, ist gering.
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Abb. 3 zeigt die Teile in der Stellung, die sie einnehmen, wenn das
Ventil gerade seinen Sitz und die Rolle des Stößels fast schon einen Punkt am Grundkreis
des Nockens 16
erreicht haben. Der Schwinghebel 22 hat sich dabei
aus seiner abwärts geneigten Stellung der Abb. 2 in die annähernd waagerechte der
Abb. 3 bewegt und dabei die Achse des Nokkens 24 etwas seitwärts nach rechts verschoben.
Diese Bewegung sucht den Nocken 24 im Uhrzeigersinn so abzurollen, daß er den Ventilschaft
mit einem höheren Punkt seiner Kurve berührt. Dieser Abrollbewegung wird nun nicht
nur durch die Lagerreibung des :Nockens Widerstand geleistet, sondern auch durch
den Betriebsdruck, der am Ende des durch die Nockenexzentrizität gebildeten Hebelarms
wirkt und den Nocken 24 entgegen dem Uhrzeigersinn zu drehen sucht. Diese vereinigten
Kräfte überwinden die Reibung am Berührungspunkt von Nocken und Ventilschaft, so
daß an der Berührungsstelle ein Gleiten stattfindet, und der Nocken bewegt sich
mit dem Schwinghebel gerade so, als bestände er mit diesem aus einem Stück. Während
der Bewegung aus der Stellung der Abb. 2 in die der Abb. 3 gleitet Nocken 24 auf
dem Ende des Ventilschaftes über einen Winkel, der dem der Schwinghebelbewegung
gleich ist. Er ruht und bleibt dabei in Berührung mit dem Ventilschaft mit einem
tieferen Punkt seiner Kurve als dem, der der Abb.2 entspricht. Diese Stellungsänderung
des Nockens 24 ist gleichbedeutend mit einer 1?inführung eines entsprechend großen
Spiels oder toten Ganges in das Gestänge.
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Wenn sich nun die Nockenwelle 18 über die in Abb. 3 gezeigte Lage
hinaus dreht und der Stößel sich dem Grundkreis nähert, so dreht Feder 28 den Nocken
24 im Uhrzeigersinn in die punktiert dargestellte Lage der Abb. 4, wobei das vorher
erzeugte Spiel ausgeglichen wird. Wenn sich während dieses Arbeitskreislaufes dieTeile
ausgedehnt haben, so wird die Feder den Nocken um einen geringeren Betrag verdrehen,
weil weniger Spiel auszugleichen ist. Haben sich hingegen während des Kreislaufes
die Teile zusammengezogen, so wird die Feder den Nocken um eine größere Strecke
verdrehen, weil mehr Spiel aufzunehmen ist. Diese Wirkung wiederholt sich bei jedem
Kreislauf der Ventilarbeit.
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In der Zeichnung nach Abb. i bis 4 ist die Lagerung des Schwinghebels
nicht in der Mitte vorgesehen, sondern der Arm, der sich auf den Ventilschaft zu
erstreckt, ist länger als der andere. Infolgedessen hat der an dem dem Ventil zugewendeten
Ende des Schwinghebels angeordnete Nocken ein geringeres Vermögen zum Spielausgleich,
als der gleiche am Stößelende des Schwinghebelarmes angeordnete Nocken haben würde.
Es hat sich herausgestellt, daß bei einem über dem Ventilschaft angeordneten Nocken
der mögliche Einstellbereich der Spielausgleicheinrichtung annähernd einer Ventilschaftbewegung-
von etwa 3 mm (1/$') entspricht. Bei dieser Bauart läßt sich die Größe des durch
Rückdrehen des Nockens geschaffenen toten Ganges auf etwa 0,05 mm (0,002")
halten, so daß der Einstellbereich von 3 mm (1",3") es ermöglicht, daß die Einrichtung
zum Ausgleich des toten Ganges selbst so lange arbeiten kann, wie eine Maschine
üblicherweise, ohne Überholung zu erfordern, im Betrieb ist.
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In den Abb. 5 und 6 ist eine andersgeartete Anordnung dargestellt,
bei der der Bocken 24 am Stößelende des Schwinghebelarmes 30 angeordnet ist.
Die Torsionsfeder 32 arbeitet wie vorher und sucht den Nocken in solcher Weise zu
drehen, daß der toteGang aufgenommen wird. Diese Feder ist als Schraubenfeder 34
ausgebildet und in einem Hohlzapfen 36 untergebracht. Ihr eines Ende 38 ist an dem
gegabelten Ende des Schwinghebelarmes eingehakt, während ihr anderes Ende 40 in
eine Öffnung im Nocken eingreift. Zur Vergrößerung der Reibung am Zapfen des Nockens
kann der Lagerdurchmesser vergrößert werden, indem der Nocken auf einer am Hohlzapfen
36 befestigten Büchse 37 gelagert ist.
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Diese Vorrichtung arbeitet in gleicher Weise wie die vorher beschriebene.
Durch die Anbringung des Nockens an diesem Ende des Schwinghebels wird der durch
die Rückdrehung des Nockens geschaffene tote Gang etwa o,i mm (o,oo4") betragen,
wobei der Nocken solche N eigung hat, daß ein gesamter Einstellungsbereich entsprechend
einer Ventilbewegung von 6 mm (1/4") erzielt wird. Wenn der Nocken solche Neigung
haben soll, daß der Einstellungsbereich einer Ventilbewegung von etwa io mm (3/8")
entspricht, so würde der durch Rückdrehen des Nockens geschaffene tote Gang etwa
o, i 5 mm (o,oo6") betragen. Der größere Einstellbereich, der sich infolge der Anbringung
des Nockens am Ende des kürzeren Hebelarmes. ergibt, sichert die selbsttätige Einstellung
,,nährend der gesamten Lebensdauer der Maschine. Außerdem bietet sich der Vorteil,
daß man an diesem Hebelarmende die Teile ohne schädliche Nebenwirkung gründlich
schmieren kann. Die Schmierung wird gewöhnlich durch Verwendung des Hohlzapfens
des Schwinghebels als Ölbehälter bewirkt. Dieser Behälter wird aus der üblichen
Druckschmierung gespeist. Von hier aus kann das Öl an die Enden des Schwinghebels
geleitet werden. Es ist jedoch unerwünscht, irgendwelche beträchtlichen Ölmengen
auf den Ventilschaft gelangen zu lassen, weil das Öl allmählich zwischen dem Ventilschaft
und seiner Führung durchsickert und dann einKohlenniederschlag
auf
dem Ventilschaft entsteht, der ein Festsetzen des Ventils bewirkt. Derartige Bedenken
bestehen nicht gegen eine reichliche Ölzufuhr zu einem Nocken, der an dem Stößelende
des Schwinghebels gelagert ist.
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Die bei dieser Ausführungsform der Erfindung angewendete Torsionsfeder
bietet den Vorteil, daß sie sehr einfach in ihrer Ausführung ist und außerdem noch
als Anschlag wirkt, der das Maß der Nockendrehung beschränkt, falls ein Ventil offenstehen
bleibt.
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In Abb. 7, 8 und 9 ist die Erfindung an einer Maschine mit L-förmigem
Kopf dargestellt. Hier wird das Ventil, wie üblich, durch die Schraubenfeder 14
auf seinem Sitz gehalten. Es wird durch einen Nocken auf der Steuerwelle 18_ geöffnet,
der den Stößel 42 anhebt. Dieser Stößel kann irgendwelche gewünschte Form haben.
In der Darstellung besteht er aus einem Zylinder 44, der in einer Führung 46 gleiten
kann. Der Zylinder trägt an seinem unteren Ende eine Rolle 48 zur Anlage an dem
Nocken der Steuerwelle 18. Im oberen Teil des Stößels ist eine Hülse 5o gleitend
untergebracht, in die ein eine Gabel 54 tragender Stutzen 52 eingeschraubt ist.
In dieser Gabel ist ein Nocken 56 drehbar gelagert. Hülse 5o wird durch eine Feder
58 nach unten gedrückt, die einerseits gegen die Unterseite des Stößelkopfes, andererseits
an einem Flansch am unteren Teil der Hülse angreift. Die Einzelheiten der Anbringung
der den Nocken tragenden Hülse sind an sich nicht wichtig. Sie dienen dazu, den
Gegenstand der Erfindung einer vorhandenen Maschine anzupassen.
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Der Nocken 56 und seine Anbringung ist in den Einzelheiten in der
Abb. 8 und 9 dargestellt. Der Nocken entspricht in seiner Ausbildung dem vorher
beschriebenen Nocken 24 mit der einzigen Ausnahme, daß er durch eine Spiralfeder
58 nach Art einer Uhrfeder in der zur Aufnahme des toten Ganges geeigneten Richtung
gedreht wird, deren eines Ende 6o in Hülse 62 gehakt ist, die entweder mit dem Nocken
56 aus einem Stück besteht oder an ihm befestigt ist. Das andere Federende 62 ist
an der Gabel gesichert. Der Vorteil der Spiralfeder besteht darin, daß man mit einem
Nocken bestimmter Größe einen größeren Bereich für den Ausgleich hat. Bei dieser
Bauart ist ein Stift 64 als Anschlag am Nocken vorgesehen, um zu verhindern, daß
sich die Feder vollkommen aufwinden kann, falls das Ventil offensteht.
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Wesentlich bei der Bauart der Abb. 7 ist die Schrägstellung des Stößels
in bezug auf den Ventilschaft. Mit anderen Worten: ebenso auch wie bei den Ausführungen
nach Abb. i bis 4 müssen hier der den Nocken tragende Teil und der Teil, gegen den
der Nocken wirkt, einander schneidende Bewegungsbahnen haben, so daß ein Gleiten
zwischen dem Nocken und dem Teil, mit dem er in Berührung steht, stattfindet. Dieses
Gleiten ist wesentlich, um ein Rückdrehen des Nokkens zu bewirken. Bei V-förmigen
Maschinen und bei Maschinen mit L-förmigem Kopf kann das Schneiden der Bewegungsbahnen
des Nockens und des von ihm betätigten Teils durch Verwendung von Schwinghebeln
bewirkt werden. Derartige Bauarten sind in den Abb. io bis 12 dargestellt. In Abb.
io sind die Nocken 24 in den oberen Enden von Schwinghebeln 66 angebracht, deren
untere Enden durch die Nocken der Steuerwelle betätigt werden. Die Nocken 24 greifen
an den Enden der Ventilschäfte, wie dargestellt, an, oder es können auch, falls
dies vorgezogen wird, Stößel zwischen den Nocken und den Ventilschäften vorgesehen
sein.
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In den Abb. i i und 12 ist eine ähnliche Anordnung an Maschinen mit
L-förmigem Kopf dargestellt. Bei diesen betätigt der Nocken auf der Steuerwelle
Schwinghebel 68, welche ihrerseits die Ventile 12 in bekannter Weise steuern. In
Abb. i i ist der Nocken 24 am Ende des Schwinghebels befestigt und arbeitet unmittelbar
auf das Ende des Ventilschaftes. In Abb. 12 steht der Nocken mit dem Ende des Stößels
70 in Berührung, der durch die Steuerwelle betätigt wird. Die Ausführungsform
nach Abb. 12 ist der in Abb. i i gegenüber insofern unterschiedlich, als eine gegebene
Größe für die Rückdrehung des Nockens - infolge des kürzeren Hebelarmes einen größeren
toten Gang bewirkt, ebenso wie es bei der Ausführung nach Abb. 5 der Fall war.
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In den Abb. 13 und 14 ist eine andere Ausführungsform des Nockens
dargestellt, , bei der der Nocken aus einem Segment besteht. Dieses Segment hat
die Form eines Schuhes 74, wie im einzelnen in Abb. t4 gezeigt ist. Der Schuh ist
auf einem Lager 76 am Ende des Schwinghebels angebracht. Eine Torsionsfeder 78 schwingt
den Nocken in solcher Richtung, daß der tote Gang ausgeglichen wird. Die Spiralfeder
78 dient gleichzeitig dazu, den Schuh 74 in Anlage am Lager 76 zu halten. Diese
Bauart besitzt nur einen geringen Einstellbereich.
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Als geeignet haben sich Neigungen der Nocken von 3 bis 5° erwiesen.
Für praktische Zwecke sollten Nocken mit Neigungen von etwa 2 bis 6° allen Erfordernissen
genügen. Dieser Bereich steht jedoch nicht fest, er schwankt vielmehr mit dem Reibungskoeffizienten
an den Berührungspunkten des Nokkens mit den Teilen, gegen die er anliegt, und am
Lager des Nockens selbst. Wesentlich für erfolgreiches Arbeiten ist, daß der
Nocken
solchen Neigungswinkel hat, daß er selbstsperrend wirkt. Mit anderen Worten: das
Drehmoment, welches von der Arbeitskraft herrührt, die am Ende des durch die Nockenexzentrizität
geschaffenen Hebelarmes angreift, muß hinreichen, um die Reibung am Nockenzapfen
zu überwinden und den Nokken zu drehen, wenn der Schub des Stößels oder Ventilschaftes
quer zur Nockenperipherie hinzukommt, darf jedoch nicht hinreichen, um allein die
Nockendrehung zu bewirken. Ebenso darf der Schub des Stößels oder des Ventilschaftes
quer zur Peripherie des Nokkens nicht ausreichen, um die Reibung am Nockenzapfen
zu überwinden und Drehung des Nockens herbeizuführen, wenn sich dem Schub ein Widerstand
durch dasDrehmoment entgegenstellt, welches durch den Betriebsdruck gebildet ist,
der an dem von der Nokkenexzentrizität gebildeten Hebelarmende wirkt. Anders gesagt,
die Bauart muß so sein, daß weder die Reibungskraft des Stößels oder des Ventilschaftes
quer zur Nockenperipherie noch das von den Betriebsdrücken herrührende Drehmoment
jedes für sich allein hinreicht, um den Nocken um seinen Zapfen zu drehen. Wirkt
jedoch der Schub in der richtigen Richtung, d. h. in derselben Richtung wie die
Kraft des Drehmomentes, so dreht sich der Nocken um seinen Zapfen.