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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bruchtrennung eines Pleuels, wobei durch ein Trennwerkzeug eine Kraft auf eine Berandung eines Auges des Pleuels ausgeübt wird. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine entsprechende Vorrichtung zur Bruchtrennung eines Pleuels. Eine gattungsgemäße Vorrichtung beschreibt die
DE 101 37 975 A1 .
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Durch das Pleuel - eine andere Bezeichnung ist Pleuelstange - werden in einem Verbrennungsmotor die linearen Bewegungen eines Kolbens eines Zylinders in die kreisförmige Bewegung der Kurbelwelle übertragen. Hierfür verfügt das Pleuel über einen Schaft, ein großes Auge - auch Pleuelfuß genannt - und ein kleines Auge - eine andere Bezeichnung ist Pleuelkopf -. Im Stand der Technik ist üblicherweise das große Auge geteilt, um die Befestigung an der Kurbelwelle zu realisieren. Die Trennung erfolgt beispielweise spanend oder durch das Erzeugen eines Bruchs - dies wird auch als „cracken“ bezeichnet -.
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Beim mechanischen Bruchtrennen des großen Pleuelauges wird beispielsweise gemäß der Patentschrift
DE 10 2007 029 663 B3 ein Keilstempel eingeführt, wobei eine Drehbewegung einer Antriebsachse langsam in die Vorwärtsbewegung des Stempels übertragen wird.
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In der
DE 101 37 975 A1 wird für die Bruchtrennung der Spreizdorn mit Schwingungen beaufschlagt.
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Im Stand der Technik erweist es sich als nachteilig, dass trotz aller Optimierungen bezüglich der Gleichmäßigkeit und der Geschwindigkeit des Trennprozesses der Prozess langsam ist. Daher erfolgen zunächst eine elastische und dann eine plastische Verformung der Bruchzone, bis es endlich zum eigentlichen Auseinanderbrechen kommt. Dadurch ergibt sich zwar ein relativ gutes Zusammenpassen der Bruchflächen, doch haben diese im Mikrobereich plastisch verformte Anteile, die beim anschließenden Zusammenfügen wieder verformt werden oder teilweise sogar abbrechen.
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Daher ist es im Stand der Technik teilweise erforderlich, das Pleuel nach dem ersten Verschrauben der Bruchstücke erneut zu lösen, um die Flächen auf unterschiedliche Arten (z. B. durch Rütteln oder Blasen) von den Mikropartikeln zu befreien. Anschließend werden die Bruchstücke erneut verschraubt.
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Zudem erfordern die Verfahren nach dem Stand der Technik spezielle Werkstoffe (z. B. C70-Stahl, also ein Stahl, der 0,70 % Kohlenstoff beinhaltet) für das Pleuel, die besonders für das Bruchtrennen geeignet sind. Daher ist es mit den Verfahren gemäß dem Stand der Technik nicht möglich, zähere bzw. höherfeste Werkstoffe (z. B. 42CrMo4-Stahl) durch einen Bruch zu trennen.
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Die Eigenschaft eines Werkstoffs, sich unter mechanischer Belastung plastisch zu verformen, wird als Duktilität bezeichnet. Je duktiler ein Material ist, desto höher ist die plastische Verformbarkeit, bis es zu einem Riss kommt. Somit lassen sich duktile Materialien (also mit einer Duktilität über einem gewissen Grenzwert) nicht für die Fertigung von Pleueln verwenden, die mit dem Verfahren gemäß dem Stand der Technik eine Bruchtrennung erfahren sollen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zur Bruchtrennung und eine entsprechende Vorrichtung zur Bruchtrennung vorzuschlagen, die die Nachteile des Standes der Technik überwinden und es insbesondere erlauben, unterschiedliche Materialien als im Stand der Technik für die zu trennenden Pleuel zu verwenden.
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Gemäß einer Lehre der Erfindung wird die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des ersten Anspruchs gelöst.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Bruchtrennung, indem bedingt durch das Einwirken einer elektromagnetischen Kraft zwei Trennteile eines Trennwerkszeugs sich innerhalb des zu trennenden Auges voneinander fort bewegen. Durch die Geometrie der zwei Trennteile und die Abstimmung auf die Geometrie des zu trennenden Auges wirkt eine mechanische Kraft auf die Berandung des Auges, wodurch es zu einem Bruch kommt.
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Durch die Verwendung einer elektromagnetischen Kraft lässt sich die eigentliche Bruchtrennung im Gegensatz zum Stand der Technik mit den dort üblichen rein mechanischen oder auch hydraulischen Systemen deutlich beschleunigen bzw. lässt sich die Zeit, in der die mechanische und den Bruch verursachende Kraft wirkt, verkürzen. Wirkt die mechanische Kraft jedoch nur eine kurze Zeitdauer auf die Berandung des Auges, so wird eine plastische Verformung der Berandung mit den damit einhergehenden Nachteilen vermieden. Die elektromagnetische Kraft ergibt sich in einer Ausgestaltung insbesondere durch sich voneinander abstoßende magnetische Felder, die zumindest teilweise durch mindestens einen elektrischen Strom erzeugt werden.
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Insgesamt ergibt sich erfindungsgemäß ein Hochgeschwindigkeits-Trennverfahren, das zur Bruchtrennung von Werkstücken wie Pleuel und dergleichen geeignet ist. Ein Vorteil ist zum einen die höhere Trenngeschwindigkeit, die plastische Verformungen vermeidet.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die elektromagnetische Kraft derartig erzeugt wird, dass eine in Folge davon auf das Auge wirkende mechanische Kraft für eine Zeitdauer kleiner oder gleich 100 Mikrosekunden auf das Auge wirkt. In einer bevorzugten Ausgestaltung wirkt die Kraft für eine Zeitdauer zwischen 30 und 50 Mikrosekunden. Alternativ wirkt die Kraft für eine Zeitdauer zwischen 35 und 50 Mikrosekunden und insbesondere nur für eine Zeitdauer, die kleiner oder ungefähr gleich 40 Mikrosekunden ist. Die wirkende mechanische Kraft ist daher insbesondere pulsartig, wobei der Übergang zwischen dem Zustand, dass keine mechanische Kraft wirkt, zu dem Zustand, in welchem die maximale mechanische Kraft wirkt, abrupt und sprunghaft erfolgt.
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Um einen solchen mechanischen Impuls, der einem kurzen starken Stoß entspricht, zu erreichen, wird gemäß einer Ausgestaltung eine pulsartige elektromagnetische Kraft erzeugt. Wirkt die elektromagnetische Kraft zwischen den Trennteilen pulsartig, so erzeugen diese durch die Bewegung voneinander weg auch eine pulsartige mechanische Kraft auf die Berandung des Auges. Dadurch werden der graduelle Kraftanstieg und die damit einhergehende plastische Verformung der Berandung des Pleuels im Bereich der Bruchstelle wie im Stand der Technik vermieden.
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Um die Bruchtrennung, bei der die erzeugte elektromagnetische Kraft in die mechanische Kraft umgewandelt wird, zu verbessern, ist in einer Ausgestaltung vorgesehen, dass die zwei Trennteile derartig in das Auge eingebracht werden, dass mindestens ein Trennteil mindestens teilweise an einer Innenseite der Berandung des Auges anliegt. In einer Ausgestaltung liegen beide Trennteile an der Innenseite der Berandung an. Bewegen sich durch die elektromagnetische Kraft die mindestens zwei Trennteile voneinander fort, so drücken sie mechanisch gegen die Berandung und führen dadurch zum Bruch.
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Um den Ort, an welchem die Berandung des Auges bricht, definiert vorzugeben, wird mindestens eine Bruchkerbe in der Innenseite der Berandung des Auges erzeugt. Dies kann durch einen Laser oder durch ein entsprechendes mechanisches Ritzwerkzeug geschehen. Die Bruchkerbe wird insbesondere erzeugt, bevor das Trennwerkzeug in Form der zwei Trennteile in das Auge eingeführt wird.
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In einer Ausgestaltung werden zwei Bruchkerben in der Innenseite der Berandung des Auges erzeugt. Die zwei Bruchkerben werden derartig erzeugt und die zwei Trennteile werden derartig in das Auge eingebracht, dass die zwei Trennteile sich entlang einer imaginären Verbindungslinie zwischen den zwei Bruchkerben einander gegenüberliegen. Durch die Anordnung der zwei Bruchkerben und der zwei Trennteile wird bewirkt, dass die zwei Trennteile jeweils gegen einen Teil der Berandung zwischen den Bruchkerben mechanisch wirken, so dass auch die Berandung an den Bruchkerben auseinanderbricht.
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Mit der Erzeugung der elektromagnetischen Kraft befasst sich genauer die folgende Ausgestaltung. Diese Ausgestaltung beinhaltet, dass für die Erzeugung der elektromagnetischen Kraft mindestens ein Spulenteil mit mindestens einem Stromsignal beaufschlagt wird. Vorzugsweise werden mindestens zwei Spulenteile mit mindestens einem Stromsignal beaufschlagt. Die Spulenteile sind vorzugsweise derartig ausgestaltet und angeordnet und werden die Spulenteile derartig mit mindestens einem Stromsignal oder mit zwei Stromsignalen beaufschlagt, dass sich voneinander abstoßende magnetische Felder ergeben. Die Spulenteile werden beispielsweise in entgegengesetzter Richtung von einem elektrischen Strom durchsetzt. Das Stromsignal ergibt sich in einer Ausgestaltung durch das Entladen eines Kondensators bzw. einer Anordnung von miteinander verbundenen Kondensatoren. Erfindungsgemäß sind die zwei Spulenteile zumindest teilweise zwischen den zwei Trennteilen angeordnet. In einer Ausgestaltung werden die beiden Spulenteile jeweils mit dem gleichen Stromsignal beaufschlagt, wobei sich durch die Ausgestaltung der beiden Spulenteile einander entgegen gerichtete Verläufe der Magnetfelder ergeben.
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Die elektromagnetische Kraft wird somit in einer Ausgestaltung durch zwei impulsförmige Magnetfelder erzeugt. Der Offenlegungsschrift
DE 10 2004 053 172 A1 lässt sich beispielweise ein ähnliches Verfahren zum Verformen von beispielsweise Rohren entnehmen.
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Die dort beschriebene elektromagnetische Puls-Technologie (EMPT) nutzt aus, dass auf stromdurchflossene Leiter in einem Magnetfeld die sogenannte Lorentzkraft wirkt. Da zudem stromdurchflossene Leiter selbst magnetische Felder erzeugen, ziehen sich zwei parallele, stromführende Leiter an, wenn die Stromflussrichtung in beiden gleich ist. Für die Verformung von Rohren werden diese in eine Spule eingebracht, die mit Wechselstrom beaufschlagt wird. Aufgrund der Lenzschen Regel erzeugt die Spule in dem - aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehenden - Rohr einen gegenläufigen Stromfluss und das Rohr erfährt eine Kraft, die zur Umformung genutzt wird. Bedingt durch die Massenträgheit ereignet sich die Umformung zeitversetzt zum Stromfluss.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Bruchtrennung wird in einer Ausgestaltung ebenfalls ein Impulsgenerator für die Erzeugung der für das magnetische Feld bzw. die Felder notwendigen Ströme verwendet.
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Gemäß einer weiteren Lehre der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Bruchtrennung eines Pleuels mit den Merkmalen des fünften Anspruchs.
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Diese Vorrichtung ist zunächst und im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass ein aus mindestens zwei Trennteilen bestehendes Trennwerkzeug vorgesehen ist. Dabei sind die zwei Trennteile relativ zueinander beweglich ausgestaltet und angeordnet. Weiterhin sind mindestens zwei Spulenteile vorgesehen. Insgesamt sind die zwei Trennteile und die zwei Spulenteile derartig ausgestaltet, aufeinander abgestimmt und relativ zueinander angeordnet, dass durch die Spulenteile miteinander in Wechselwirkung tretende Magnetfelder erzeugbar sind und dass die mit der Wechselwirkung der Magnetfelder verbundenen Kräfte zu einer relativen Bewegung zwischen den zwei Trennteilen führen.
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Das Magnetfeld wird in einer Ausgestaltung durch die Strombeaufschlagung eines Impulsgenerators innerhalb einer sehr kurzen Zeit erzeugt. Dadurch lassen sich in sehr kurzer Zeit Magnetfelder erzeugen, deren - beispielsweise einander abstoßenden - Kräfte für eine entsprechend kurze Zeit auf die Trennteile und dadurch auch auf das Pleuel wirken.
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Die Spulenteile sind erfindungsgemäß zumindest teilweise im Bereich des Auges des Pleuels zwischen den zwei Trennteilen angeordnet. In einer Variante sind die zwei Spulenteile und die zwei Trennteile derartig ausgestaltet und relativ zueinander angeordnet, dass der Abstand zwischen den zwei Spulenteilen in Abhängigkeit von dem zu erzeugenden Magnetfeld oder den jeweils zu erzeugenden Magnetfeldern so groß ist, dass die aufgrund der bei Bestehen der Magnetfelder zwischen den Spulenteilen wirkenden Kräfte so auf die Trennteile übertragen werden, dass eine mechanische Kraft erzeugt wird, die zu der Bruchtrennung des Auges des Pleuels führt. Vorzugsweise ist der Abstand zwischen den zwei Spulenteilen möglichst klein.
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In einer Ausgestaltung ist zumindest ein Spulenteil einstückig mit einem Trennteil ausgeführt.
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Die Vorrichtung dient vor allem der Umsetzung des zuvor ausgeführten Verfahrens nach mindestens einer Ausgestaltung.
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Die oben ausgeführten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden daher vorzugsweise durch entsprechende Ausführungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bruchtrennung eines Pleuels umgesetzt. Umgekehrt gelten Ausführungen zu der Vorrichtung auch für entsprechende Ausgestaltungen des Verfahrens.
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In einer Ausgestaltung der Vorrichtung ist eine Fixiervorrichtung für das Pleuel vorgesehen, mit welcher das Pleuel teilweise fest und teilweise beweglich eingespannt wird. Hierfür sind in einer Variante Halteelemente vorgesehen, die einen Teil des Pleuels festhalten und einen anderen Teil des Pleuels, bei dem es sich vorzugsweise um den kleineren Bruchteil des Auges nach der Bruchtrennung handelt, beweglich aufnehmen bzw. auffangen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur Erzeugung einer Trennbewegung, die die Trennteile des Trennwerkzeugs voneinander entfernt, indem ein elektromagnetisches Pulsverfahren eingesetzt wird. In einer Ausgestaltung wird über sehr schnell entladene Kondensatoren und über entsprechend angeordnete Spulenteile ein sehr starkes elektromagnetisches Feld erzeugt, welches zu einer blitzartigen Auseinanderbewegung der Trennteile als Spreizwerkzeuge führt.
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Da die Bruchtrennung durch einen Impuls mit einer sehr kleinen Zeitdauer kleiner oder gleich 100 Mikrosekunden - vorzugsweise zwischen 30 und 50 Mikrosekunden, alternativ zwischen 35 und 50 Mikrosekunden und bevorzugt weniger als oder gleich 40 Mikrosekunden - stattfindet, kann auf eine größere Auswahl von Stahl-Sorten für die Ausgestaltung des Pleuels zurückgegriffen werden.
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Daher sieht eine Ausgestaltung vor, dass mindestens die Berandung um das Auge des Pleuels herum zumindest teilweise aus einem duktilen Material besteht. Duktil bedeutet dabei, dass die Duktilität über einem Grenzwert liegt, der die Anwendung der Verfahren zur Bruchtrennung gemäß dem Stand der Technik nicht realisierbar macht. Bei dem für das Pleuel verwendeten Material handelt es sich beispielsweise um 42CrMo4-Stahl oder allgemein um einen Stahl, der die entsprechende Duktilität oder sogar einen höheren Wert aufweist.
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Die erfindungsgemäß durch Bruch getrennten Pleuel bestehen aus höherfesten und zäheren Werkstoffen als sie für die Bruchtrennung im Stand der Technik geeignet sind.
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Im Einzelnen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen auf die folgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. Dabei zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines Schritts des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
- 2 ein Detail der 1 mit einem vergrößerten Ausschnitt.
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In der 1 ist vom erfindungsgemäßen Verfahren ein früher Schritt mit dem noch nicht getrennten Pleuel 1 gezeigt. Die 2 stellt das Pleuel 1 und die Komponenten innerhalb des großen Auges 2 dar, wobei in der 2a der in der 2 umkreiste Bereich vergrößert dargestellt ist. Für die folgende Beschreibung wird auf beide Abbildungen verwiesen.
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In der Innenseite der Berandung 3 des Auges 2 sind zwei Bruchkerben 4 eingefügt, die sich diametral gegenüberliegen. Eine der Bruchkerben 4 ist in der 2 a) vergrößert dargestellt. Die Erzeugung der Bruchkerben 4 erfolgt hier, bevor das Pleuel 1 in einer - hier teilweise dargestellten - Halteanordnung 9 fixiert wird.
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Entlang der imaginären Verbindungslinie 5 zwischen den zwei Bruchkerben 4 liegen sich auch die zwei Trennteile 6 gegenüber, die zusammen das Trennwerkzeug 7 bilden. Die zwei zumindest näherungsweise als Kreishälften ausgestalteten Trennteile 6 liegen jeweils mit ihren abgerundeten Abschnitten an der Innenseite der Berandung 3 an.
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Zwischen den zwei Trennteilen 6 und jeweils an einem Trennteil 6 anliegend befinden sich zwei Spulenteile 8 in Form von Stromleitern, die in der dargestellten Ausgestaltung insbesondere innerhalb des Auges 2 im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Die zwei Spulenteile 8 erzeugen in Folge einer Beaufschlagung mit einem Stromsignal Magnetfelder.
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In einer Ausgestaltung sind die zwei Spulenteile 8 außerhalb des Auges 2 durch einen Bogen miteinander verbunden, so dass ein elektrisches Stromsignal ein Spulenteil 8 in einer Richtung durchfließt, außerhalb des Auges 2 um 180° umgelenkt wird und dann das andere Spulenteil 8 in entgegengesetzter Richtung durchfließt.
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Die Spulenteile 8 sind derartig ausgestaltet, dass sie zumindest teilweise elektrisch leitfähig sind bzw. dass sich infolge einer Beaufschlagung mit einem elektrischen Stromsignal ein magnetisches Feld insbesondere um sie herum ergibt. Die Trennteile 6 sind bei der dargestellten Ausgestaltung derartig ausgeführt, dass die Magnetfelder keine oder nur zu vernachlässigbare Auswirkungen auf sie haben. Die Trennteile 6 bestehen dabei zumindest teilweise aus einem Verbundwerkstoff oder aus einer Keramik.
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Bei Beaufschlagung der Spulenteile 8 mit einem Stromsignal (alternativ werden zwei Stromsignale verwendet, die entsprechend koordiniert erzeugt werden) erzeugen die Spulenteile 8 magnetische Felder. Da in der gezeigten Ausgestaltung die Stromflussrichtung in beiden Spulenteilen 8 in entgegengesetzter Richtung verläuft, stoßen sich die Magnetfelder voneinander ab. Die damit einhergehende Kraft bzw. die Bewegungen übertragen sich über die beiden Trennteile 6 auf die Berandung 3 des Auges 2.
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Wird der elektrische Strom insbesondere nur als kurzer Puls mit gleichsam vernachlässigbarer Anstiegsdauer erzeugt, so bewegen sich auch die Trennteile 6 innerhalb eines sehr kurzen Moments voneinander weg. Dadurch wirkt auf die Berandung 3 nur kurzzeitig eine entsprechend hohe mechanische Kraft, die zu einem Bruch führt, ohne dass vorher in der Berandung 3 eine plastische Verformung erzeugt wird. Der Bruch im Bereich der Bruchkerben 4 ereignet sich daher so schnell, dass die Phase der Verformung des Materials des Pleuels 1 übersprungen wird. Die Dauer, in der die mechanische Kraft ihren vollen Wert erreicht hat, liegt dabei in einer Ausgestaltung unter 40 Mikrosekunden.
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Die Spulenteile 8 liegen sich innerhalb des Auges 2 insbesondere großflächig einander gegenüber. Vorzugsweise sind die Spulenteile 8 derartig ausgestaltet, dass die jeweils erzeugten Magnetfelder sich maximal voneinander abstoßen.
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Die Halteanordnung 9 der 1 dient dazu, um die Bewegungen der Trennteile 7 nach der Bruchtrennung aufzunehmen und über die Federn abzufangen bzw. um den Weg der Trennteile 7 und damit auch der Spulenteile 8 zu begrenzen. Dabei ist vorzugsweise eine - hier nicht dargestellte - Aufnahmevorrichtung für das kleinere Bruchstück des Pleuls 1 vorgesehen. Das Pleuel 1 wird während des Bruchtrennens zudem über ein - hier nicht dargestelltes - Trägerelement, das durch das kleine Auge geführt ist, gehalten. In der dargestellten Variante sind beide Elemente der Halteanordnung 9 gefedert gelagert. In einer Ausgestaltung ist nur ein Element mit Federn verbunden.
