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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kolben für einen Verbrennungsmotor.
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Die
japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2011-132809 (im Folgenden als Patentdokument 1 bezeichnet) offenbart einen früher vorgeschlagenen Kolben für einen Verbrennungsmotor.
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Bei dieser Technik ist der Kolben einstückig aus einer Aluminiumlegierung ausgebildet. Dieser Kolben weist ein Paar von druckseitigen und gegendruckseitigen Schaftbereichen, ein Paar von Schürzenbereichen und einen Bodenbereich auf, in dem eine Brennkammer definiert ist. Das Paar der druckseitigen und gegendruckseitigen Schaftbereiche ist einstückig mit dem Bodenbereich ausgebildet. Jeder des Paars der schubseitigen und gegenschubseitigen Schaftbereiche gleitet auf einer Oberfläche einer Zylinderwand und ist in einer Bogenform im Querschnitt ausgebildet. Das Paar der Schürzenbereiche ist jeweils mit beidseitigen Umfangsenden des Paars der Schaftbereiche verbunden und weist Bolzenaugenbereiche auf. Ein konkaver Bereich ist im Innern eines oberen Endbereichs des Schürzenbereichs ausgebildet und darüber hinaus ist ein Einschnürungsbereich (taillierter Bereich) an einem unteren Bereich des konkaven Bereichs vorgesehen. Durch diesen Einschnürungsbereich reduziert sich eine Steifigkeit von zumindest einem bodenbereichsseitigen Teil des Schaftbereichs zum Zweck einer Unterdrückung eines intensiven Kontakts zwischen der Zylinderwand und dem bodenbereichsseitigen Teil des Schaftbereichs, um eine Reibung zu verringern.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Bei der vom Patentdokument 1 offenbarten Technik wird jedoch ein Abstand zwischen den gegenüberliegenden Schürzenbereichen größer, wenn sich eine Position vom Einschnürungsbereich in eine obere Richtung des Schaftbereichs verschiebt, da der Einschnürungsbereich am Schürzenbereich vorgesehen ist. Daher wird ein Basisendbereich des Schürzenbereichs, der in der Nähe einer Rückseite des Bodenbereichs liegt, nicht ausreichend in der Dicke (dem Volumen) reduziert, obwohl die Steifigkeit des bodenbereichsseitigen Teils des Schaftbereichs verringert werden kann. Demzufolge besteht ein Risiko, dass ein Gewicht des Kolbens nicht hinreichend verringert werden kann.
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Da das Volumen des Basisendbereichs des Schürzenbereichs außerdem relativ groß ist, wird eine Reduzierung der Steifigkeit einer (bodenbereichsseitigen) Verbindungsstelle zwischen dem Schürzenbereich und dem Schaftbereich verhindert, sodass sich ein Kontaktflächendruck des Schaftbereichs gegen die Zylinderwand in der Nähe des Bodenbereichs nicht hinreichend verringert. Demzufolge wird die Reibung zwischen der Zylinderwandfläche und dem Schaftbereich nicht hinreichend reduziert.
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Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kolben für einen Verbrennungsmotor bereitzustellen, der zum Reduzieren der Reibung zusätzlich zur Gewichtsreduzierung des Kolbens entwickelt wurde. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1. Die Unteransprüche offenbaren bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kolben für einen Verbrennungsmotor bereitgestellt, umfassend: einen Bodenbereich mit einer Bodenfläche, auf der ein Brennraum ausgebildet ist; ein Paar von druckseitigen und gegendruckseitigen Schaftbereichen, von denen jeder einstückig mit einem Rückflächenseitenbereich des Bodenbereichs ausgebildet ist und in einer Bogenform im Querschnitt ausgebildet ist, wobei die druckseitigen und gegendruckseitigen Schaftbereiche zum Gleiten auf einer Wandfläche eines Zylinders konfiguriert sind; und ein Paar von Schürzenbereichen, die beide Umfangsenden des druckseitigen Schaftbereichs mit beidseitigen Umfangsenden des gegendruckseitigen Schaftbereichs verbinden, wobei das Paar der Schürzenbereiche jeweils eine obere Stirnwand, die mit dem Rückflächenseitenbereich des Bodenbereichs verbunden ist und einen Bolzenaugenbereich umfasst, der einen Endbereich eines Kolbenbolzens abstützt, wobei der Rückflächenseitenbereich des Bodenbereichs mit einem hohlen Bereich ausgebildet ist, der sich längs einer Außenfläche der oberen Stirnwand erstreckt, die obere Stirnwand eines jeden Paars der Schürzenbereiche einen Kröpfungsbereich zwischen einer Außenfläche des Bolzenaugenbereichs und einem der beidseitigen Umfangsenden der druckseitigen und gegendruckseitigen Schaftbereiche umfasst, und der Kröpfungsbereich sich stufenweise von der Außenfläche des Bolzenaugenbereichs zu einem der beidseitigen Umfangsenden der druckseitigen und gegendruckseitigen Schaftbereiche abwinkelt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kolben für einen Verbrennungsmotor bereitgestellt, umfassend: einen Bodenbereich mit einer Bodenfläche, auf der ein Brennraum ausgebildet ist; ein Paar von druckseitigen und gegendruckseitigen Schaftbereichen, von denen jeder einstückig mit einem Rückflächenseitenbereich des Bodenbereichs ausgebildet ist und in einer Bogenform im Querschnitt ausgebildet ist, wobei die druckseitigen und gegendruckseitigen Schaftbereiche zum Gleiten auf einer Wandfläche eines Zylinders konfiguriert sind; und ein Paar von Schürzenbereichen, die einstückig mit dem Rückflächenseitenbereich des Bodenbereichs ausgebildet sind und mit beidseitigen Umfangsbereichen der druckseitigen und gegendruckseitigen Schaftbereiche verbunden sind wobei das Paar der Schürzenbereiche jeweils einen Bolzenaugenbereich umfasst, wobei der Rückflächenseitenbereich mit oberen Stirnwänden des Paars von Schürzenbereichen mit einem ersten konkaven Bereich ausgebildet ist, der zu einer Außenfläche der oberen Stirnwand freiliegt, die obere Stirnwand eines jeden Paars der Schürzenbereiche im Innern des ersten konkaven Bereichs angeordnet ist und erste Neigungsbereiche, die sich von beiden Seitenflächen des Bolzenaugenbereichs längs einer Linie senkrecht zu einer Achse der Bolzenaugenbereichen erstrecken, und sich von einer unteren Stirnwand des entsprechenden Schürzenbereichs in eine axial obere Richtung des Kolbens erstrecken, um sich in eine radial innere Richtung des Kolbens zu neigen, zweite Neigungsbereiche, die mit den Umfangsenden der druckseitigen und gegendruckseitigen Schaftbereiche verbunden sind und sich von der unteren Stirnwand in die axial obere Richtung des Kolbens erstrecken, um sich in eine radial äußere Richtung des Kolbens zu neigen und Verbindungsbereiche umfasst, welche die ersten Neigungsbereiche mit den zweiten Neigungsbereichen verbinden, wobei eine Außenfläche des Bolzenaugenbereichs mit einer Außenfläche des ersten Neigungsbereichs und einer Außenfläche des Verbindungsbereichs zusammenwirkt, um einen zweiten konkaven Bereich zu bilden, der zum ersten konkaven Bereich freiliegt.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Darin zeigt:
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1 eine Vorderansicht eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor in einem ersten Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2 eine Querschnittsansicht von 1 längs einer Linie A-A;
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3 eine vertikale Schnittansicht von 1 längs einer Linie B-B;
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4 eine schräge perspektivische Ansicht des Kolbens im ersten Ausführungsbeispiel von einer Bodenseite des Kolbens gesehen;
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5 eine schräge perspektivische Ansicht des Kolbens von einer Bodenbereichsseite des Kolbens gesehen;
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6 eine schräge perspektivische Ansicht des Kolbens im Zustand, bei dem ein Teil Bodenbereichsseite des Kolbens imaginär geschnitten ist;
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7 eine schräge perspektivische Ansicht des Kolbens von einer Schaftbereichsseite des Kolbens gesehen (in Seitenrichtung des Kolbens gesehen) im Zustand, bei dem ein Teil der Bodenbereichsseite des Kolbens imaginär geschnitten ist;
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8 eine vertikale Schnittansicht von 2, längs einer Linie C-C;
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9 eine vertikale Schnittansicht von 2 längs einer Linie D-D;
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10 eine grafische Darstellung, die ein Massenverhältnis zwischen dem Kolben des ersten Ausführungsbeispiels und einem Kolben früherer Technik veranschaulicht, und einen Vergleich zwischen dem Kolben des ersten Ausführungsbeispiels und dem Kolben der früheren Technik in einem Verformungsbetrag eines oberen Endbereichs des Schürzenabschnitts veranschaulicht, der durch eine numerische Analyse unter einem identischen Lastzustand berechnet wurde; und
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11 eine grafische Darstellung, die einen Reibungsverlust des Kolbens des ersten Ausführungsbeispiels sowie des Kolbens der früheren Technik veranschaulicht, der durch eine numerische Analyse berechnet wurde.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. In den nachfolgenden Ausführungsbeispielen wird der Kolben in einem Reihen-Vierzylinder-Benzinmotor verwendet, der zwei Einlassventile und zwei Auslassventile pro Zylinder umfasst.
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[Erstes Ausführungsbeispiel]
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Der Kolben 1 ist in einem Zylinder vorgesehen, der in einem Zylinderblock (nicht dargestellt) ausgebildet ist. Der Zylinder ist in einer im Wesentlichen kreisförmigen Säulenform ausgebildet. Der Kolben 1 ist auf einer Wandfläche des Zylinders verschiebbar und bildet dadurch eine Brennkammer zwischen einem Zylinderkopf und der Wandfläche des Zylinders. Der Kolben 1 ist mit einer Kurbelwelle durch einen Pleuel (eine Verbindungsstange) verbunden, das mit einem Kolbenbolzen verbunden ist.
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Der ganze Kolben ist einstückig aus einer Al-Si-Aluminiumlegierung der Serie AC8A (JIS: Japanische Industrie Standards) gegossen. Wie in 1, 4 und 5 dargestellt, ist der ganze Kolben 1 in etwa in einer kreiszylindrischen Form ausgebildet. Der Kolben 1 umfasst einen Bodenbereich 2, ein Paar eines druckseitigen Schaftbereichs 3 und eines gegendruckseitigen Schaftbereichs 4, und ein Paar von Schürzenbereichen 5 und 6. Der Bodenbereich 2 umfasst eine Bodenfläche 2a, auf welcher der Brennraum definiert ist. Das Paar des druckseitigen Schaftbereichs 3 und des gegendruckseitigen Schaftbereichs 4 ist auf einem Außenumfangsrand eines unteren Endes des Bodenbereichs 2 einstückig vorgesehen (d. h. damit einstückig ausgebildet). Jeder des Paars des druckseitigen Schaftbereichs 3 und des gegendruckseitigen Schaftbereichs 4 ist in einer Kreisbogenform im Querschnitt ausgebildet. Das Paar der Schürzenbereiche 5 und 6 ist jeweils mit beidseitigen Umfangsenden 3d, 3e, 4d, 4e des Paars der Schaftbereiche 3 und 4 verbunden.
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Der Bodenbereich 2 ist relativ dick und in einer Scheibenform ausgebildet. Ventilausnehmungen 7a, 7b, 8a, 8b sind in der Bodenfläche 2a des Bodenbereichs 2 ausgebildet. Jede der Ventilausnehmungen 7a, 7b, 8a, 8b dient zum Verhindern einer störenden Beeinträchtigung mit dem Einlass- oder Auslassventil. Drei Ringnuten 9a, 9b, 9c sind in einem Außenumfangsbereich des Bodenbereichs 2 ausgebildet. Die drei Ringnuten 9a, 9b, 9c halten drei Kolbenringe, wie z. B. einen Druckring und einen Ölring.
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Wie in 1 und 4 dargestellt, sind die beiden Schaftbereiche 3 und 4 in Bezug auf eine Achse P (einer Mittellinie parallel zu einer Kolbenbewegungsrichtung) des Kolbens 1 links-rechts-symmetrisch bzw. achsensymmetrisch und sind im Querschnitt wie ein Bogen geformt. Mit anderen Worten sind die beiden Schaftbereiche 3 und 4 in radialer Richtung des Kolbens 1 einander gegenüberliegend ausgebildet. Fast die beiden gesamten Schaftbereiche 3 und 4 sind relativ dünn ausgebildet. Wenn sich der Kolben zum Zeitpunkt des Expansionshubs und dergleichen zu seinem unteren Totpunkt bewegt, neigt sich der druckseitige Schaftbereich 3 zur Zylinderwandfläche, um in Bezug zu einem Winkel des Pleuels in Druckkontakt mit der Zylinderwandfläche zu kommen. Wenn der Kolben 1 andererseits zum Zeitpunkt des Kompressionshubs und dergleichen aufsteigt, neigt sich der gegendruckseitige Schaftbereich 4 zur Zylinderwandfläche, um in einer Gegenrichtung in Druckkontakt mit der Zylinderwandfläche zu kommen. Eine Belastung dieses Druckkontakts des druckseitigen Schaftbereichs 3 gegen die Zylinderwandfläche ist größer als jene des gegendruckseitigen Schaftbereichs 4 gegen die Zylinderwandfläche, da der druckseitige Schaftbereich 3 durch das Aufnehmen eines Verbrennungsdrucks gegen die Zylinderwandfläche drückt.
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Jeder der Schaftbereiche 3 und 4 umfasst einen zum Bodenbereich 2 angeordneten oberen Endbereich 3a, 4a und einen unteren Endbereich 3b, 4b. Wie in 4, 6 und 7 dargestellt, ist jeder der Schaftbereiche 3 und 4 so ausgebildet, dass ein Radius des Schaftbereichs 3, 4 (d. h. ein Abstand zur Kolbenachse) gegenüber einem Bereich von oberen Endbereich 3a, 4a zum unteren Endbereich 3b, 4b geringfügig vergrößert ist. Das heißt, die Schaftbereiche 3 und 4 sind etwas geneigt, um eine umgekehrte V-Form in einem Vertikalschnitt (parallel zur Kolbenbewegungsrichtung) zu bilden. Eine Unterkante 3c, 4c von jedem der Schaftbereiche 3 und 4 ist in einer im Wesentlichen horizontalen Richtung (senkrecht zur Kolbenbewegungsrichtung) abgeschnitten ausgebildet.
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Wie in 1, 4, 8 und 9 dargestellt, ist eine obere Stirnwand 5a, 6a von jedem der Schürzenbereiche 5 und 6 mit einem unteren Endbereich 2b des Bodenbereichs 2 einstückig kombiniert (einstückig ausgebildet). Der ganze Schürzenbereich 5, 6 ist mit Ausnahme eines Teils der oberen Stirnwand 5a, 6a mit einem Krümmungsradius gekrümmt, der größer als jener des Schaftbereichs 3, 4 ist, um sich geringfügig nach außen zu wölben. Auf die gleiche Weise wie der Schaftbereich 3, 4 ist darüber hinaus der Schürzenbereich 5, 6 so ausgebildet, dass sich ein Radius (Durchmesser) des Schürzenbereichs 5, 6 über einen Bereich von der oberen Stirnwand 5a, 6a zu einem unteren Endbereich 5b, 6b des Schürzenbereichs 5, 6 längs der Axialrichtung des Kolbens 1 nach und nach vergrößert. Das heißt die Schürzenbereiche 5 und 6 sind geneigt, um in einem Vertikalschnitt eine umgekehrte V-Form zu bilden.
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Ein erster Gewichtsreduzierungsbereich bzw. Erleichterungsbereich (hohler Bereich) 14a ist auf einer Rückseite des Bodenbereichs 2 an einem kombinierten Bereich zwischen dem unteren Endbereich 2b und der oberen Stirnwand 5a des Schürzenbereichs 5 ausgebildet. Der erste Erleichterungsbereich 14a ist längs einer Außenfläche der oeren Stirnwand 5a des Schürzenbereichs 5 ausgebildet. Gleichermaßen ist ein erster Gewichtsreduzierungsbereich bzw. Erleichterungsbereich (hohler Bereich) 14b auf der Rückseite des Bodenbereichs 2 an einem kombinierten Bereich zwischen dem unteren Endbereich 2b und der oberen Stirnwand 6a des Schürzenbereichs 6 ausgebildet. Der erste Erleichterungsbereich 14b ist längs einer Außenfläche der oberen Stirnwand 6a ausgebildet. Jeder der ersten Erleichterungsbereiche 14a und 14b ist eine erste Ausnehmung (ein konkaver Bereich) und ist im Wesentlichen in einer Kreisbogenform im Querschnitt ausgebildet.
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Der Schürzenbereich 5 umfasst im Wesentlichen an einer Mitte des Schürzenbereichs 5 in Bezug auf eine Umfangsrichtung des Schürzenbereichs 5 einen Bolzenaugenbereich 10. Gleichermaßen umfasst der Schürzenbereich 6 im Wesentlichen an einer Mitte des Schürzenbereichs 6 in Bezug auf eine Umfangsrichtung des Schürzenbereichs 6 einen Bolzenaugenbereich 11. Jeder der Bolzenaugenbereiche 10 und 11 ist in einer Rundrohrform ausgebildet. Das Paar der Bolzenaugenbereiche 10 und 11 stützt beide Endbereiche des Kolbenbolzens durch Bolzenlöcher 10a, 11a ab.
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Wie in 2, 6 und 7 dargestellt, umfasst der Schürzenbereich 5 Kröpfungsbereiche 12, und der Schürzenbereich 6 umfasst gleichermaßen Kröpfungsbereiche 13. Jeder Kröpfungsbereich 12, 13 ist durch Abwinkeln eines Teils der oberen Stirnwand 5a, 6a in einer Kurbel- bzw. Absatzform hergestellt.
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Wie insbesondere in 2 dargestellt, sind die Kröpfungsbereiche 12 in Bezug auf eine Achse P1 der beiden Bolzenaugenbereiche 10 und 11 symmetrisch vorgesehen. Das heißt, die beiden Kröpfungsbereiche 12 bilden in der Axialrichtung des Kolbens 1 gesehen eine Links-rechts-Symmetrie bzw. Achsensymmetrie in Bezug auf die Achse P1. Die Kröpfungsbereiche 13 sind in Bezug auf die Achse P1 der beiden Bolzenaugenbereiche 10 und 11 gleichermaßen symmetrisch vorgesehen. Das heißt, die beiden Kröpfungsbereiche bilden in Axialrichtung des Kolbens 1 eine Achsensymmetrie in Bezug auf die Achse P1. Darüber hinaus sind, wie in 2 dargestellt, die Kröpfungsbereiche 12 und die Kröpfungsbereiche 13 Bezug auf eine Schnittlinie P2 symmetrisch, die senkrecht zur Achse P1 der beiden Bolzenaugenbereiche 10 und 11 verläuft. Das heißt, die beiden Kröpfungsbereiche 12 und die beiden Kröpfungsbereiche 13 bilden in Axialrichtung des Kolbens 1 gesehen eine Achsensymmetrie in Bezug auf die Schnittlinie P2. Die beiden Kröpfungsbereiche 12 sind über einen Bereich von beiden Rändern einer oberen Wand 10b des Bolzenaugenbereichs 10 zu beiden Enden 3d und 4d der Schaftbereiche 3 und 4 ausgebildet. In diesem Bereich ist jeder der Kröpfungsbereiche 12 in einer stufenartig erweiterten Kurbelform abgewinkelt (d. h., sodass sich ein Innenraum des Kolbens 1 vergrößert). Die beiden Kröpfungsbereiche 13 sind gleichermaßen über einen Bereich von beiden Rändern einer oberen Wand 11b des Bolzenaugenbereichs 11 zu beiden Enden 3e und 4e der Schaftbereiche 3 und 4 ausgebildet. In diesem Bereich ist jeder der Kröpfungsbereiche 13 in einer stufenartig erweiterten Kurbelform abgewinkelt.
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Jeder der Kröpfungsbereiche 12 umfasst einen Basisendbereich 12a, der ein erster Neigungsbereich ist; einen Spitzenbereich 12b, der ein zweiter Neigungsbereich ist; und einen Verbindungsbereich 12c. Die Enden der einen Seite der Basisendbereiche 12a sind jeweils mit beiden Oberflächen der oberen Wand 10b des Bolzenaugenbereichs 10 verbunden (einstückig ausgebildet). Die Enden der einen Seite der Spitzenbereiche 12b sind jeweils mit den Enden 3d und 4d der Schaftbereiche 3 und 4 verbunden (einstückig ausgebildet). Der Verbindungsbereich 12c ist zwischen dem Basisendbereich 12a und dem Spitzenbereich 12b vorgesehen und verbindet das Ende der anderen Seite des Basisendbereichs 12a mit dem Ende der anderen Seite des Spitzenbereichs 12b. Jeder der Kröpfungsbereiche 13 umfasst gleichermaßen einen Basisendbereich 13a, welcher der erste Neigungsbereich ist; einen Spitzenbereich 13b, welcher der zweite Neigungsbereich ist; und einen Verbindungsbereich 13c. Die Enden der einen Seite des Basisendbereichs 13a sind jeweils mit beiden Oberflächen der oberen Wand 11b des Bolzenaugenbereichs 11 verbunden (einstückig ausgebildet). Die Enden der einen Seite der Spitzenbereiche 13b sind jeweils mit den Enden 3e und 4e der Schaftbereiche 3 und 4 verbunden (einstückig ausgebildet). Der Verbindungsbereich 13c verbindet das Ende der anderen Seite des Basisendbereichs 13a mit dem Ende der anderen Seite des Spitzenbereichs 13b.
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Wie in 6 dargestellt, erstreckt sich jeder Kröpfungsbereich 12, 13 von einer Unterseite des Bodenbereichs 2 in Bezug auf die Axialrichtung des Kolbens 1 in geneigter Weise zu einer geringfügig niedrigeren Position als eine Mitte des Schürzenbereichs 5, 6. Eine untere Endkante 12d, 13d des Kröpfungsbereichs 12, 13 ist kontinuierlich mit einem oberen Rand des unteren Endbereichs 5b, 6b verbunden (nahtlos verbunden). Daraus ergibt sich eine Länge des Kröpfungsbereichs 12, 13 in Bezug auf die Axialrichtung des Kolbens 1.
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Wie in 2 dargestellt, erstreckt sich jeder Basisendbereich 12a, 13a im Wesentlichen senkrecht zur Achse P1 der beiden Bolzenaugenbereiche 10 und 11 an einer radial inneren Seite des Kolbens 1 über den ersten Erleichterungsbereich 14a, 14b. Darüber hinaus ist der Basisendbereich 12a, 13a, wie in 8 dargestellt, an einer Position ausgebildet, die in einer radialen Innenrichtung des Kolbens 1 weiter vorgerückt ist, wenn die Position sich einem obersten Bereich des Basisendbereichs 12a, 13a annähert (d. h. der Bodenfläche 2a annähert). Das heißt, der Basisendbereich 12a, 13a erstreckt sich vom oberen Rand des unteren Endbereichs 5b, 6b in axialer Aufwärtsrichtung des Kolbens 1 geringfügig geneigt oder gebogen in die radiale Innenrichtung des Kolbens 1.
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Der Spitzenbereich 12b, 13b ist an einer radial äußeren Seite über dem Basisendbereich 12a, 13a angeordnet. Der Spitzenbereich 12b, 13b erstreckt sich im Wesentlichen senkrecht zur Achse P1. Darüber hinaus ist der Spitzenbereich 12b, 13b, wie in 9 dargestellt, an einer Position ausgebildet, die in einer radial äußeren Richtung des Kolbens 1 weiter vorgerückt ist, wenn die Position sich einem obersten Bereich 12b, 13b annähert (d. h. der Bodenfläche 2a annähert). Das heißt, der Spitzenbereich 12b, 13b erstreckt sich vom oberen Rand des unteren Endbereichs 5b, 6b in axialer Aufwärtsrichtung des Kolbens 1 über einen Bereich vom Ende der einen Seite des Spitzenbereichs 12b, 13b zum Ende der anderen Seite des Spitzenbereichs 12b, 13b geringfügig geneigt oder gebogen in die radial äußere Richtung des Kolbens 1.
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Jeder Verbindungsbereich 12c, 13c umfasst ein Ende der einen Seite, das mit dem Ende der anderen Seite des Basisendbereichs 12a, 13a verbunden ist, und ein Ende der anderen Seite, das mit dem Ende der anderen Seite des Spitzenbereichs 12b, 13b verbunden ist. Der Verbindungsbereich 12c, 13c erstreckt sich vom Ende der einen Seite zum Ende der anderen Seite davon in die radial äußere Richtung des Kolbens 1. Der Verbindungsbereich 12c, 13c erstreckt oder neigt sich in Bezug auf die Achse P1 der beiden Bolzenaugenbereiche 10 und 11 über ein Bereich vom Ende der einen Seite zum Ende der anderen Seite des Verbindungsbereichs 12c, 13c nach außen. Mit anderen Worten wird ein Abstand zwischen der Achse P1 und dem Verbindungsbereich 12c, 13c vom Ende der einen Seite des Verbindungsbereichs 12c, 13c zum Ende der anderen Seite des Verbindungsbereichs 12c, 13c nach und nach größer.
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Da jeder Kröpfungsbereich 12, 13 in einer stufenartigen Kurbelform abgewinkelt ist, sind vier zweite Erleichterungsbereiche (hohle Bereiche) 15a, 15b, 15c und 15d, wie in 2 und 8 dargestellt, auf radial äußeren Flächen der Basisendbereiche 12a, 13a ausgebildet. Jeder der zweiten Erleichterungsbereiche 15a–15d ist eine zweite Ausnehmung (ein konkaver Bereich) und liegt zum ersten Erleichterungsbereich 14a, 14b frei (d. h. ist zu diesem offen).
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Jeder der zweiten Erleichterungsbereiche 15a–15d ist von den radial äueren Flächen des Basisendbereichs 12a, 13a, dem Verbindungsbereich 12c, 13c und einer Seitenfläche des Bolzenaugenbereichs 10, 11 umgeben (definiert). Dadurch ist jeder der zweiten Erleichterungsbereiche 15a–15d in einer im Wesentlichen rechteckigen Form im Querschnitt ausgebildet. Darüber hinaus wird, wie in 8 dargestellt, eine Querschnittsfläche von jedem der zweiten Erleichterungsbereiche 15a–15d von dessen oberer Stirnseite zu dessen unterem Ende längs der geneigten Form des Basisendbereichs 12a, 13a nach und nach kleiner.
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Wie in 2 dargestellt, weist eine Verbindungsstelle zwischen dem Basisendbereich 12a, 13a und dem Verbindungsbereich 12c, 13c eine abgeschrägte Außenfläche auf, die in einer Bogenform im Querschnitt ausgebildet ist. In gleicher Weise weit eine Verbindungsstelle zwischen dem Verbindungsbereich 12c, 13c und dem Spitzenbereich 12b, 13b eine abgeschrägte Außenfläche auf, die in einer Bogenform im Querschnitt ausgebildet ist.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Dicke des Basisendbereichs 12a, 13b ungefähr gleichgroß wie eine Dicke des Verbindungsbereichs 12c, 13c. Eine Dicke des Spitzenbereichs 12b, 13b ist geringer als jene des Basisbereichs 12a, 13a und des Verbindungsbereichs 12c, 13c.
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[Funktionen und Wirkungen gemäß den Ausführungsbeispielen]
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Da gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein Teil der oberen Stirnwand 5a, 6a des Schürzenbereichs 5, 6 wie der in der Kurbelform abgewinkelte Kröpfungsbereich ausgebildet ist, sind die zweiten Erleichterungsbereiche 15a–15d in den auf den Basisendbereichen 12a, 13a vorgegebenen konkaven Formen zusätzlich zu den ersten Erleichterungsbereichen 14a, 14b ausgebildet. Daher kann das Gewicht des ganzen Kolbens 1 reduziert werden. Die zweiten Erleichterungsbereiche 15a–15d sind so ausgebildet, dass ein Körper (ein Bodenbereich) des Kolbens 1 zur Achse P weitgehend abgeschnitten ist. Das heißt, die zweiten Erleichterungsbereiche 15a–15d sind sich weitgehend in die radial innere Richtung des Kolbens 1 erstreckend vorgesehen. Dadurch wird die Gewichtsreduzierung des Kolbens 1 weiter gefördert.
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Die ersten Erleichterungsbereiche 14a und 14b und die zweiten Erleichterungsbereiche 15a–15d sind nicht an Positionen ausgebildet, die eine Festigkeit des Bodenbereichs 2 beeinflussen. Daher wird der Bodenbereich 2 aufgrund des Verbrennungsdrucks nicht in dessen untere Richtung abgelenkt (verformt).
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Da der Kröpfungsbereich 12, 13 in der Kurbelform ausgebildet ist, weist ein Bereich des Schaftbereichs 3, 4, der in der Nähe des Bodenbereichs 2 liegt, eine niedrigere Abstützungssteifigkeit z. B. im Vergleich mit dem Fall auf, bei dem die obere Stirnwand des Schürzenbereichs wie die oben beschriebene frühere Technik in linearer Form ausgebildet ist. Wenn ein Kontakt zwischen der Wandfläche des Zylinders und einer Außenumfangsfläche des Schaftbereichs 3, 4 durch die Hin- und Herbewegungshübe des Kolbens 1 eine druckseitige Last und eine gegendruckseitige Last verursacht, kann ein Kontaktflächendruck zwischen der Wandfläche des Zylinders und dem oberen Endbereich 3a, 4a des Schaftbereichs 3, 4 reduziert werden, der sich in der Nähe des Bodenbereichs 2 befindet.
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Das heißt, der Kröpfungsbereich 12, 13 verursacht in geringem Maße eine Ablenkung (Durchbiegungsverformung) über den Verbindungsbereich 12c, 13c in Richtung zum Bolzenaugenbereich 11, 12 derart wie ein Akkordeon, wenn eine Last größer oder gleichgroß wie ein vorgegebenes Niveau vom Schaftbereich 3, 4 in Breitenrichtung (der seitlichen Richtung) des Kröpfungsbereichs 12, 13 aufgebracht wird. Dadurch werden die druckseitige Last und die gegendruckseitige Last durch den Kröpfungsbereich 12, 13 absorbiert, sodass der Kontaktflächendruck reduziert werden kann, der auf den oberen Endbereich 3a, 4a (in der Nähe des Bodenbereichs 2) wirkt. Infolgedessen kann eine Reibung zwischen dem oberen Endbereich 3a, 4a und der Wandfläche des Zylinders effektiv verringert werden.
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Eine grafische Darstellung von 10 zeigt ein Massenverhältnis zwischen dem Kolben 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel und dem Kolben der oben beschriebenen früheren Technik, und einen Vergleich eines Verformungsbetrags (Ablenkungsbetrags) des oberen Endbereichs des Schaftbereichs zwischen dem Kolben 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel und dem Kolben der oben beschriebenen früheren Technik. Diese Verformungsbeträge wurden durch eine numerische Analyse unter identischer Lastbedingung berechnet.
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Wie in 10 dargestellt, weist der Kolben 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Kolbenmasse auf, die um ca. 3 Prozent (%) geringer als jene des Kolbens der oben beschriebenen früheren Technik ist. Dementsprechend ist es offensichtlich, dass das Gewicht des Kolbens 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel hinreichend reduziert ist. Diese Gewichtsreduzierung wird insbesondere durch einen Beitrag der Ausbildung der zweiten Erleichterungsbereiche 15a–15d erreicht.
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Im Kolben 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist der obere Endbereich 3a des Schaftbereichs 3 darüber hinaus einen größeren Verformungsbetrag (Ablenkungsbetrag) als jener des Kolbens der oben beschriebenen früheren Technik auf. Es ist offensichtlich, dass die Steifigkeit des oberen Endbereichs 3a des Schaftbereichs 3 geringer als jene des Kolbens der oben beschriebenen früheren Technik ist.
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Das heißt, der Kolben 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann ein geringeres Gewicht im Vergleich mit dem Kolben der oben genannten früheren Technik dadurch erreichen, dass die zweiten Erleichterungsbereiche 15a–15d vorgesehen sind, die durch die Kröpfungsbereiche 12 und 13 gebildet sind. Darüber hinaus kann der Kontaktflächendruck zwischen der Wandfläche des Zylinders und dem oberen Endbereich 3a, 4a des Schaftbereichs 3, 4, der in der Nähe des Bodenbereichs 2 liegt, mittels einer effektiven Durchbiegungsverformung (flexiblen Verformung) reduziert werden, die basierend auf den besonderen Formen der Kröpfungsbereiche 12 und 13 erzeugt wird.
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Im Kolben 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel neigt sich darüber hinaus, wie in 8 dargestellt, jeder der Basisendbereiche 12a und 13a derart, dass dessen axial obere Seite (d. h. die Bodenflächenseite) in der radial inneren Richtung des Kolbens 1 vorgeschoben ist. Wie in 9 dargestellt, neigt sich jeder Spitzenbereich 12b, 13b andererseits derart, dass dessen axial obere Seite (d. h. die Bodenflächenseite) in der radial äußeren Richtung des Kolbens 1 vorgeschoben ist. Dadurch werden die Kröpfungsbereiche 12 und 13 durch die von den Schaftbereichen 3 und 4 zugeführte Last leicht verformt (flexibel verformt). Somit ist eine Absorptionseigenschaft für diese zugeführte Last vorteilhaft, sodass der Kontaktflächendruck auf die Wandfläche des Zylinders weiter verringert wird. Infolgedessen kann die Reibung vorteilhaft reduziert werden.
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Darüber hinaus weist jedes der beiden Enden des Verbindungsbereichs 12c, 13c die Verbindungsstelle auf, deren Außenfläche in der Bogenform im Querschnitt ausgebildet ist. Dadurch kann zum Zeitpunkt der Ablenkung (flexiblen Verformung) des Kröpfungsbereichs 12, 13 eine Belastungskonzentration an der Verbindungsstelle des Verbindungsbereichs 12c, 13c verhindert werden. Folglich kann hinreichend verhindert werden, dass ein Sprung, Bruch und dergleichen an dieser Verbindungsstelle auftritt, sodass eine Dauerhaltbarkeit verbessert wird.
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Eine grafische Darstellung in 11 zeigt einen Reibungsverlust in Bezug auf einen Kurbelwellendrehwinkel, der durch eine numerische Analyse berechnet wurde, und zeigt ein Vergleichsergebnis zwischen dem Kolben 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel und dem Kolben der oben beschriebenen früheren Technik.
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Wie aus 11 ersichtlich, ist der Reibungsverlust (durchgezogene Linie) des Kolbens 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel geringer als der Reibungsverlust (gestrichelte Linie) des Kolbens der oben beschriebenen früheren Technik.
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Aus diesem Ergebnis wurde ein Reibungsverlust-Mitteldruck berechnet, der durch Dividieren des Reibungsverlusts durch ein Motor-Hubvolumen (einen Hubraum) berechnet wurde. Der in diesem Fall des Kolbens 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel berechnete Reibungsverlust-Mitteldruck ist um ca. 5 Prozent (%) geringer als der im Fall des Kolbens der oben beschriebenen früheren Technik. Das heißt, das Verhältnis des Reibungsverlust-Mitteldrucks in diesem Ausführungsbeispiel zum Reibungsverlust-Mitteldruck der oben beschriebenen früheren Technik beträgt 0,95 zu 1. Dies zeigt, dass der Kolben 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Reibung hinreichend verringert.
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Jeder der Kröpfungsbereiche 12 und 13 ist nicht über eine axiale (von oben nach unten gerichtete) Gesamtheit des Schürzenbereichs 5, 6 ausgebildet, sondern lediglich in einem Bereich des Schürzenbereichs 5, 6 ausgebildet, der auf der Seite des Bodenbereichs 2 angeordnet ist. Der untere Endbereich 5b, 6b des Schürzenbereichs 5, 6 ist, wie oben beschrieben, in einer glatten Krümmungsform ohne irgendeinen Biege- bzw. Kröpfungsbereich ausgebildet. Dadurch wird verhindert, dass eine Steifigkeit des unteren Endbereichs 5b, 6b allzu gering wird. Das heißt, ursprünglich (wenn die Kröpfungsbereiche 12 und 13 nicht wären) ist die Steifigkeit des unteren Endbereichs 5b, 6b des Schürzenbereichs 5, 6 geringer als die Steifigkeit des oberen Endbereichs 5a, 6a, da eine Unterkante des unteren Endbereichs 5b, 6b nicht durch irgendein Element abgestützt wird, d. h. im freien Zustand ist. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Steifigkeit des oberen Endbereichs 5a, 6a geringer und nähert sich der Steifigkeit des unteren Endbereichs 5b, 6b an, da die Kröpfungsbereiche 12, 13 vorgesehen sind. Demzufolge ist die Abstützungssteifigkeit des Schürzenbereichs 5, 6 gegenüber dem Schaftbereich 3, 4 über die oberen und unteren Teile des Schürzenbereichs 5, 6 im Wesentlichen gleichmäßig (ausgeglichen). Daher kann der Kontaktflächendruck des Schaftbereichs 3, 4 gegen die Zylinderwandfläche im Wesentlichen über den gesamten Schaftbereich 3, 4 ausgeglichen werden.
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Darüber hinaus ist jeder der ganzen Schürzenbereiche 5, 6 selbst leicht gebogen. Somit verursacht auch der gesamte Schürzenbereich 5, 6 selbst eine geringe Federwirkung durch seine flexible Verformung. Durch diese Federwirkung, die auf der Gesamtform der Schürzenbereiche 5, 6 basiert, kann sich daher auch eine Kontaktfläche zwischen dem Schaftbereich 3, 4 und der Zylinderwandfläche vergrößern, sodass ein lokaler Flächendruckanstieg unterdrückt wird.
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Das heißt, beide Schaftbereiche 3 und 4 und beide Schürzenbereiche 5 und 6 wirken zusammen, um eine im Wesentlichen elliptische Form im Querschnitt zu definieren. Somit wird der auf den Schaftbereich 3, 4 anliegende Kontaktdruck von der Federwirkung des Verbindungsbereichs 12c, 13c und der Federwirkung des gesamten Schürzenbereichs 5, 6 absorbiert. Dadurch wird der auf den Schaftbereich 3, 4 wirkende Flächendruck so verteilt, dass eine Erzeugung eines übermäßigen Flächendrucks unterdrückt werden kann.
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Demzufolge wird der Flächendruck des Schaftbereichs 3, 4 gegen die Zylinderwandfläche ausgeglichen um den Kontaktflächendruck zu verringern. Dadurch kann die Reibung effektiv reduziert werden.
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Gemäß einem weiteren Beispiel kann der Basisendbereich 12a, 13a mit einer maximalen Dicke festgelegt werden. Das heißt, der Verbindungsbereich 12c 13c weist eine geringere Dicke wie jene des Basisendbereichs 12a, 13a auf, und der Spitzenbereich 12b, 13b weist eine noch geringere Dicke als jene des Verbindungsbereichs 12c, 13c auf. In einem solchen Fall wird der Kröpfungsbereich 12, 13 durch eine Last des Schaftbereichs 3, 4 leichter abgelenkt (flexibel verformt), sodass der Kontaktflächendruck zwischen der Zylinderwandfläche und dem oberen Endbereich des Schaftbereichs 3, 4 weiter reduziert werden kann.
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Gemäß einem noch weiteren Beispiel können die beiden Kröpfungsbereiche 12 des Schürzenbereichs 5 in Bezug auf die Achse P1 der beiden Bolzenaugenbereiche 10 und 11 derart links-rechts-unsymmetrisch ausgebildet sein, dass die beiden Kröpfungsbereiche 13 des Schürzenbereichs 6 gleichermaßen links-rechts-unsymmetrisch in Bezug auf die Achse P1 ausgebildet sind. In diesem Fall können die Ausführungen der Kröpfungsbereiche 12 und der Kröpfungsbereiche 13 abhängig davon verändert werden, wie die Last auf den Kolben und/oder auf die Druckseite oder die Gegendruckseite wirkt. Unter Berücksichtigung einer für den Kolben erforderlichen Leistung können z. B. der Kröpfungsbereich 12 und der Kröpfungsbereich 13 nur auf der Druckseite ausgebildet sein, die ein größeres Lastniveau als jenes der Gegendruckseite aufnimmt.
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Strukturen der vorliegenden Erfindung sind nicht auf die obigen Ausführungsbeispiele beschränkt. Beispielsweise können ein vorhandener Bereich und/oder eine axiale Länge des Kröpfungsbereichs 12, 13 des Schürzenbereichs 5, 6 je nach Spezifikation und Größe des Kolbens 1 und dergleichen auf irgendwelche Werte festgelegt werden.
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Darüber hinaus können z. B. die Außenumfangsflächen der Schaftbereiche 3 und 4 mit einem reibungsarmen Material beschichtet werden, das die Reibung zwischen der Zylinderwandfläche und dem Schaftbereich 3, 4 reduziert.
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Der erfindungsgemäße Kolben ist bei diversen Verbrennungsmotoren, wie zum Beispiel einem V-Motortyp (V-Motor), einem W-Motortyp und einem Einzylindermotortyp anwendbar.
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Als nächstes werden nachfolgend einige aus den obigen Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden Erfindung erreichbare Konfigurationen und Effekte aufgelistet.
- [a] Gemäß dem obigen Ausführungsbeispiel erstrecken sich die ersten Neigungsbereiche (12a, 13a) des Paars der Schürzenbereiche (5, 6) derart, dass die ersten Neigungsbereiche (12a, 13a), die einander gegenüberliegen und in Bezug auf die Linie senkrecht zur Achse der Bolzenaugenbereiche (10, 11) sind, sich einander in Richtung zu den obersten Bereichen der ersten Neigungsbereiche (12a, 13a) annähern. Die zweiten Neigungsbereiche (12b, 13b) des Paars von Schürzenbereichen (5, 6) erstrecken sich andererseits so, dass sich die zweiten Neigungsbereiche (12b, 13b), die einander gegenüberliegen und in Bezug auf die Linie senkrecht zur Achse der Bolzenaugenbereichen (10, 11) symmetrisch sind, in Richtung zu den obersten Bereichen der zweiten Neigungsbereiche (12b, 13b) voneinander entfernen.
- [b] Gemäß dem obigen Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Verbindungsbereiche (12c, 13c) im Querschnitt gesehen längs einer Linie, die von der Achse der Bolzenaugenbereichen (10, 11) in der radial äußeren Richtung etwas geneigt ist.
- [c] Gemäß dem obigen Ausführungsbeispiel ist die Dicke des Verbindungsbereichs (12c, 13c) geringer als die Dicke des ersten Neigungsbereichs (12a, 13a), und die Dicke des zweiten Neigungsbereichs (12b, 13b) ist geringer als die Dicke des Verbindungsbereichs (12c, 13c).
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Dementsprechend reduziert sich die Festigkeit vom ersten Neigungsbereich (12a, 13a) zum zweiten Neigungsbereich (12b, 13b), da sich die Dicke vom ersten Neigungsbereich (12a, 13a) zum zweiten Neigungsbereich (12b, 13b) verringert. Demzufolge kann eine von der Zylinderwand auf die jeweiligen Schaftbereiche in den Druck- und Gegendruckrichtungen ausgeübte Kraft effektiv absorbiert werden.
- [d] Gemäß dem obigen Ausführungsbeispiel sind sowohl der erste Neigungsbereich (12a, 13a) als auch der zweite Neigungsbereich (12b, 13b) nahtlos mit dem Verbindungsbereich (12c, 13c) mit einer kurvenförmigen Verbindungsstelle dazwischen verbunden.
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Dementsprechend ist jede Verbindungsstelle mit einer sanft gerundeten Oberfläche ausgebildet. Dadurch wird verhindert, dass eine konzentrierte Belastung auf die Verbindungsstelle wirkt. Darüber hinaus wird ein Gussform-Trennvorgang beim Gießen des Kolbens vereinfacht
- [e] Gemäß dem obigen Ausführungsbeispiel erstreckt sich der Verbindungsbereich (12c, 13c) von einer Spitze des Basisendbereichs (12a, 13a) in radial äußerer Richtung annähernd senkrecht zur Erstreckungsrichtung des Basisendbereichs (12a, 13a), und der Spitzenbereich (12b, 13b) erstreckt sich von einer Spitze des Verbindungsbereichs (12c, 13c) in eine Richtung zum Umfangsende (3d, 3e, 4d, 4e) des druckseitigen oder gegendruckseitigen Schaftbereichs (3, 4) und annähernd senkrecht zur Erstreckungsrichtung des Verbindungsbereichs (12c, 13c).
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Diese Anmeldung basiert auf der früheren
japanischen Patentanmeldung Nr. 2014-5524 vom 16. Januar 2014. Die gesamten Inhalte dieser japanischen Patentanmeldung werden hiermit durch Bezugnahme mit einbezogen.
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Der Schutzumfang der Erfindung ist mit Bezug auf die nachfolgenden Ansprüche definiert.
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Zusammenfassend ist festzustellen:
Ein Kolben für einen Verbrennungsmotor umfasst einen Bodenbereich; ein Paar von druckseitigen und gegendruckseitigen Schaftbereichen, und ein Paar von Schürzenbereichen, welche den druckseitigen Schaftbereich mit dem gegendruckseitigen Schaftbereich verbinden. Jeder des Paars der Schürzenbereiche umfasst eine obere Stirnwand, die mit dem Bodenbereich verbunden ist, und einen Bolzenaugenbereich, der einen Kolbenbolzen abstützt. Ein Rückflächenseitenbereich des Bodenbereichs ist mit einem hohlen Bereich ausgebildet, der sich längs einer Außenfläche der oberen Stirnwand des Schürzenbereichs erstreckt. Die obere Stirnwand des Schürzenbereichs umfasst einen Kröpfungsbereich zwischen einer Außenfläche des Bolzenaugenbereichs und einem Umfangsende des Schaftbereichs. Der Kröpfungsbereich winkelt sich stufenweise von der Außenfläche des Bolzenaugenbereichs zum Umfangsende des Schaftbereichs ab.
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Neben der schriftlichen Offenbarung der Erfindung wird hiermit zu deren Ergänzung explizit auf die zeichnerische Darstellung in 1 bis 11 verwiesen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kolben
- 2
- Bodenbereich
- 2a
- Bodenfläche
- 3, 4
- Schaftbereich
- 3a, 4a
- oberer Endbereich
- 3b, 4b
- unterer Endbereich
- 3c, 4c
- Unterkante
- 3d, 3e
- Umfangsende des druckseitigen Schaftbereichs
- 4d, 4e
- Umfangsende des gegendruckseitigen Schaftbereichs
- 5, 6
- Schürzenbereich
- 5a, 6a
- obere Stirnwand
- 5b, 6b
- unterer Endbereich, untere Stirnwand
- 7a, 7b, 8a, 8b
- Ventilausnehmung
- 9a, 9b, 9c
- Ringnut
- 10, 11
- Bolzenaugenbereich
- 10a, 11a
- Bolzenlöcher
- 10b, 11b
- obere Wand
- 12, 13
- Kröpfungsbereich
- 12a, 13a
- Basisendbereich, erster Neigungsbereich
- 12b, 13b
- Spitzenbereich, zweiter Neigungsbereich
- 12c, 13c
- Verbindungsbereich
- 12d, 13d
- untere Endkante
- 14a, 14b,
- hohler Bereich, erster Erleichterungsbereich
- 15a–15d
- hohler Bereich, zweiter Erleichterungsbereich
- P, P1
- Achse
- P2
- Schnittlinie
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2011-132809 [0002]
- JP 2014-5524 [0066]
