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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Dichtelement zur Anordnung zwischen einem Flanschabschnitt eines Verstellaktuators einer Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses von wenigstens einer Zylindereinheit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine und einem Aufnahmeflansch, der an einem Kurbelgehäuse der Hubkolbenbrennkraftmaschine ausgebildet ist.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Anordnung eines Verstellaktuators innerhalb einer Aufnahmebohrung eines Kurbelgehäuses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, wobei der Verstellaktuator zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses von zumindest einer Zylindereinheit derselben dient und abtriebsseitig mit einer innerhalb des Kurbelgehäuses verlaufenden Verstellwelle verbunden ist und wobei ein Außengehäuse des aus einem Elektromotor und einem hochübersetzten einstufigen Getriebe bestehenden Verstellaktuators über Befestigungsschrauben mit dem Kurbelgehäuse verspannt ist.
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Stand der Technik
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Mit dem Verdichtungsverhältnis ε einer Hubkolbenbrennkraftmaschine ist das Verhältnis des Volumens des gesamten Zylinderraumes zum Volumen des Kompressionsraumes bezeichnet. Durch eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses kann der Wirkungsgrad der Hubkolbenbrennkraftmaschine gesteigert werden, woraus insgesamt eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs bei gleicher Leistung der Hubkolbenbrennkraftmaschine resultiert. Allerdings ist zu berücksichtigen, dass bei fremdgezündeten Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit einer Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses im Volllastbetrieb deren Klopfneigung zunimmt.
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Bei dem Klopfen handelt es sich um eine unkontrollierte Selbstzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in den Zylinderräumen. Demgegenüber könnte das Verdichtungsverhältnis im Teillastbetrieb, in welchem die Füllung der Zylinderräume geringer ist, zur Verbesserung des entsprechenden Teillastwirkungsgrades der Hubkolbenbrennkraftmaschine erhöht werden, ohne dass dadurch das zuvor erwähnte Klopfen auftreten würde. Daraus resultiert, dass es zweckmäßig ist, die Hubkolbenbrennkraftmaschine im Teillastbetrieb mit einem relativ hohen Verdichtungsverhältnis und im Volllastbetrieb mit einem gegenüber diesem reduzierten Verdichtungsverhältnis zu betreiben.
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Eine Änderung des Verdichtungsverhältnisses ist außerdem besonders vorteilhaft für aufgeladene Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit Fremdzündung, da bei diesen im Hinblick auf die Aufladung insgesamt ein niedriges Verdichtungsverhältnis vorgegeben wird, wobei zur Verbesserung des thermodynamischen Wirkungsgrades in ungünstigen Bereichen eines entsprechenden Motorkennfeldes die Verdichtung zu erhöhen ist. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, das Verdichtungsverhältnis generell in Abhängigkeit von weiteren Betriebsparametern der Hubkolbenbrennkraftmaschine zu verändern, wie beispielsweise von Fahrzuständen des Kraftfahrzeugs, Betriebspunkten der Hubkolbenbrennkraftmaschine, Signalen eines Klopfsensors, Abgaswerten usw.
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Unter anderem sind Verstelleinrichtungen zur Änderung des Verdichtungsverhältnisses bekannt, mit denen der Kolbenhub des jeweiligen Arbeitskolbens der Hubkolbenbrennkraftmaschine geändert wird. Bei einigen der Verstelleinrichtungen kommt eine mit Exzentern versehene Verstellwelle zum Einsatz, die zur Änderung des Verdichtungsverhältnisses verdreht wird. Die Exzenter können dabei jeweils über eine Schubstange auf einen Koppelhebel wirken, der einerseits gelenkig am Kurbelzapfen einer Kurbelwelle und andererseits gelenkig am Pleuel angreift. Zur Betätigung der Verstellwelle im Sinne von deren Verdrehung ist ein Verstellaktuator vorgesehen, der aus einem Elektromotor und einem diesem nachgeschalteten hochübersetzten Getriebe, mit dem ein ausreichendes Drehmoment zur Verstellung der Verstellwelle zur Verfügung gestellt wird besteht.
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Aus der
DE 10 2011 101 780 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der eine als Exzenterwelle bezeichnete Verstellwelle drehbar im Kurbelgehäuse einer Hubkolbenbrennkraftmaschine angeordnet ist, wobei jeder Exzenter der Exzenterwelle an jeweils einem Koppelelement angreift. Das jeweilige Koppelelement ist andererseits mit einem Ende eines Hebelelements verbunden, welches verschwenkbar an einem Kurbelzapfen der Kurbelwelle geführt ist. Am anderen Ende des Hebelelements ist ein Pleuellager ausgebildet, so dass durch ein Verschwenken des Hebelelements auf dem Kurbelzapfen eine Lageänderung des Pleuels zum Kurbelzapfen bewirkt wird, aus der eine Veränderung des Verdichtungsverhältnisses der jeweiligen Zylindereinheit resultiert. Die Verstellwelle wird mittels eines über ein Getriebe wirktechnisch mit der Verstellwelle verbindbaren Elektromotors angetrieben. Der aus dem Getriebe und dem Elektromotor gebildete Verstellaktuator, dessen Außengehäuse am Kurbelgehäuse befestigt ist, wird üblicherweise so ausgelegt, dass die Kombination aus Elektromotordrehmoment und Getriebeübersetzung ein Antriebsdrehmoment erreicht, das höher als das maximal an der Verstellwelle anliegende Lastdrehmoment ist. Dadurch kann zuverlässig in jedem Betriebspunkt der Hubkolbenbrennkraftmaschine eine Verstellung der Verstellwelle erfolgen. Hierbei kann ein hochübersetzendes Getriebe, beispielsweise ein Wellgetriebe, verwendet werden, um mit den relativ geringen Drehmomenten des Elektromotors die erforderlichen hohen Antriebsdrehmomente erreichen zu können.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Dichtelement zu schaffen, mit welchem zum einen die Verbindung zwischen einem Außengehäuse und dem Kurbelgehäuse abgedichtet wird, wobei das hohe Drehmoment, mit dem der Verstellaktuator die Verstellwelle antreibt, in ausreichendem Maße am Kurbelgehäuse abgestützt werden muss.
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Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind insbesondere in den abhängigen Patentansprüchen angegeben, die jeweils für sich genommen oder in verschiedener Kombination miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Danach soll gemäß dem Anspruch 1 das Dichtelement einen ersten Funktionsbereich zur Erzielung einer Dichtfunktion und einen zu diesem separaten zweiten Funktionsbereich, der mit reibwerterhöhenden Mitteln versehen ist, aufweisen. Das im Verstellaktuator verwendete Getriebe besitzt eine hohe Übersetzung mit nur einer Getriebestufe und kann so dimensioniert sein, dass die Verzahnung die Last aus der Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses aufnimmt. Diese kann als Multilink-Mechanismus ausgebildet sein. Das Getriebe arbeitet als sogenanntes Standgetriebe. Es existieren eine Eingangswelle, eine Ausgangswelle und ein Gehäuse, das fest mit dem Kurbelgehäuse verbunden sein muss, um das Reaktionsmoment abzustützen. Typischerweise treten bei einem Multilink-Mechanismus an der Verstellwelle Lastspitzen bis zu 400Nm auf, die über die Gehäuseverschraubung abgestützt werden müssen. Aufgrund der engen Bauraumverhältnisse bei in Personenkraftfahrzeugen verwendeten Hubkolbenbrennkraftmaschinen kommen zur Verschraubung des Getriebegehäuses mit dem Kurbelgehäuse so weinige Schrauben wie möglich zum Einsatz. Typischerweise werden 4–6 Schrauben verwendet. Diese Schrauben erzeugen mit ihrem Druckkegel unter der Schraubenkopfauflage eine lokal hohe Flächenpressung an der Anschraubflanschkontaktfläche. In den Segmenten zwischen den Schrauben reduziert sich abhängig von der Steifigkeit des Getriebeflansches der Kontaktdruck auf nahezu null.
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Das Getriebe des Verstellaktuators muss prinzipbedingt mit Schmieröl versorgt werden. Es muss somit zum Anschraubflansch am Kurbelgehäuse umlaufend abgedichtet werden. Diese Dichtigkeit muss sowohl in den Bereichen hoher Kontaktpressung als auch in den Bereichen niedriger Kontaktpressung sichergestellt sein. Weiterhin muss diese Dichtfläche auch das Abstützmoment des Getriebegehäuses zum Kurbelgehäuse aufnehmen.
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Die Aufgabe wird auch durch die Merkmale des Anspruchs 6 gelöst. Danach ist ein Verstellaktuator innerhalb einer Aufnahmebohrung eines Kurbelgehäuses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine angeordnet. Der Verstellaktuator dient zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses von zumindest einer Zylindereinheit der Hubkolbenbrennkraftmaschine und ist abtriebsseitig mit einer innerhalb des Kurbelgehäuses verlaufenden Verstellwelle verbunden, wobei ein Außengehäuse des aus einem Elektromotor und einem hochübersetzten einstufigen Getriebe bestehenden Verstellaktuators über Befestigungsschrauben mit dem Kurbelgehäuse verspannt ist. Ein zwischen einem Flanschabschnitt des Außengehäuses und einem Aufnahmeflansch des Kurbelgehäuses angeordnetes Dichtelement soll einen ersten Funktionsbereich zur Erzielung einer Dichtfunktion und einen zu diesem separaten zweiten Funktionsbereich, der mit reibwerterhöhenden Mitteln versehen ist, aufweisen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung soll das Dichtelement mit Durchgangsbohrungen umschließenden Aufnahmeaugen versehen sein, die mit einem umlaufenden Abschnitt des Dichtelements verbunden sind, wobei durch die Durchgangsbohrungen Befestigungsschrauben des Verstellaktuators hindurchführbar sind, und dass die Aufnahmeaugen als zweiter Funktionsbereich ausgebildet sind. Um die Anforderung nach Dichtigkeit und Drehmomentübertragbarkeit mit nur wenigen Schrauben zu erfüllen wird eine metallische, einteilige Dichtung vorgeschlagen die einen Dichtungsfunktionsbereich und einen Drehmomentübertragungsfunktionsbereich aufweist. Die Dichtung kann als einzelnes Maschinenelement kostengünstig und mit geringem Risiko hinsichtlich einer Fehlmontage montiert werden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften hierzu alternativen Ausgestaltung der Erfindung soll das Dichtelement mit Durchgangsbohrungen umschließenden Aufnahmeaugen versehen sein, die mit einem umlaufenden Abschnitt des Dichtelements verbunden sind, wobei durch die Durchgangsbohrungen Befestigungsschrauben des Verstellaktuators hindurchführbar sind, und dass ein radial äußerer Teilbereich des umlaufenden Abschnitts und die Aufnahmeaugen als zweiter Funktionsbereich ausgebildet sind.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass ein radial innerer Teilbereich eines umlaufenden Abschnitts des Dichtelements als erster Funktionsbereich mit einer Elastomerschicht versehen ist. Diese Elastomerschicht bildet den ersten Funktionsbereich und dient somit zur Abdichtung.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung soll der erste Funktionsbereich durch eine in einem radial inneren Teilbereich eines umlaufenden Abschnitts des Dichtelements vorgesehene umlaufende Sicke ausgebildet sein. Auch diese Sicke, die den ersten Funktionsbereich des Dichtelements bildet, kann mit einem Elastomer beschichtet sein.
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Die Erfindung ist nicht auf die angegebene Kombination der Merkmale der unabhängigen Patentansprüche und der abhängigen Patentansprüche beschränkt. Es ergeben sich darüber hinaus weitere Möglichkeiten, einzelne Merkmale, insbesondere dann, wenn sie sich aus den Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele oder unmittelbar aus den Figuren ergeben, miteinander zu kombinieren. Außerdem soll die Bezugnahme der Patentansprüche auf die Figuren durch die Verwendung von Bezugszeichen den Schutzumfang der Patentansprüche auf keinen Fall auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränken.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Diese zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für eine Vorrichtung zum Verändern des Verdichtungsverhältnisses von wenigstens einer Zylindereinheit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine;
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2 eine schematische und perspektivische Teilansicht einer Explosionsdarstellung eines mit einem Dichtelement versehenen Verstellaktuators sowie einen Teilbereich eines Kurbelgehäuses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine;
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3 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäß ausgebildetes Dichtelement;
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4 eine Schnittdarstellung durch einen Teilbereich eines zwischen einem Flanschabschnitt und einem Aufnahmeflansch angeordnet ist, wobei dieses einen durch ein Elastomer gebildeten ersten Funktionsbereich aufweist;
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5 eine Schnittdarstellung durch einen Teilbereich eines zwischen einem Flanschabschnitt und einem Aufnahmeflansch angeordnet ist, wobei dieses einen durch eine Sicke gebildeten ersten Funktionsbereich aufweist.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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In den Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für eine Vorrichtung 1 zum Verändern des Verdichtungsverhältnisses einer einen Zylinder 2 und einen Arbeitskolben 3 aufweisenden Zylindereinheit 4 einer nicht näher dargestellten und erläuterten Hubkolbenbrennkraftmaschine. Die Vorrichtung 1 bildet einen Mehrgelenkkurbeltrieb aus.
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Die Hubkolbenbrennkraftmaschine weist eine Kurbelwelle 5 auf, von der in der schematischen Darstellung eine Kurbelwange 6 und ein Kurbelzapfen 7 sichtbar sind. Der Kurbelzapfen 7 ist in einem Koppelhebel 8 drehbar gelagert, wobei der Koppelhebel 8 über ein erstes Gelenk 9 ein Pleuel 10 und über ein zweites Gelenk 11 eine Schubstange 12 aufnimmt. Das Pleuel 10 ist an seinem vom Koppelhebel 8 abgewandten Ende mit einem Pleuelauge 13 versehen, in dem ein Kolbenbolzen 14 drehbar gelagert ist. Der Kolbenbolzen 14 verbindet das Pleuel 10 mit dem Arbeitskolben 3 der Zylindereinheit 4, so dass das Pleuel 10 schwenkbar im Arbeitskolben 3 geführt ist.
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Die Schubstange 12 ist über ein Schubstangenauge 15 radial auf einem Exzenter 16 einer Verstellwelle 17 geführt, so dass durch eine Verdrehung der Verstellwelle 17 eine Schub- oder Zugbewegung auf die Schubstange 12 und somit auf den Koppelhebel 8 an dessen zweitem Gelenk 11 übertragen wird. Diese Schub- oder Zugbewegung führt zum Verschwenken des Koppelhebels 8 auf dem Kurbelzapfen 7, so dass sich der Abstand zwischen diesem und dem Kolbenbolzen 14 und folglich das Verdichtungsverhältnis der Zylindereinheit 4 ändert. In der gezeigten Stellung der Vorrichtung 1 nimmt die Verstellwelle 17 einen Verstellwinkel von 0° ein, wodurch die Zylindereinheit 4 ein hohes Verdichtungsverhältnis aufweist.
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Die 2 zeigt eine schematische und perspektivische Explosionsdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verstellaktuators 18 zum Antreiben einer Verstellwelle einer Vorrichtung zur Veränderung eines Verdichtungsverhältnisses von wenigstens einer Zylindereinheit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, wobei die Vorrichtung im Übrigen entsprechend 1 ausgebildet sein kann.
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Der Verstellaktuator 18 weist einen Elektromotor 19 und ein trieblich damit verbundenes, einstufiges Getriebe 20 auf, wobei eine nicht näher dargestellte Abtriebswelle des Elektromotors 19 trieblich mit einer ebenfalls nicht dargestellten Eingangswelle des Getriebes 20 verbunden ist. Das Getriebe 20 ist vorzugsweise als Wellgetriebe ausgebildet. Der allgemeine Aufbau des Verstellaktuators 18 bzw. des Elektromotors 19 und des Getriebes 20 ist dem Fachmann bekannt, weshalb hier auf Ausführungen zu deren Details verzichtet wird.
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Ein Getriebegehäuse 21 des Getriebes 20 ist mit einem Flanschabschnitt 22 versehen, der Flanschaugen 23 aufweist. Ein Kurbelgehäuse 24 einer Hubkolbenbrennkraftmaschine 25 weist eine Aufnahmeöffnung 26 auf, in die der Verstellaktuator 18 einsetzbar ist. Innerhalb dieser endet die in dieser perspektivischen Darstellung nicht sichtbare Verstellwelle 17. Die Aufnahmeöffnung 26 ist von einem Aufnahmeflansch 27 umschlossen. Sowohl der Elektromotor 19 als auch der Flanschabschnitt 22 und der Aufnahmeflansch 27 weisen ein identisches Lochbild von Befestigungsbohrungen 28 auf, wobei durch diese insgesamt 5 Befestigungsschrauben 29 hindurchgeführt werden. In den Befestigungsbohrung 28 des Kurbelgehäuses 24 befinden sich Einschraubgewinde, so dass der Elektromotor 19 mitsamt dem Getriebegehäuse 21 mittels der Befestigungsschrauben 29 mit dem Kurbelgehäuse 24 verspannt werden kann. Weiterhin geht aus der 2 hervor, dass zwischen einer ersten Flanschfläche 30 des Flanschabschnitts 22 und einer zweiten Flanschfläche 31 des Aufnahmeflanschs 27 ein Dichtelement 32 angeordnet wird.
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Gemäß der 3 ist das Dichtelement 32 als Flachdichtung ausgebildet und an die Kontur der Flanschflächen 30 und 31 angepasst. Somit weist das Dichtelement 32 Aufnahmeaugen 33 mit Durchgangsbohrungen 34 auf. Die Durchgangsbohrungen 34 sind dabei von einem zweiten Funktionsbereich 35 des Dichtelements 32 umschlossen, der mit reibwerterhöhenden Mitteln versehen ist. Im ringförmigen Bereich unter den Köpfen der Befestigungsschrauben 29 ist eine reibwerterhöhende Beschichtung beidseitig auf das Dichtelement 32 aufgebracht. Diese Beschichtung kann je nach Randbedingungen vorzugsweise als Nickel-Diamantschicht oder auch aus anderen metallischen, keramischen oder sogar Elastomerwerkstoffen bestehen. Ziel der Beschichtung ist eine lokale Reibwerterhöhung von mindestens 20% im Vergleich zum Reibwert der Werkstoffpaarung, die ohne diese Beschichtung ausgebildet ist. Aus Fertigungsgründen kann auch der gesamte Grundkörper des Dichtelements 32 mit der reibwerterhöhenden Beschichtung versehen sein.
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Ein umlaufender Dichtbereich 36 des Dichtelements 32 bildet einen ersten Funktionsbereich 37 des Dichtelements 32. Die reibwerterhöhenden Mittel können an dem Dichtelement 32 und/oder im entsprechenden Anlagebereich von dessen zweiten Funktionsbereich 35 an den Flanschflächen 30 und 31 vorgesehen sein. Außerdem kann der zweite Funktionsbereich 35 umlaufend am Dichtelement 32 bzw. an den Flanschflächen vorgesehen sein. Um die Anforderung nach Dichtigkeit und Drehmomentübertragbarkeit mit nur wenigen Befestigungsschrauben 29 zu erfüllen wird eine metallische, einteilige Dichtung vorgeschlagen die den als Dichtungsfunktionsbereich ausgebildeten ersten Funktionsbereich 37 und den als Drehmomentübertragungsfunktionsbereich ausgebildeten zweiten Funktionsbereich 35 aufweist. Die Dichtung kann als einzelnes Maschinenelement kostengünstig und mit geringem Risiko hinsichtlich einer Fehlmontage montiert werden.
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In der 4 wird ein erstes Ausgestaltungsbeispiel des im Schnitt dargestellten Dichtelements 32 gezeigt, wobei der erste Funktionsbereich 37 in diesem Fall als Elastomer 38 ausgebildet ist. Weiterhin sind der 4 die außerhalb des ersten Funktionsbereich 37, also im zweiten Fuktionsbereich 35, liegenden reibwerterhöhenden Mittel 39 zu entnehmen.
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In der 5 ist ein zweites Ausgestaltungsbeispiel des Dichtelements 32 dargestellt, wobei der erste Funktionsbereich 37 in diesem Fall als Sicke 40 ausgebildet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Zylinder
- 3
- Arbeitskolben
- 4
- Zylindereinheit
- 5
- Kurbelwelle
- 6
- Kurbelwange
- 7
- Kurbelzapfen
- 8
- Koppelhebel
- 9
- Gelenk
- 10
- Pleuel
- 11
- Gelenk
- 12
- Schubstange
- 13
- Pleuelauge
- 14
- Kolbenbolzen
- 15
- Schubstangenauge
- 16
- Exzenter
- 17
- Verstellwelle
- 18
- Verstellaktuator
- 19
- Elektromotor
- 20
- Getriebe
- 21
- Getriebegehäuse
- 22
- Flanschabschnitt von 21
- 23
- Flanschaugen
- 24
- Kurbelgehäuse
- 25
- Hubkolbenbrennkraftmaschine
- 26
- Aufnahmeöffnung
- 27
- Aufnahmeflansch von 24
- 28
- Befestigungsbohrungen
- 29
- Befestigungsschrauben
- 30
- erste Flanschfläche
- 31
- zweite Flanschfläche
- 32
- Dichtelement
- 33
- Aufnahmeaugen
- 34
- Durchgangsbohrungen
- 35
- zweiter Funktionsbereich von 32
- 36
- umlaufender Dichtbereich von 32
- 37
- erster Funktionsbereich von 32
- 38
- Elastomer
- 39
- reibwerterhöhende Mittel
- 40
- Sicke von 32
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011101780 A1 [0007]
