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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Kugellager für ein Pleuel für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung sowie ein Pleuel mit einem Kugellager.
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Stand der Technik
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Bei Brennkraftmaschinen wirkt sich ein hohes Verdichtungsverhältnis positiv auf den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors aus. Unter Verdichtungsverhältnis wird im Allgemeinen das Verhältnis des gesamten Zylinderraumes vor der Verdichtung zum verbliebenen Zylinderraum nach der Verdichtung verstanden. Bei Brennkraftmaschinen mit Fremdzündung, insbesondere Ottomotoren, die ein festes Verdichtungsverhältnis aufweisen, darf das Verdichtungsverhältnis jedoch nur so hoch gewählt werden, dass bei Volllastbetrieb ein sogenanntes „Klopfen“ der Brennkraftmaschine vermieden wird. Jedoch könnte für den weitaus häufiger auftretenden Teillastbereich der Brennkraftmaschine, also bei geringer Zylinderfüllung, das Verdichtungsverhältnis mit höheren Werten gewählt werden, ohne dass ein „Klopfen“ auftreten würde. Der wichtige Teillastbereich einer Brennkraftmaschine kann verbessert werden, wenn das Verdichtungsverhältnis variabel einstellbar ist. Zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses sind beispielsweise Systeme mit variabler Pleuellänge bekannt.
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Aus der
DE 10 2005 055 199 A1 ist ein Pleuel bekannt, bei dem im kleinen Pleuelauge ein schwenkbarer Hebel eingesetzt ist, in dessen zentraler Öffnung ein Exzenter eingesetzt ist. Der Exzenter dient zur Aufnahme eines Kolbenbolzens. Der Hebel bildet mit dem Exzenter eine Welle-Nabe-Verbindung. Da die Verbindung im Betrieb des Pleuels hoch belastet wird, sind die Anforderungen an die Fertigungstoleranzen der Verbindungspartner hoch. Die am oberen Pleuellagerauge gelagerten Stützstangen sind mit einem Kugellager in Kugelkopfaufnahmen gelagert und dort mit Querbolzen verschraubt.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein hochbelastbares Kugellager mit einem in einer Kugelkopfaufnahme gelagerten Kugelkopf zu schaffen, das einfach zu montieren ist und hoch belastbar ist und Fertigungstoleranzen zulässt.
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Eine weitere Aufgabe ist es, ein Pleuel mit einem solchen Kugellager anzugeben.
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Die vorgenannten Aufgaben werden mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
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Es wird ein Kugellager mit einem an einer Stützstange angeordneten Kugelkopf vorgeschlagen, der in einer Kugelkopfaufnahme eines Kolbens gelagert ist, wobei der Kugelkopf an seiner Außenfläche in der Kugelkopfaufnahme durch ein Sicherungselement gegen Herausgleiten aus der Kugelkopfaufnahme gesichert ist. Dabei liegt das Sicherungselement in einem eingebauten Zustand ringförmig am Kugelkopf mit Berührungspunkten entlang der ringförmigen Anlage und an einer Nut der Kugelkopfaufnahme an, deren Nutwandung sich in einem in einer zur Stützstange entgegengesetzten Richtung öffnenden Winkel zu einer Längsachse der Stützstange erstreckt, wobei eine Tangente im jeweiligen Berührungspunkt des Sicherungselements am Kugelkopf zur Längsachse einen Winkel bildet, welcher größer als der Winkel der Nutwandung ist.
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Erfindungsgemäß ist der an der Stützstange angeordnete Kugelkopf in der Kugelkopfaufnahme eines Kolbens gelagert, welche ein formkomplementär zu dem Kugelkopf gewölbtes Bodenteil aufweisen kann, an das sich zu einer Aufnahmeöffnung der Kugelkopfaufnahme hin in axialer Richtung ein wenigstens teilweise trichterförmig geöffneter Raum unmittelbar oder mittelbar anschließt. Durch diese Aufnahmeöffnung kann der Kugelkopf des Kolbens in bestimmungsgemäßer Weise in die Kugelkopfaufnahme eingeführt werden. Durch das Sicherungselement kann der Kugelkopf gegen ein Herausgleiten aus der Kugelkopfaufnahme gesichert werden. Das Sicherungselement liegt dabei im eingebauten Zustand auf dem Umfang des Kugelkopfs entlang einer Linie als Folge einzelner oder kontinuierlich aufeinander folgender Berührungspunkte und an einer Nut der Kugelkopfaufnahme an. Als Sicherungselement kann dabei zweckmäßig ein gebogener Runddraht in Form eines Runddrahtsprengrings eingesetzt werden, der einseitig offen ausgebildet sein kann, um das Sicherungselement leicht in die Kugelkopfaufnahme einführen zu können. Das Sicherungselement kann günstig eingeclipst werden, wobei das Sicherungselement im eingebauten Zustand vorgespannt sein kann, so dass der Außendurchmesser im ausgebauten Zustand größer ist als im eingebauten Zustand.
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Vorteilhaft kann sich die Nutwandung der Nut der Kugelkopfaufnahme in einem in einer zur Stützstange entgegengesetzten Richtung öffnenden Winkel zu einer Längsachse der Stützstange erstrecken. Dabei kann eine Tangente in einem Berührungspunkt des Kugelkopfs zur Längsachse einen Winkel bilden, welcher größer als der Winkel der Nutwandung ist. Solange diese Winkelbeziehung eingehalten wird und das Sicherungselement vorgespannt ist, kann sich das Sicherungselement so zwischen die Nut im Stützkolben und dem Kugelkopf der Stützstange legen und eventuelle Fertigungstoleranzen ausgleichen.
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Durch Selbsthemmung kann sich das Sicherungselement nicht aus der Nut der Kugelkopfaufnahme herausbewegen, so dass die Verbindung von Stützstange und Kolben spielfrei ist. Das Sicherungselement kann nicht aufgeweitet werden, da es an der Nutwandung anliegt. Wenn der Kolben auf Druck belastet wird, wird das Sicherungselement sogar in die Nut weiter hineingezogen. Das Sicherungselement findet so automatisch seine Position und liegt mittig in der Nuthöhe.
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Das erfindungsgemäße Kugellager stellt somit eine kostengünstige Lösung zur Sicherung der Stützstange im Kolben dar, welche mit einem Sicherungselement als Normteil oder günstigen Sonderteils dargestellt werden kann. Neben einer Ausführung in Stahl sind auch Ausführungen in anderen Materialien wie Kunststoffen denkbar. Das Kugellager kann so mit einer spielfreien Sicherung ausgebildet sein, die auch Fertigungstoleranzen ausgleicht. Bei eventuell auftretendem Verschleiß kann sich das Sicherungselement selbst nachstellen. Ein weiterer Vorteil stellt die platzsparende Lösung dar, so dass der Stützkolben mehr Material im Querschnitt aufweisen kann und so das Design robuster ausgeführt sein kann. Durch das Einclipsen des Sicherungselements als Runddraht ist eine einfache Montage möglich. Seine Selbsthemmung verhindert dabei ein Zurückrutschen des Sicherungselements.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Kugelkopfaufnahme ein formkomplementär zu dem Kugelkopf gewölbtes Bodenteil aufweisen, an das sich zur Aufnahmeöffnung der Kugelkopfaufnahme hin in axialer Richtung ein wenigstens teilweise trichterförmig geöffneter Raum unmittelbar oder mittelbar anschließt. Durch das formkomplementär zu dem Kugelkopf gewölbten Bodenteil ist der Kugelkopf so günstig in der Kugelkopfaufnahme gelagert, dass der Kugelkopf über einen gewissen Winkel frei um seine Achse geschwenkt werden kann. Die Ausbildung des trichterförmig geöffneten Raums, welcher sich an die Aufnahmeöffnung der Kugelkopfaufnahme anschließt, begünstigt ein Einführen des Kugelkopfs bei der Montage des Kolbens an die Stützstange.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Nut am Übergang zwischen dem formkomplementär gewölbten Bodenteil und dem trichterförmig geöffneten Raum oder im Bereich des wenigstens teilweise trichterförmig geöffneten Raums angeordnet sein. Auf diese Weise kann die Nut vorteilhaft ausgebildet sein, so dass die Winkelbedingungen für eine sichere Positionierung des Sicherungselements eingehalten werden und das Sicherungselement über die Lebensdauer beim Betrieb des Kolbens seine Lage beibehält.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Sicherungselement mit Vorspannung gegen die Nutwandung gelegt sein. Dadurch ist gewährleistet, dass das Sicherungselement auf Grund der Selbsthemmung seine Position beibehält und eine spielfreie Verbindung zwischen Stützstange und Kolben erreicht wird. Außerdem wird dadurch die Montage des Kolbens an die Stützstange wesentlich erleichtert.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Sicherungselement den Kugelkopf wenigstens teilweise auf einem Umfang umschließen. Das Sicherungselement kann zweckmäßig als Runddraht oder Runddrahtsprengring mit einer Unterbrechung ausgebildet sein. Dadurch lässt sich die Montage des Kugelkopfs in der Kugelkopfaufnahme günstig gestalten. Dadurch, dass das Sicherungselement den Kugelkopf wenigstens teilweise umschließt, kann es seine Sicherungsfunktion gegen ein Herausgleiten des Kugelkopfs aus der Kugelkopfaufnahme vorteilhaft wahrnehmen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Sicherungselement auf seinem Umfang eine radial nach innen weisende Wölbung aufweisen. Durch die Wölbung kann sich das Sicherungselement günstig an die Rundung des Kugelkopfs anlegen. So kann vorteilhaft eine spielfreie Lagerung des Kugelkopfs in der Kugelkopfaufnahme sichergestellt werden. Das Sicherungselement wird so bei Zugbelastung des Kolbens gegen die Nutwandung gedrückt und bleibt in seiner Position.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Sicherungselement als gebogener Runddraht ausgebildet sein. Ein gebogener Runddraht stellt eine sehr kostengünstige Lösung für ein Sicherungselement dar. Außerdem kann er als Runddrahtsprengring als Normteil günstig bezogen werden. Auch ist eine Montage des Sicherungselements in der Kugelkopfaufnahme, insbesondere, wenn der Runddraht eine Unterbrechung aufweist, leicht möglich.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann eine Dicke des Sicherungselements wenigstens dem bestimmungsgemäßen Mindestabstand zwischen der Außenfläche des Kugelkopfs und der Nutwandung entsprechen. Bei dieser Dicke des Sicherungselements kann das Sicherungselement bei Druckbelastung des Kolbens vorteilhaft in seine Position gezogen werden und kann nicht aus der Nut herausgleiten. Trotzdem ist noch genügend Freiraum, dass der Kugelkopf mit der Stützstange sich gegen den Kolben günstig bewegen kann, um spielfrei arbeiten zu können, ohne übermäßigen Verschleiß aufzuweisen.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Pleuel mit wenigstens einem Kugellager vorgeschlagen. Das erfindungsgemäße Kugellager kann in einem solchen Pleuel, insbesondere für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung, zur Verbindung von Stützstangen mit Kolben von hydraulischen Zylindern für eine Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge vorteilhaft eingesetzt werden. Damit kann ein sicherer und verschleißarmer Betrieb der hydraulischen Zylinder durch die sichere Verbindung zwischen Stützstangen und Kolben gewährleistet werden. Auch stellt das Kugellager eine spielfreie Verbindung von Stützstangen und Kolben auf günstige Weise sicher.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Pleuel Mittel zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge aufweisen. Das Pleuel kann insbesondere eine Exzenter-Verstelleinrichtung aufweisen, welche über einen Exzenterhebel eine Verstellung des Exzenters bewirken kann und so die effektive Pleuelstangenlänge in geeigneter Weise verstellen kann. Der Exzenterhebel lässt sich beispielweise günstig über hydraulische Zylinder, welche einen Kolben mit einer Stützstange aufweisen, verstellen. Das erfindungsgemäße Kugellager stellt die sichere, verschleißarme und dennoch spielfreie Verbindung zwischen Stützstangen und Kolben des Zylinders sicher.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Brennkraftmaschine mit einem einstellbaren Verdichtungsverhältnis mit wenigstens einem solchen Pleuel vorgeschlagen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es zeigen beispielhaft:
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1 in längsgeschnittener Darstellung ein Pleuel mit zwei Kugellagern nach dem Stand der Technik;
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2 eine Stützstange mit einem Kolben und einem erfindungsgemäßen Kugellager;
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3 einen Schnitt durch die Stützstange gemäß 2;
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4 einen vergrößerten Ausschnitt des erfindungsgemäßen Kugellagers der Stützstange gemäß 3 und
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5 ein Sicherungselement in Form eines Sicherungselements des erfindungsgemäßen Kugellagers.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
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Das in 1 dargestellte bekannte Pleuel 1 für eine Brennkraftmaschine mit einem einstellbaren Verdichtungsverhältnis weist eine Exzenter-Verstelleinrichtung 2 zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge 30 mit einem (nicht dargestellten) Exzenter auf, welcher mit einem ein- oder mehrteiligen Exzenterhebel 3 zusammenwirkt. Die effektive Pleuelstangenlänge 30 ist als Abstand der Mittelachse des Hublagerauges 34 des Pleuels 1 von der Mittelachse 32 einer Bohrung des Exzenters als Pleuellagerauge des Pleuels 1 definiert. Dabei ist ein Verstellweg der Exzenter-Verstelleinrichtung 2 mittels eines Umschaltventils verstellbar, welches als mechanisches oder hydraulisches Ventil ausgebildet und in oder an einem Pleuelkörper 4 bzw. einem Pleueldeckel 5 angeordnet sein kann.
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Eine Verdrehung der verstellbaren Exzenter-Verstelleinrichtung 2 wird durch Einwirken von Massen- und Lastkräften des Verbrennungsmotors initiiert, die bei einem Arbeitstakt des Verbrennungsmotors auf die Exzenter-Verstelleinrichtung wirken. Während eines Arbeitstaktes verändern sich die Wirkungsrichtungen der auf die Exzenter-Verstelleinrichtung 2 wirkenden Kräfte kontinuierlich. Die Drehbewegung oder Verstellbewegung wird durch einen oder mehrere mit Hydraulikflüssigkeit, insbesondere mit Motoröl, beaufschlagte, im Pleuel 1 integrierte Kolben 6, 7 unterstützt, bzw. die Kolben 6, 7 verhindern ein Rückstellen der Exzenter-Verstelleinrichtung 2 aufgrund variierender Kraftwirkungsrichtungen der auf die Exzenter-Verstelleinrichtung 2 wirkenden Kräfte. Die Kolben 6, 7 sind mittels Stützstangen 8, 9 mit dem Exzenterhebel 3 wirkverbunden.
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2 bis 4 zeigen eine Stützstange 10 mit einem erfindungsgemäßen Kugellager 11. 2 zeigt eine Draufsicht auf die Stützstange 10. In 3 ist ein Schnitt durch die Stützstange 10 dargestellt, während 4 einen vergrößerten Ausschnitt des erfindungsgemäßen Kugellagers 11 der Stützstange 10 zeigt.
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Das Kugellager 11 umfasst einen an der Stützstange 10 angeordneten Kugelkopf 12, der in einer Kugelkopfaufnahme 13 eines Kolbens 14 gelagert ist. Der Kugelkopf 12 ist an seiner Außenfläche in der Kugelkopfaufnahme 13 durch ein Sicherungselement 15 gegen Herausgleiten aus der Kugelkopfaufnahme 13 gesichert.
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Die Kugelkopfaufnahme 13 umfasst ein formkomplementär zu dem Kugelkopf 12 gewölbtes Bodenteil 16, das an die Außenkontur des Kugelkopfs 12 angepasst ist und auf dem der Kugelkopf 12 gleiten kann, um Verkippungen der Stützstange 10 zu ermöglichen. In axialer Richtung zur Aufnahmeöffnung 24 der Kugelkopfaufnahme 13 hin schließt sich ein wenigstens teilweise trichterförmig geöffneter Raum 23 unmittelbar an. Dadurch lässt sich der Kugelkopf 12 leicht in die Kugelkopfaufnahme 13 einführen und montieren. Eine Nut 17 ist am Übergang zwischen dem formkomplementär gewölbten Bodenteil 16 und dem trichterförmig geöffneten Raum 23 angeordnet.
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Das Sicherungselement 15 liegt in einem eingebauten Zustand in der Nut 17 vorgespannt zwischen einem Berührungspunkt 18 am Kugelkopf 12 und der Nutwandung 19 der Kugelkopfaufnahme 13 an und umschließt den Kugelkopf 12 wenigstens teilweise auf einem Umfang. Dabei kann das Sicherungselement 15 eine Unterbrechung aufweisen, um es in der Kugelkopfaufnahme 13 montieren zu können. Das Sicherungselement 15 weist auf seinem Umfang eine radial nach innen weisende Wölbung 22 auf, so dass das Sicherungselement 15 die Außenfläche des Kugelkopfs 12 nur auf einer auf dem Umfang des Kugelkopfs 12 umlaufenden Linie als eine Folge einzelner Berührungspunkte 18 berührt. Die Wölbung 22 ist bei einer Ausbildung des Sicherungselements 15 als Ringdraht auf jeden Fall gegeben.
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Ein Außendurchmesser des Sicherungselements 15 ist in einem ausgebauten Zustand größer als in einem eingebauten Zustand, so dass das Sicherungselement 15 eingeclipst werden kann und mit Vorspannung an der Nutwandung 19 anliegen kann.
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Die Nutwandung 19 erstreckt sich in einem in einer zur Stützstange 10 entgegengesetzten Richtung öffnenden Winkel α zu einer Längsachse 20 der Stützstange 10, wobei eine Tangente 21 im Berührungspunkt 18 zur Längsachse 20 einen Winkel β bildet, welcher größer als der Winkel α der Nutwandung 19 ist.
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Eine Dicke des Sicherungselements 15 kann dabei wenigstens dem bestimmungsgemäßen Mindestabstand zwischen der Außenfläche des Kugelkopfs 12 und der Nutwandung 19 entsprechen.
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Wie in 5 dargestellt, kann das Sicherungselement 15 beispielsweise in einfacher Weise als gebogener Runddraht (Runddrahtsprengring) mit einer Unterbrechung ausgebildet sein. Es können damit Normteile oder auch kostengünstige Sonderteile eingesetzt werden. Als Material für das Sicherungselement 15 kommen neben Stahl beispielsweise auch Kunststoff bzw. andere Werkstoffe in Frage. Das Sicherungselement 15 kann durch Einclipsen einfach montiert werden, wobei die Selbsthemmung ein Zurückrutschen verhindert. Durch die Unterbrechung des Rings kann das Sicherungselement 15 zusammengedrückt und durch die Aufnahmeöffnung 24 in den trichterförmigen Raum 23 der Kugelkopfaufnahme 13 eingeführt werden und sich auf Grund der Eigenspannung an die Nutwandung 19 der Nut 17 anlegen, so dass es unter Vorspannung in seiner Position bleibt.
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Solange das Sicherungselement 15 vorgespannt ist und der Winkel α < β ist, legt sich das Sicherungselement 15 zwischen die Nut 17 im Kolben 14 und den Kugelkopf 12 der Stützstange 10 und gleicht Fertigungstoleranzen aus. Durch Selbsthemmung kann sich das Sicherungselement 15 nicht aus dem Kolben 14 bewegen. Es kann eine spielfreie Sicherung erzielt werden, welche zudem Fertigungstoleranzen ausgleichen kann. Durch die besonders platzsparende Sicherung weist der Kolben 14 im Querschnitt mehr Material als bei bekannten Kugellagern auf, wodurch die Verbindung insgesamt robuster ausgestaltet ist.
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Das Kugellager 11 kann vorteilhaft für die Lagerung der Stützstange 10 eines Pleuels 1, wie in 1 dargestellt, eingesetzt werden, welches beispielsweise in einer Brennkraftmaschine mit einstellbarem Verdichtungsverhältnis Anwendung findet, wobei das Pleuel 1 wie oben beschrieben Mittel zur Verstellung der effektiven Pleuellänge 30 aufweisen kann. Auch bei hoher Belastung ist der Kugelkopf 12 des Kugellagers 11 sicher in der Kugelkopfaufnahme 13 gehalten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005055199 A1 [0003]
