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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Stellkolben für eine Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses einer Zylindereinheit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, wobei je ein Stellkolben über je eine Kolbenstange mit einem Verstellelement verbunden ist, das durch die Triebwerkskräfte der Hubkolbenbrennkraftmaschine in zwei unterschiedliche Positionen verstellbar ist, in welchen sich die in Stützzylindern geführten einfachwirkenden Stellkolben, die gemeinsam mit den Stützzylindern jeweils einen Druckraum bilden, in einer eingefahrenen oder ausgefahrenen Stellung befinden, wobei die Druckräume jeweils über einen Ölzulauf, in welchem ein Rückschlagventil angeordnet ist, mit einer Ölversorgung verbunden sind, und über einen Ölrücklauf und ein Schaltventil wahlweise druckentlastbar sind.
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Stand der Technik
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Mit dem Verdichtungsverhältnis einer Hubkolbenbrennkraftmaschine ε 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, 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-Luftgemisches. Demgegenüber könnte das Verdichtungsverhältnis im Teillastbetrieb, in welchem die Füllung geringer ist, zur Verbesserung des entsprechenden Teillastwirkungsgrades 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 z.B. von Fahrzuständen des Kraftfahrzeugs, Betriebspunkten der Brennkraftmaschine, Signalen eines Klopfsensors, Abgaswerten usw.
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Es sind aus dem Stand der Technik unter anderem Vorrichtungen bekannt, die eine Verstellung des Abstandes zwischen einem Kurbelzapfen einer Kurbelwelle und einem Kolbenbolzen vornehmen. Es handelt sich dabei um unterschiedliche Vorrichtungen, nämlich um solche, mit denen die Lage des Kolbens gegenüber dem Pleuel veränderbar ist, oder um solche, die eine Lageänderung des Pleuels gegenüber der Kurbelwelle vornehmen. Bei erstgenannten Vorrichtungen steht das Pleuel über einen am Pleuelauge vorgesehenen verstellbaren Exzenter, in welchem ein Kolbenbolzenlager und ein Kolbenbolzen angeordnet sind, mit dem Kolben in Verbindung. Bei den weiterhin genannten Vorrichtungen ist ein verstellbarer Exzenter kurbelwellenseitig also am Pleuellagerauge vorgesehen, wobei dann dieser Exzenter das Pleuellager umgibt.
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Der entsprechende Exzenter wird durch die in der Zylindereinheit zwischen dem Pleuel einerseits und dem Kolbenbolzen oder dem Kurbelzapfen andererseits auftretenden Triebwerkskräfte, also Massen- und Lastkräfte, verstellt. Im Arbeitstakt der Zylindereinheit ändern sich die wirkenden Kräfte kontinuierlich. Es ist insbesondere für eine am Kolbenbolzenlager vorgesehene Vorrichtung zweckmäßig, den Exzenter mit zwei Stellkolben zu verbinden, die an diesem zu dessen Verdrehung sowie Abstützung über Laschen angreifen. Somit kann durch die Stellkolben die Drehbewegung unterstützt und eine Rückstellung des Exzenters, die aufgrund der mit unterschiedlichen Kraftrichtungen auf den Exzenter übertragenen Kräfte auftreten kann, vermieden werden.
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Ein Stellkolben für eine Vorrichtung zur Veränderung eines Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Gattung ist aus der
DE 10 2011 056 298 A1 bekannt. Hier wird eine Pleuelstangenanordnung beschrieben, die aus einer in einem Pleuelauge eines Pleuels angeordnete Verstellelement mit einer exzentrischen Kolbenbolzenbohrung besteht, wobei das Verstellelement diametral verlaufende Laschen aufweist, an denen über Kolbenstangen die Stellkolben angreifen. Stützzylinder, die diese Stellkolben aufnehmen, werden über Hydraulikflüssigkeitsleitungen, in denen jeweils ein einen Rückfluss verhinderndes Rückschlagventil angeordnet ist, mit Hydraulikflüssigkeit aus einem Pleuellager versorgt.
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Neben dieser Hydraulikflüssigkeitsleitung ist an jeden der beiden Stützzylinder eine weitere Hydraulikflüssigkeitsleitung angeschlossen, die zu einem Schaltventil führt. Das Schaltventil verbindet wahlweise eine der Hydraulikflüssigkeitsleitungen mit einem als Entlüftungskanal bezeichneten Tankanschluss, über den die Hydraulikflüssigkeit drucklos in eine Ölwanne der Hubkolbenbrennkraftmaschine abgeleitet werden kann.
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Um das Verstellelement in seiner jeweiligen benötigten Stellung zu halten, sind die Stellkolben in den Stützzylindern flüssigkeitsdicht eingepasst. Dies ist fertigungstechnisch aufwändig und damit teuer in der Herstellung. Da die Stellkolben außerdem schwenkbar an ihren Kolbenstangen angebracht sind, ist ihre Montage aufwändig.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Funktion und die Ausbildung des Stellkolbens zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den von diesem abhängigen Patentansprüchen wiedergegeben, welche jeweils für sich genommen oder in verschiedenen Kombinationen miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, dass der Stellkolben selbst nicht mehr in seinem Führungszylinder eingepasst wird, sondern dass sich der in seinem Inneren als Halbhohlkugel ausgebildete Stellkolben selbsttätig unter dem im Druckraum herrschenden Druck des Hydraulikmediums aufweitet und somit an die Innenwand des entsprechenden Stützzylinders anpasst und so den Druckraum abdichtet. Geringe Drücken (Drücke von max. 6 bar) reichen zu einem Aufweiten nicht aus. Hier entstehen deshalb geringe Leckagen zwischen der Innenwand des Stützzylinders und der Außenwand des Stellkolbens. Diese Leckagen sind jedoch in diesen Betriebszuständen der Hubkolbenbrennkraftmaschine vernachlässigbar. Bei hohen Betriebsdrücken im Hydraulikmedium (Drücke von 200 bar bis 300 bar) werden durch das Aufweiten der Halbhohlkugel sicher beherrscht. Hier dichtet der erfindungsgemäße Stellkolben wesentlich zuverlässiger ab als die im Stand der Technik bekannten Stellkolben mit kreiszylindrischem Querschnitt. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung liegt darin, dass die axiale Baulänge des Stellkolbens verkürzt werden kann.
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Ein zusätzlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Stellkolben mit seiner zugehörigen Kolbenstange einstückig ausgebildet werden kann. Somit kann die Gesamtheit beispielsweise aus Blech durch Stanzen oder auch als Gussteil hergestellt werden. Dies vereinfacht die Fertigung erheblich und senkt somit die Herstellkosten.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Halbhohlkugel eine Kugelkalotte ist, deren Höhe größer ist als der halbe Kugelhalbmesser. Dann ist der untere offene Rand eingezogen, so dass er bei den während der Verstellung des Verdichtungsverhältnisses auftretenden Kippbewegungen des Stellkobens nicht an die Innenwand des zugehörigen Stützzylinders anstößt.
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Neben der inneren Ausgestaltung des Stellkolbens als Kugelkalotte kann die äußere Umfangsfläche des Stellkolbens ebenfalls kugelförmig sein. Daneben ist es aber auch denkbar, die äußere Umfangsfläche aus einem oder zwei Kreiszylindern zu bilden, wobei der erste Kreiszylinder sich unmittelbar an der Öffnung im Boden anschließt. Der zweite Kreiszylinder ist dann vom ersten beabstandet und bevorzugt geneigt zu ihm. Der Abstand und die Neigung werden durch ein Verschieben und durch die hierbei auftretenden Kippbewegungen des Stellkolbens in seinem Stützzylinder von der unteren zur oberen Endstellung ermittelt, in dem die äußere zweite Kreiszylinder-Umfangsfläche parallel zur Innenwand des Stützzylinders ausgerichtet wird. Zwischen den beiden Kreiszylinderflächen kann dann die verbleibende äußere Teil-Umfangsfläche des Stellkolbens als Kugelausschnitt ausgebildet sein oder ebenfalls kreiszylindrisch aufgebaut sein.
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Die Erfindung ist nicht auf die angegebene Kombination der Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 mit den von diesem abhängigen Patentansprüchen 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 Ausgestaltungsbeispiele beschränken.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen, in der mehrere unterschiedliche Ausführungsbeispiele vereinfacht dargestellt sind. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer aus einem Arbeitskolben und einem Pleuel bestehenden Einheit mit einem Verstellelement, über welches an einem Kolbenbolzen die Lage des Arbeitskolbens gegenüber dem Pleuel veränderbar ist,
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2 einen vergrößerten Längsschnitt durch den oberen Bereich des Pleuels mit einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäß ausgebildeten Stellkolben in ihren Führungszylindern,
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3a eine vergrößerte Ansicht eines Längsschnitts durch den Stellkolben bei niedrigem Hydraulikdruck,
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3b eine vergrößerte Ansicht eines Längsschnitts durch den Stellkolben bei hohem Hydraulikdruck,
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4a bis c eine vergrößerte Ansicht eines Längsschnittes durch einen Stellkolben in seinen verschiedenen Stellungen in seinem zugeordneten Stützzylinder,
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5 eine perspektivische Ansicht eines Stellkolbens mit einer alternativen Ausgestaltung seiner äußeren Umfangsfläche.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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In der 1 ist mit 1 ein Pleuel für eine Zylindereinheit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine bezeichnet, das aus einem Pleueloberteil 2 und einem Pleuelunterteil 3 besteht. Das Pleueloberteil 2 und das Pleuelunterteil 3 bilden gemeinsam ein Pleuellagerauge 4, über welches das Pleuel 1 auf einem nicht näher dargestellten Kurbelzapfen einer Kurbelwelle gelagert ist. Am seinem anderen Ende ist das Pleueloberteil 2 mit einem Pleuelauge 5 versehen, in welchem über ein als Exzenter 6 ausgebildetes Verstellelement 7 und ein nicht näher dargestelltes Kolbenbolzenlager ein Kolbenbolzen 8 angeordnet ist. Über diesen drehbar im Kolbenbolzenlager geführten Kolbenbolzen 8 ist ein Arbeitskolben 9 einer Zylindereinheit der Hubkolbenbrennkraftmaschine an dem Verstellelement 7 geführt, wobei dessen Verdrehung in einer Richtung zur Einstellung eines verhältnismäßig geringen Verdichtungsverhältnisses und dessen Verdrehung in die entgegengesetzte Richtung zur Einstellung eines höheren Verdichtungsverhältnisses führt.
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Der Exzenter 6 wird durch die in der Zylindereinheit zwischen dem Pleuel 1 einerseits und dem Kolbenbolzen 8 oder dem Kurbelzapfen andererseits auftretenden Triebwerkskräfte, also Massen- und Lastkräfte, verstellt. Im Arbeitstakt der Zylindereinheit ändern sich die wirkenden Kräfte kontinuierlich. Der Exzenter 6 weist diametral verlaufende Laschen 10 und 11 auf, die jeweils über Kolbenstangen 12 und 13 mit einfachwirkenden Stellkolben 14 und 15 verbunden sind. Die Stellkolben 14 und 15 greifen über die vorgenannten Bauelemente an dem Exzenter 6 an, um diesen zu verdrehen sowie abzustützen. Somit kann durch die Stellkolben 14 und 15 die Drehbewegung des Exzenters 6 unterstützt und seine unerwünschte Rückstellung, die aufgrund der mit unterschiedlichen Kraftrichtungen auf den Exzenter 6 übertragenen Kräfte auftreten kann, vermieden werden.
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Die Stellkolben 14 und 15 sind in Stützzylindern 16 und 17 geführt und bilden gemeinsam mit diesen Druckräume 18 und 19, in denen als Hydraulikmedium dienendes Schmieröl der Hubkolbenbrennkraftmaschine aus einem im Pleuellagerauge 4 angeordneten Pleuellager 20 über Ölzulaufleitungen 21 und 22 einströmen kann. Weiterhin geht von jedem der Druckräume 18 und 19 eine Ölrücklaufleitung 23 bzw. 24 aus, die, wie aus der 1 hervorgeht, beide in eine Aufnahmebohrung 25 für ein in diesem Zusammenhang nicht näher beschriebenes Schaltventil einmünden. Von dem Pleuellager 20 führt außerdem eine Steuerleitung 26 zu der Aufnahmebohrung 25.
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Während in 1 der Stellkolben 14, 15 nach dem Stand der Technik aufgebaut ist, zeigen die folgenden Figuren den erfindungsgemäß aufgebauten Stellkolben 14, 15.
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In 2 ist ein Längsschnitt durch den oberen Bereich des Pleuels 1 aus 1 schematisiert dargestellt. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.
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Im Gegensatz zu der Ausführung in 1 ist in den folgenden Figuren der Stellkolben 14, 15 jeweils einstückig mit seiner zugehörigen Kolbenstange 12, 13 aufgebaut. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese einstückige Lösung beschränkt. Auch bei den bekannten zweistückigen Lösungen können die Stellkolben gemäß der Erfindung ausgestaltet sein.
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Der Stellkolben 14, 15 wird im Längsschnitt durch eine Kugelkalotte 27 mit einem inneren, ebenfalls kugelkalottenförmigen Hohlraum 27a gebildet, wobei der Hohlraum einen nach unten zum Druckraum 18, 19 offenen Boden 28 aufweist. Die Höhe der Kugelkalotte ist größer als der Kugelhalbmesser, so dass die Ränder des unteren offenen Bodens eingezogen sind.
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In 3a ist ein vergrößerter Längsschnitt durch den Stellkolben 14, 15 bei niedrigem Hydraulikdruck (nicht mehr als 6 bar) gezeigt. Deutlich sichtbar ist hier, dass sowohl der Hohlraum 27a als auch die äußere Umfangsfläche 29 des Stellkolbens 14, 15 die Form einer Kugelkalotte aufweist.
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In der Darstellung gemäß 3a weist die Kugelkalotte 27 ihre Ursprungsform auf, d. h. ihre äußere Umfangsfläche 29 weist einen Spalt 30 zur inneren Umfangsfläche 31 des Stützzylinders 16, 17 auf. Hier entsteht im Betrieb der Hubkolbenbrennkraftmaschine eine Leckage, die aber vernachlässigbar ist (bei diesem niedrigen Druck im Druckraum befindet sich der entsprechende Stellkolben in seiner untersten Stellung und der zugehörige Druckraum 18, 19 wird nicht gefüllt).
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3b zeigt den Stellkolben 14 bzw. 15, wenn in dem zugehörigen Druckraum 18 bzw. 19 ein hoher Druck (Drücke von 200 bis 300 bar) herrscht. Dann wird der Hohlraum 27a der Kugelkalotte 27 durch den hohen Hydraulikdruck aufgeweitet. Damit presst sich die äußere Umfangsfläche 29 zumindest dort, wo der Spalt 30 im Ursprungszustand am geringsten ist, an die innere Umfangsfläche 31 an. Damit wird der Spalt 30 zu null. Eine Leckage wird somit unterbunden.
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Je nach Höhe des Druckes und Größe des Spaltes 30 im Ursprungszustand kann der Spalt und damit das Spiel des Stellkolbens im zugehörigen Stützzylinder auf null oder sogar Übermaß (Presssitz) gebracht werden. Dadurch kann die Reibung zwischen dem Stellkolben und seinem zugehörigen Stützzylinder wesentlich erhöht werden, was vorteilhaft ist, da der Stellkolben sich in seiner obersten Stellung befindet und sich dort nicht bewegen soll.
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Wird der Druck im Druckraum 18 bzw. 19 wieder gesenkt, weil sich das Verstellelement 7 verdrehen soll und damit die Verdichtung der Hubkolbenbrennkraftmaschine geändert werden soll, so wird durch den verringert Druck des Hydraulikmediums der Stellkolben 14 bzw. 15 sich wieder zusammen ziehen. Damit entsteht wieder der Spalt 30, womit sich gleichzeitig die Reibung zwischen der äußeren Umfangsfläche 29 und der inneren Umfangsfläche 31 verringert. Somit kann die Verstellung jedes Verstellelementes einer mehrzylindrigen Hubkolbenbrennkraftmaschine reibungsarm und möglichst gleichzeitig erfolgen.
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In den 4a bis 4c sind einzelne Positionen des Stellkolbens 14 bzw. 15 während seiner Bewegung von seiner unteren Endstellung (4a) über eine Zwischenstellung (4b) zu seiner oberen Endstellung (4c) gezeigt. Hierbei sind die Kippbewegungen des Stellkolbens 14 bzw. 15 sichtbar, die durch die Einstückigkeit mit der Kolbenstange 12 bzw. 13 hervorgerufen werden. Durch diese Kippbewegung gelangen unterschiedliche Teil-Umfangsflächen des Stellkolbens 14, 15 mit der inneren Umfangsfläche 31 des zugehörigen Stützzylinders 16, 17 in Kontakt. Werden diese Teil-Umfangsflächen als kreiszylindrische Umfangsfläche auf dem äußeren Umfang des Stellkolbens 14, 15 abgebildet, erhält man die in 5 dargestellte äußere Umfangsfläche 29'.
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Hierzu zeigt 5 eine perspektivische Ansicht einer Kolbenstange 12, 13 mit einstückig ausgebildetem Stellkolben 14, 15. Während der Stellkolben 14, 15 in seinem Inneren eine Halbhohlkugel wie in den vorangegangenen Figuren aufweist, weist seine äußere Umfangsfläche einen erste geschlossene kreiszylindrische Umfangsfläche 32 auf, die sich unmittelbar an dem Boden 28 anschließt. Eine zweite kreiszylindrische Umfangsfläche 33 besteht aus zwei, jeweils den halben Umfang bedeckende Teilflächen 33a und 33b, die zur ersten Umfangsfläche 32 geneigt verlaufen. Die Oberfläche des Zwischenraumes 34 zwischen beiden Umfangsflächen kann als Kreiszylinder oder als Kugelabschnitt 35 ausgebildet sein.
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Die beiden Teilflächen 33a und 33b stoßen jeweils nach 180° in einer gedachten Ebene 36 zusammen, die sowohl die Achse des Kolbenbolzens 8 als auch die Längsachse der Kolbenstange 12, 13 enthält.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Pleuel
- 2
- Pleueloberteil
- 3
- Pleuelunterteil
- 4
- Pleuellagerauge
- 5
- Pleuelauge
- 6
- Exzenter
- 7
- Verstellelement
- 8
- Kolbenbolzen
- 9
- Arbeitskolben
- 10
- Lasche
- 11
- Lasche
- 12
- Kolbenstange
- 13
- Kolbenstange
- 14
- Stellkolben
- 15
- Stellkolben
- 16
- Stützzylinder
- 17
- Stützzylinder
- 18
- Druckraum
- 19
- Druckraum
- 20
- Pleuellager
- 21
- Ölzulaufleitung
- 22
- Ölzulaufleitung
- 23
- Ölrücklaufleitung
- 24
- Ölrücklaufleitung
- 25
- Aufnahmebohrung
- 26
- Steuerleitung
- 27
- Kugelkalotte
- 27a
- Hohlraum in 14, 15
- 28
- Boden von 27a
- 29
- äußere Umfangsfläche von 14, 15
- 29'
- äußere Umfangsfläche von 14, 15
- 30
- Spalt
- 31
- innere Umfangsfläche von 16, 17
- 32
- erste kreiszylindrische Umfangsfläche von 14, 15
- 33
- zweite kreiszylindrische Umfangsfläche von 14, 15
- 33a
- erste Teilfläche von 33
- 33b
- zweite Teilfläche von 33
- 34
- Zwischenraum zwischen 32 und 33
- 35
- Kugelabschnitt
- 36
- Ebene
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011056298 A1 [0007]
