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Die Erfindung betrifft ein Zylinderrohr für eine Hubkolbenmaschine.
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Aus der
DE 10 2014 109 017 A1 ist ein Zylinderrohr für eine Hubkolbenmaschine mit einer Laufbuchse, einem Gehäuse und einem Wassermantel bekannt, wobei die Laufbuchse freistehend angeordnet ist und der Wassermantel nach oben hin geöffnet ist, so dass zwischen der Laufbuchse und dem Gehäuse keine Verbindung besteht.
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Das erfindungsgemäße Zylinderrohr für eine Hubkolbenmaschine, umfasst ein Gehäuse, eine Laufbuchse zur Aufnahme eines Kolbens der Hubkolbenmaschine, Stege und einen Wassermantel, wobei die Laufbuchse innerhalb des Gehäuses und koaxial zum Gehäuse angeordnet ist und der Wassermantel zwischen der Laufbuchse und dem Gehäuse angeordnet ist, wobei die Stege zwischen der Laufbuchse und dem Gehäuse angeordnet sind.
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Mögliche Vorteile der Erfindung sind eine verbesserte Temperaturverteilung im Zylinderrohr, insbesondere an der Laufbuchse, und eine reduzierte Deformation des Zylinderrohres oder der Gleitbuchse.
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Besonders vorteilhaft und besonders steif kann das Zylinderrohr ausgestaltet sein, wenn die Laufbuchse und/oder das Gehäuse mit den Stegen verbunden sind. Hierdurch kann auch mechanisch Einfluss auf eine Deformation genommen werden, indem eine Steifigkeit der Laufbuchse und des Zylinderrohres erhöht wird.
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Um eine ungleichmäßige Deformation oder eine ungleichmäßige Temperaturverteilung zu reduzieren, umfasst ein erfindungsgemäßes Zylinderrohr für eine Hubkolbenmaschine alternativ oder kumulativ zu den vorstehend genannten Merkmalen ein Gehäuse, eine Laufbuchse zur Aufnahme eines Kolbens der Hubkolbenmaschine, Stege und einen Wassermantel, wobei die Laufbuchse innerhalb des Gehäuses und koaxial zum Gehäuse angeordnet ist und der Wassermantel zwischen der Laufbuchse und dem Gehäuse angeordnet ist, wobei das Zylinderrohr in einem ersten Kreissegment eine höhere radiale Steifigkeit aufweist als in einem zweiten Kreissegment. Um die vorstehend genannten Vorteile umzusetzen, umfasst ein Zylinderrohr für eine Hubkolbenmaschine alternativ oder kumulativ zu den vorstehend genannten Merkmalen ein Gehäuse, eine Laufbuchse zur Aufnahme eines Kolbens der Hubkolbenmaschine, Stege und einen Wassermantel, wobei die Laufbuchse innerhalb des Gehäuses und koaxial zum Gehäuse angeordnet ist und der Wassermantel zwischen der Laufbuchse und dem Gehäuse angeordnet ist, wobei das Zylinderrohr entlang einer Längsachse in einem ersten Abschnitt eine höhere radiale Steifigkeit aufweist als in einem zweiten Abschnitt.
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Die Stege können besonders vorteilhaft radial zu der Längsachse des Zylinderrohres und um die Laufbuchse umlaufend und/oder entlang der Längsachse des Zylinderrohres angeordnet sein. Hierdurch können Temperaturübergänge und/oder Versteifungen an der Laufbuchse vorteilhaft in allen notwendigen Raumrichtungen verteilt werden. Die Verteilung der Stege im Zylinderrohr ist darüber hinaus besonders vorteilhaft, wenn diese der Temperaturverteilung und/oder der Deformation der Laufbuchse entsprechend erfolgt. Somit können die Stege in einem ersten Kreissektor und in einem zweiten Kreissektor angeordnet sein, wobei zwei benachbarte Stege im ersten Kreissektor einen ersten Winkelabstand und im zweiten Kreissektor einen zweiten Winkelabstand aufweisen, und wobei der erste Winkelabstand kleiner ist als der zweite Winkelabstand. Bei ungleichmäßiger Temperaturverteilung und/oder Deformation ist es gleichermaßen vorteilhaft für das Zylinderrohr, wenn die Stege in einem ersten Abschnitt und in einem zweiten Abschnitt angeordnet sind, wobei zwei benachbarte Stege im ersten Abschnitt einen ersten Stegabstand und im zweiten Abschnitt einen zweiten Stegabstand aufweisen, und wobei der erste Stegabstand kleiner ist als der zweite Stegabstand.
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Um eine Fertigung eines erfindungsgemäßen Zylinderrohres besonders kostengünstig zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn die Laufbuchse, die Stege und/oder das Gehäuse nach einem generischen Fertigungsverfahren hergestellt sind.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
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1 ein Zylinderrohr in Draufsicht mit einer mittels Stegen mit einem Gehäuse verbundenen Laufbuchse,
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2 ein Zylinderrohr im Querschnitt mit einer mittels Stegen mit einem Gehäuse verbundenen Laufbuchse,
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3 ein Zylinderrohr in Draufsicht mit einer mit Stegen verbundenen Laufbuchse,
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4 ein Zylinderrohr im Querschnitt mit einer horizontalen Anordnung von Stegen an der Laufbuchse,
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5 ein Zylinderrohr im Querschnitt mit einer abfallend umlaufenden Anordnung von Stegen an der Laufbuchse,
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6 ein Zylinderrohr im Querschnitt mit als Leitblech ausgeformten Stegen,
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7 ein Zylinderrohr in Seitenansicht mit als Leitblech ausgeformten Stegen und
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8 zwei Zylinderrohre in Seitenansicht mit als Leitblech ausgeformten Stegen.
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Die 1 und 2 zeigen zwei Ausführungsformen eines Zylinderrohres 10 für eine Hubkolbenmaschine in Draufsicht und im Querschnitt, umfassend ein Gehäuse 14, ein Laufbuchse 12 zur Aufnahme eines Kolbens der Hubkolbenmaschine, Stege 30 und einen Wassermantel 20, wobei die Laufbuchse 12 innerhalb des Gehäuses 14 und koaxial zum Gehäuse 14 angeordnet ist und der Wassermantel 20 zwischen der Laufbuchse 12 und dem Gehäuse 14 angeordnet ist, wobei die Stege 30 zwischen der Laufbuchse 12 und dem Gehäuse 14 angeordnet sind.
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Insbesondere zeigen die 1 und 2 zwei Ausführungsformen eines Zylinderrohres 10, wobei die Laufbuchse 12 und das Gehäuse 14 mit den Stegen 30 verbunden sind. Durch diese Ausgestaltung wird vorteilhaft ein Zylinderrohr 10 bereitgestellt, welches eine besonders versteifte Laufbuchse 12 aufweist, da die Stege 30 die Laubuchse 12 gegen das Gehäuse 14 mechanisch abstützen.
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Die Laufbuchse 12, welche sich im Betrieb der Hubkolbenmaschine erwärmt, ist einer Deformation unterworfen, die nicht gleichmäßig über den Umfang verteilt ist. Die Deformation ist hierbei von vielerlei Faktoren abhängig. So kann sich eine Laufbuchse 12 oder das gesamte Zylinderrohr 10 in seinem Durchmesser ändern, exzentrisch verlagert werden oder oval verformt werden. Diese und noch weitere Verformungen höherer Ordnung überlagern sich zumeist, so dass die Gesamtverformung in der Praxis mittels Fourier-Analyse bestimmt wird. Ist die Auftretende Verformung beispielsweise eine ovale Verformung, wie sie bei Reihenmotoren eher zu erwarten ist als bei Ein-Zylinder-Motoren, dehnt sich die Laufbuchse 12 hauptsächlich entlang einer Achse aus, da sich benachbarte Zylinderrohre 10 an ihrer Ausdehnung behindern.
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Wie aus 1 ersichtlich, sind die Stege 30 radial zu einer Längsachse 36 des Zylinderrohres 10 und um die Laufbuchse 12 umlaufend angeordnet. Durch eine ungleichmäßige Verteilung der Stege 30 kann die Deformation der Laufbuchse 12, insbesondere eine ovale Verformung, dahingehend beeinflusst werden, dass die Kreisform besser erhalten bleibt und der in der Laufbuchse 12 laufende Kolben gleichmäßiger abdichten und mit engeren Toleranzen gefertigt werden kann, ohne im Zylinderrohr 10 während des Betriebes eingeklemmt zu werden. Die Stege 30 sind hierzu in einem ersten Kreissektor 31 und in einem zweiten Kreissektor 32 angeordnet, wobei zwei benachbarte Stege 30 im ersten Kreissektor 31 einen ersten Winkelabstand 41 und im zweiten Kreissektor 32 einen zweiten Winkelabstand 42 aufweisen, und wobei der erste Winkelabstand 41 kleiner ist als der zweite Winkelabstand 42.
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Durch die ungleichmäßige und der Deformation der Laufbuchse 12 angepasste Anordnung der Stege 30 wird das Zylinderrohr 10 versteift. Diese Versteifung ist im ersten Kreissektor 31 auf Grund der größeren Anzahl von Stegen 30 stärker ausgeprägt als im zweiten Kreissektor 32. Insofern handelt es sich ebenfalls um ein Zylinderrohr 10 für eine Hubkolbenmaschine, umfassend das Gehäuse 14, die Laufbuchse 12 zur Aufnahme eines Kolbens der Hubkolbenmaschine, die Stege 30 und den Wassermantel 20, wobei die Laufbuchse 12 innerhalb des Gehäuses 14 und koaxial zum Gehäuse 14 angeordnet ist und der Wassermantel 20 zwischen der Laufbuchse 12 und dem Gehäuse 14 angeordnet ist, wobei das Zylinderrohr 10 in dem ersten Kreissegment 31 eine höhere radiale Steifigkeit aufweist als in dem zweiten Kreissegment 32.
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Die Stege 30 nach 2 sind alternativ oder kumulativ zu der zuvor erläuterten Ausgestaltung entlang der Längsachse 36 des Zylinderrohres 10 angeordnet. Da die zuvor beschrieben Deformation des Zylinderrohres 10 und des durch die Laufbuchse 12 gebildeten Zylinders nicht gleichmäßig über der Höhe des Zylinderrohres erfolgt, ist auch eine Versteifung entlang der Längsachse 36 erwünscht. Insbesondere in Verbrennungskraftmaschinen ist der Temperaturunterschied zwischen einem oberen Abschnitt und einem unteren Abschnitt der Laufbuchse 12 enorm, so dass allein aufgrund der Verbrennungstemperatur, auch ohne bauliche Besonderheiten eines Reihenmotors, Zylinderverformungen auftreten.
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Besonders vorteilhaft ist die dargestellte Ausführungsform nach 2, da die Stege 30 in einem ersten Abschnitt 33 und in einem zweiten Abschnitt 34 angeordnet sind, wobei zwei benachbarte Stege 30 im ersten Abschnitt 33 einen ersten Stegabstand 43 und im zweiten Abschnitt 34 einen zweiten Stegabstand 44 aufweisen, und wobei der erste Stegabstand 43 kleiner ist als der zweite Stegabstand 44. In einem dritten Abschnitt 35, unterhalb des zweiten Abschnittes 34, sind keine Stege 30 angeordnet. Der Wassermantel 20 im dritten Abschnitt ist somit nicht durch Stege unterbrochen und kann in diesem Bereich Zu- oder Abflüsse für ein Kühlmittel Als Kühlmittel können Wasser, Glykol, Öl, Luft und/oder weitere Medien verwendet werden.
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Insofern ist in der Ausführungsform nach 2 das Zylinderrohr 10 für eine Hubkolbenmaschine, umfassend ein Gehäuse 14, eine Laufbuchse 12 zur Aufnahme eines Kolbens der Hubkolbenmaschine, Stege 30 und einen Wassermantel 20 dargestellt, wobei die Laufbuchse 12 innerhalb des Gehäuses 14 und koaxial zum Gehäuse 14 angeordnet ist und der Wassermantel 20 zwischen der Laufbuchse 12 und dem Gehäuse 14 angeordnet ist, wobei das Zylinderrohr 10 entlang einer Längsachse 36 in dem ersten Abschnitt 33 eine höhere radiale Steifigkeit aufweist als in dem zweiten Abschnitt 34.
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Weitere alternative Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Zylinderrohres 10 werden anhand der 3, 4 und 5 erläutert, in welchen die Zylinderrohre 10 in Draufsicht und im Querschnitt dargestellt sind, wobei die Laufbuchse 12 mit den Stegen 30 (exemplarisch dargestellt) verbunden ist. Als weitere (nicht dargestellte) Alternative kann auch das Gehäuse 14 mit den Stegen 30 verbunden sein. Diese alternativen Ausführungsformen, in welchen die Laufbuchse 12 und das Gehäuse 14 nicht miteinander verbunden sind, bieten Vorteile dahingehend, dass die Temperaturverteilung in der Laufbuchse 12 besser kontrolliert werden kann.
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Der Wassermantel 20, der in den Ausgestaltungen nach den 3, 4 und 5 zusammenhängend ausgeführt werden kann, weist durch die Stege 30 eine weitaus größere Oberfläche auf Seite der Laufbuchse 12 aus, als dies bei einem Zylinderrohr nach dem Stand der Technik der Fall ist. Insofern lässt sich eine an das im Wassermantel 20 fließende Kühlmittel übertragene Wärmemenge vorteilhaft erhöhen.
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Deformation des Zylinderrohres 10, die auf Grund einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung in der Laufbuchse 12 entsteht, lässt sich auch bei dieser Ausgestaltung begegnen, indem im ersten Kreissektor 31 eine erhöhte Anzahl von Stegen 30 angeordnet werden als im zweiten Kreissektor 32, indem die Abstände zwischen den Stegen 30 variiert werden.
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Auch bei den als Kühlnoppen ausgestalteten Stegen 30 lässt sich die Temperaturverteilung entlang der Längsachse 36 kontrollieren, wenn der erste Abschnitt 33 eine höhere Dichte an Stegen 30 durch einen kleineren, ersten Stegabstand 43 aufweist als der zweite Abschnitt 34, in welchem die Stege mit einem größeren, zweiten Stegabstand 44 angeordnet sind.
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Es versteht sich, dass die durchgehend ausgestalteten Stege 30, die die Laufbuchse 12 und das Gehäuse 14 miteinander verbinden, neben ihrer Eigenschaft als Verstrebung auch Kühlrippen oder Kühlnoppen sind.
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Die Stege 30, die umlaufend angeordnet sind, können alternativ zu einer horizontal umlaufenden Anordnung auch abfallend bzw. aufsteigend angeordnet sein, wie auf 5 ersichtlich. Hierbei kann die Anströmung des Kühlmittels im Wassermantel 20 eine besondere Rolle spielen, da die Strömung des Kühlmittels im Wassermantel 20 von den geometrischen Gegebenheiten des übrigen Gehäuses abhängig ist. Es kann daher besonders vorteilhaft sein, wenn auf die Strömung im Wassermantel 20 Einfluss genommen werden kann.
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Wie aus den 6, 7 und 8 ersichtlich ist es alternativ oder kumulativ zu den vorgenannten Merkmalen der Stege 30 vorteilhaft für das Zylinderrohr 10, wenn wenigstens einer der Stege 30 als Leitblech 50 für eine Kühlmittelströmung 51 innerhalb des Wassermantels 20 ausgebildet ist. Die Leitbleche 50 sind derart ausgestaltet, dass sie einen Impuls des Kühlmittelstromes 51 ändern. Ein lediglich horizontal an der Gleitbuchse 12 strömender Kühlmittelstrom kann, wenn die Leitbleiche entsprechend mit angestellt sind, von dem ersten Abschnitt 34 zum ersten Abschnitt 33 umgeleitet werden. Somit kann Kühlmittel zur Kühlung der Laufbuchse 12 gezielt in einen heißen Bereich geleitet werden oder alternativ, wenn die Leitbleche anders angeordnet sind, gezielt von einem kalten Bereich abgeleitet werden, um die Temperaturverteilung an der Laufbuches 12 oder im Gehäuse 14 konstant zu halten. Thermische Deformationen können somit vorteilhaft reduziert werden.
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Die als Leitblech 50 ausgeformten Stege 30 können, wie zuvor erläutert, entweder mit der Laufbuchse 12 verbunden sein oder mit dem Gehäuse 14 verbunden sein oder mit der Laufbuchse 12 und mit dem Gehäuse 14 verbunden sein. Leitbleche 50 und Stege 30, die nicht als Leitblech 50 ausgeformt sind, können auch gleichzeitig an einem Zylinderrohr 10 vorgesehen sein, um die Vorteile kumulativ an einer Hubkolbenmaschine umzusetzen.
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Wie insbesondere aus 8 ersichtlich, in welchem zwei Zylinderrohre 10 in Seitenansicht mit als Leitblech 50 ausgeformten Stegen 30 offenbart ist, können die Leitbleche 50 zweier benachbarter Zylinderrohre 10 derart ineinander laufen, dass die Kühlmittelströmung 51 gezielt in den zwischen den beiden Zylinderrohren 10 verbleibenden Raum hineingeleitet wird. Dies ist vorteilhaft, da lokal heißere Stellen am Zylinderrohr 10 gezielt gekühlt werden können. Umlaufende Temperaturunterschiede am Zylinderrohr 10 können folglich minimiert werden, wobei eine gleichmäßigere Temperaturausdehnung des Zylinderrohres 10 ermöglicht werden kann.
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Die Herstellung eines erfindungsgemäßen Zylinderrohres 10 mit herkömmlichen, urformenden Verfahren, kann zeit- und kostenintensiv sein. Daher ist es besonders Vorteilhaft für das erfindungsgemäße Zylinderrohr 10, wenn die Laufbuchse 12, die Stege 30 und/oder das Gehäuse 14 nach einem generischen Fertigungsverfahren hergestellt sind. Als generisches oder additives Fertigungsverfahren bzw. 3D-Druck werden Fertigungsverfahren verstanden, bei welchen die Fertigung direkt auf der Basis der rechnerinternen Datenmodelle aus formlosem Material, wie Flüssigkeiten, Gelen/Pasten oder Pulver, oder formneutralem Material, band-, draht- oder blattförmigem Halbzeug, mittels chemischer und/oder physikalischer Prozesse erfolgt.
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Die Laufbuchse 12, die Stege 30 und/oder das Gehäuse 14 können aus unterschiedlichen Werkstoffen ausgebildet sein. So ist es denkbar, dass die Laufbuchse 12 aus einem anderen Material wie das Gehäuse 13 ausgebildet ist, um tribologische, thermische oder mechanische Vorteile umzusetzen. Auch ist es denkbar, dass die Laufbuchse 12, die Stege 30 und/oder das Gehäuse 14 selbst aus unterschiedlichen Werkstoffen, also aus mehreren Werkstoffen, ausgebildet sind.
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Eine aus unterschiedlichen Werkstoffen ausgebildete Laufbuchse 12, Stege 30 und/oder das Gehäuse 14 können stoffschlüssig miteinander verbunden sein, um ein Zylinderrohr 10 mit hoher Lebensdauer bereitzustellen. Mikroschlupf und/oder Kontaktkorrosion durch thermische Dehnung kann somit reduziert werden. Insofern können vorteilhaft die Laufbuchse 12, die Stege 30 und/oder das Gehäuse 14 einteilig ausgebildet sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014109017 A1 [0002]
