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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen Pleuel für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung, sowie eine Brennkraftmaschine mit einem einstellbaren Verdichtungsverhältnis mit einem solchen Pleuel.
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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 Pleuelstangenlänge bekannt, welche mit Hilfe von hydraulisch oder mechanisch betätigbaren Umschaltventilen eine Exzenter-Verstelleinrichtung eines Pleuels betätigen.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, einen Pleuel zu schaffen, welches eine geringe Leckage aufweist.
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Eine weitere Aufgabe ist es, eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Pleuel 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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Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Kugellager mit einem an einer Stützstange angeordneten Kugelkopf vorgeschlagen,
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Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Pleuel für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung vorgeschlagen, umfassend ein Hublagerauge zur Anbindung des Pleuels an eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, ein Pleuellagerauge zur Anbindung des Pleuels an einen Zylinderkolben der Brennkraftmaschine, eine Exzenter-Verstelleinrichtung zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge, wobei die Exzenter-Verstelleinrichtung einen mit einem Exzenterhebel zusammenwirkenden und drehfest verbundenen Exzenter aufweist, in welchem ein Kolbenbolzen des Zylinderkolbens aufgenommen ist. Die Exzenter-Verstelleinrichtung weist zwei Hydraulikkammern mit jeweils einem Kolben auf, der in einer Zylinderbohrung verschiebbar geführt und mit einer Stützstange gelenkig verbunden ist. Dabei weist der Kolben an einer Außenseite eine umlaufende Ausnehmung auf, in welcher ein Dichtelement angeordnet ist. Das Dichtelement ist gegen die Zylinderbohrung vorgespannt.
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Der erfindungsgemäße Pleuel umfasst ein druckinitialisiertes Dichtelement, welches eine größere Dichtheit des Kolben-Hydraulikkammer-Systems der Exzenter-Verstelleinrichtung aufweist. Das an den Kolben der Exzenter-Verstelleinrichtung angeordnete Dichtelement wirkt durch den Druck einer Federvorspannung und gewährleistet die Dichtheit der Hydraulikkammer auch bei abgestellter Brennkraftmaschine.
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Damit wird eine Auswirkung von Leckage an Hydraulikflüssigkeit wie beispielsweise Motoröl vermieden, welche für die gesamte Exzenter-Verstelleinrichtung sich ungünstig auswirken würde und einen Ölverlust aus der Hydraulikkammer und damit ein Absinken des Kolbens bewirken würde. Auf diese Weise kann auch beim Zurückstellen die Möglichkeit, Luft in das System anzusaugen, vermieden werden. Je mehr Öl austritt, desto mehr Luft könnte im Gegenzug angesaugt werden und damit könnte die Luft im System zu einem Ausfall des verstellbaren Pleuels führen. Das Problem, dass das Dichtelement bei heißer Brennkraftmaschine gegenüber dem Kolben schrumpft, kann auf diese Weise vermieden werden.
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Der erfindungsgemäße Pleuel kann so auf Grund der geringen Leckage an Öl seine Funktionsfähigkeit behalten und dauerhaft zuverlässig eine Verstellbarkeit der Pleuelstangenlänge gewährleisten.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann in der Ausnehmung ein Federelement angeordnet sein, welches das Dichtelement gegen die Zylinderbohrung vorspannt. Das Federelement kann günstig innerhalb des inneren Durchmessers des Dichtelements angeordnet sein und auf Grund der Vorspannung des Federelements das Dichtelement nach radial außen gegen eine innere Wand der Zylinderbohrung der Hydraulikkammer drücken. So kann die Dichtheit der Hydraulikkammer vorteilhaft gewährleistet werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Federelement als eigenständiges Bauteil ausgebildet sein. Das Federelement kann beispielsweise von innen an das Dichtelement, welches beispielsweise in Form einer O-Ring-Dichtung ausgebildet ist, angelegt sein und das Dichtelement nach radial außen vorspannen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Federelement mit dem Dichtelement verbunden sein. Günstigerweise kann das Federelement jedoch auch mit dem Dichtelement verbunden sein, um so verliersicher bei der Montage des Dichtelements zur Verfügung zu stehen. Damit lässt sich der Kolben bei der Montage der Exzenter-Verstelleinrichtung leichter in die Zylinderbohrung einführen. Auch ist das Federelement auf diese Weise im Betrieb immer an einer günstigen Position, um das Dichtelement geeignet vorzuspannen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung können das Federelement und das Dichtelement ein integrales Bauteil bilden. Das Federelement kann mit dem Dichtelement ein einteiliges Bauteil bilden und so in das Dichtelement integriert sein. Dadurch lässt sich die Montage des Dichtelements auf geeignete Weise vereinfachen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Federelement im Dichtelement eingespritzt ausgebildet sein. Eine zweckmäßige Möglichkeit, das Federelement in das Dichtelement zu integrieren, besteht darin, beispielsweise das Federelement als Einlegeteil in den Spritzgussprozess des Dichtelements miteinzubringen. Auf diese Weise kann das Federelement gleich bei der Herstellung des Dichtelements mitumspritzt werden und ist damit automatisch untrennbar mit dem Dichtelement verbunden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Federelement im entspannten, insbesondere im nicht-verbauten Zustand, einen größeren Außendurchmesser aufweisen als sein Außendurchmesser im eingebauten Zustand. Das Federelement baut so im eingebauten Zustand eine größere Federspannung auf. Auf diese Weise weist das Federelement eine günstige Vorspannung auf, um das Dichtelement in geeigneter Weise gegen die innere Wand der Zylinderbohrung zu drücken und so die Dichtfunktion zu gewährleisten.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Durchmesser im eingebauten Zustand des Federelementes einem Innendurchmesser des Dichtelements im eingebauten Zustand entsprechen. Das Federelement drückt so im eingebauten Zustand von radial innen gegen den Innendurchmesser des Dichtelements und erzeugt auf diese Weise die geeignete Vorspannung, um das Dichtelement gegen die innere Wandung der Hydraulikkammer dichtend anzulegen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Federelement auf seinem Umfang geschlitzt ausgebildet sein. Dadurch ist es möglich, dass das Federelement die geeignete Vorspannung aufweist, um das Dichtelement in geeigneter Weise gegen die innere Wand der Zylinderbohrung zu drücken und so die Dichtfunktion zu gewährleisten.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Federelement im entspannten Zustand einen offenen Spalt aufweisen. So kann das Federelement zusammengedrückt werden, um genügend Vorspannung für das Dichtelement aufzubauen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Federelement im entspannten Zustand einen Stoß, insbesondere einen überlappenden Stoß, aufweisen. Auch auf diese Weise kann das Federelement zusammengedrückt werden, um genügend Vorspannung für das Dichtelement aufzubauen. Auch lässt sich so die Montage des Federelements innerhalb des Dichtelements auf günstige Weise vornehmen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Federelement aus Metall oder aus Kunststoff ausgebildet sein. Beide Materialien stellen geeignete Werkstoffe dar, um dauerhafte Federelemente daraus zu fertigen, die auch gegenüber Hydraulikflüssigkeit wie beispielsweise Motoröl beständig sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Federelement entgegen seiner Krümmung in gewellter Form ausgebildet sein. Das Federelement kann sich so in geeigneter Weise auf seiner Innenseite an dem Kolben abstützen und so die geeignete Vorspannung für das Dichtelement aufbringen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Federelement torusförmig oder als Ring mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet sein. Das Federelement kann so beispielsweise als Sprengring ausgebildet sein. In einer alternativen Ausführungsform ist es jedoch auch möglich, dass das Federelement in Form einer ringförmigen Bandfeder mit rechteckförmigem Querschnitt ausgebildet ist.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Brennkraftmaschine mit einem einstellbaren Verdichtungsverhältnis vorgeschlagen mit wenigstens einem Pleuel wie oben beschrieben. Der Pleuel umfasst ein druckinitialisiertes Dichtelement, welches eine größere Dichtheit des Kolben-Hydraulikkammer-Systems der Exzenter-Verstelleinrichtung aufweist. Das an den Kolben der Exzenter-Verstelleinrichtung angeordnete Dichtelement wirkt durch den Druck einer Federvorspannung und gewährleistet die Dichtheit der Hydraulikkammer auch bei abgestellter Brennkraftmaschine. Auf diese Weise kann ein vorteilhafter Betrieb der Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung gewährleistet werden.
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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:
- 1 einen erfindungsgemäßen Pleuel im Längsschnitt;
- 2 einen Kolben eines erfindungsgemäßen Pleuels in einer Seitenansicht mit eingezeichneten Schnittebenen A-A und B-B;
- 3 den Kolben gemäß 2 im Längsschnitt entlang der Schnittebene A-A; und
- 4 den Kolben gemäß 2 im Querschnitt entlang der Schnittebene B-B.
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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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1 zeigt in schematischer Darstellung beispielhaft einen Pleuel 1 für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung mit einer Exzenter-Verstelleinrichtung 2 zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge, welche als Abstand der Mittelachse eines Hublagerauges 12 von der Mittelachse der Bohrung eines Exzenters 4 definiert ist. Die Exzenter-Verstelleinrichtung 2 weist den mit einem einteiligen oder mehrteiligen Exzenterhebel 3 zusammenwirkenden Exzenter 4 auf, in welchem ein nicht dargestellter Kolbenbolzen eines Zylinderkolbens aufnehmbar ist. Ein Verstellweg der Exzenter-Verstelleinrichtung 2 ist mittels eines Umschaltventils 5 verstellbar.
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Eine Verdrehung der verstellbaren Exzenter-Verstelleinrichtung 2 wird durch Einwirken von Massenkräften und Lastkräften des Verbrennungsmotors initiiert, die bei einem Arbeitstakt des Verbrennungsmotors auf die Exzenter-Verstelleinrichtung 2 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.
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Die Kolben 6, 7 sind jeweils in einer Zylinderbohrung 8, 9 eines Hydraulikzylinders 14, 15 des Pleuels 1 verschiebbar geführt und mit Stützstangen 10, 11 verbunden, welche ihrerseits mit dem Exzenterhebel 3 gelenkig verbunden sind. Beispielhaft sind die Stützstangen 10, 11 der Exzenter-Verstelleinrichtung 2 über Zylinderrollen 46, 47 mit dem Exzenterhebel 3 verbunden.
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Der Pleuel 1 weist das Hublagerauge 12 zur Anbindung des Pleuels 1 an eine Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine sowie ein Pleuellagerauge 13 zur Anbindung des Pleuels 1 an den Zylinderkolben der Brennkraftmaschine auf.
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Die Kolben 6, 7 sind in durch die Zylinderbohrungen 8, 9 gebildete Zylinder 14, 15 als Hydraulikkammern verschiebbar angeordnet und über Zuläufe 16, 17 von dem Hublagerauge 12 aus mit Hydraulikflüssigkeit, beispielsweise Motoröl über Rückschlagventile 18, 19 beaufschlagt. Diese verhindern dabei ein Rückfließen der Hydraulikflüssigkeit aus den Hydraulikkammern 14, 15 zurück in die Zuläufe 16, 17, ermöglichen jedoch ein Nachsaugen von Hydraulikflüssigkeit in die Hydraulikkammern 14, 15.
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Die Hydraulikkammern 14, 15 sind weiter über nicht dargestellte Abläufe mit dem Umschaltventil 5 verbunden, welches als Hydraulikventil oder als mechanisches Ventil ausgebildet sein kann und über eine Ablaufleitung 22 mit dem Hublagerauge 12 verbunden ist.
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Wie ersichtlich ist, weist der Pleuel 1 einen Pleuelkörper 20 und einen daran befestigten Pleueldeckel 21 auf.
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Auf einem Umfang des Hublagerauges 12 ist im Bereich des Pleuelkörpers 20 eine Nut 23 vorgesehen, in welche die Zuläufe 16, 17 sowie die Ablaufleitung 22 münden. Dadurch, dass die Nut 23 nur auf einem Teil des Umfangs des Hublagerauges 12 angeordnet ist, wird auch die Tragfähigkeit des Lagers in dem Hublagerauge 12 möglichst wenig beeinträchtigt.
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Der Aufbau des beschriebenen Pleuels 1 ist nur beispielhaft dargestellt und die erfindungsgemäße Exzenterhebelverbindung kann auch in anderen Ausführungsvarianten eines Pleuels mit einer Exzenter-Verstelleinrichtung Anwendung finden. So ist es beispielsweise möglich, das Umschaltventil 5 im Bereich des Pleueldeckels 21 anzuordnen. Ferner können die beschriebenen Rückschlagventile 18, 19 im Umschaltventil 5 integriert vorgesehen sein. Auch die hydraulische Versorgung der Hydraulikkammern 14, 15 kann von der beschriebenen Ausführung abweichen.
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Die Stützstange 10, 11 weist jeweils ein Kugelgelenk 24, 25 auf und umfasst einen an der Stützstange 10, 11 angeordneten Kugelkopf 26, 27, der in einer Kugelkopfaufnahme 38, 39 des Kolbens 6, 7 gelagert ist. Der Kugelkopf 26, 27 ist an seiner Außenfläche in der Kugelkopfaufnahme 38, 39 durch Sicherungsmittel gegen Herausgleiten aus der Kugelkopfaufnahme 38, 39 gesichert. Als Sicherungsmittel sind beispielhaft jeweils zwei Stifte 28 vorgesehen. Andere Sicherungsmittel sind im Rahmen der Erfindung denkbar.
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Die Kugelkopfaufnahme 38, 39 umfasst ein gewölbtes Bodenteil, das an die Außenkontur des Kugelkopfs 26, 27 angepasst ist und auf dem der Kugelkopf 26, 27 gleiten kann, um Verkippungen der Stützstange 10, 11 zu ermöglichen.
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Um die Leckage zu minimieren, ist jeweils ein Dichtelement 29, 30, welches in einer umlaufenden Ausnehmung auf einer Kolbenaußenseite des Kolbens 6, 7 angeordnet ist, gegen die Zylinderbohrung 8, 9 vorgespannt.
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2 zeigt einen Kolben 6 eines erfindungsgemäßen Pleuels 1 in einer Seitenansicht mit eingezeichneten Schnittebenen A-A und B-B. 3 zeigt den Kolben 6 gemäß 2 im Längsschnitt entlang der Schnittebene A-A, während 4 den Kolben 6 gemäß 2 im Querschnitt entlang der Schnittebene B-B darstellt.
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Wie aus den 2 bis 4 ersichtlich ist, ist zur Vorspannung des Dichtelementes 29 zwischen dem Kolben 6 und dem Dichtelement 29 ein Federelement 31 vorgesehen, welches das Dichtelement 29 gegen die Zylinderbohrung 8 vorspannt. Das Federelement 31 ist dazu in der Ausnehmung 32 angeordnet, und kann so die geeignete Vorspannung aufbauen.
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Die Leckage kann hierdurch minimiert werden, was sich günstig auf das Gesamtsystem auswirkt, da ein Ölverlust aus der Hydraulikkammer 14 minimiert werden kann. Ferner kann ein Ansaugen von Luft verhindert werden.
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Das Federelement 31 kann in unterschiedlichen Ausführungsformen ausgebildet sein.
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Das Federelement 31 kann als eigenständiges Bauteil ausgebildet sein. Das Federelement 31 kann beispielsweise von innen an das Dichtelement 29, welches beispielsweise in Form einer O-Ring-Dichtung ausgebildet ist, angelegt sein und das Dichtelement 29 nach radial außen vorspannen.
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Das Federelement 31 kann mit dem Dichtelement 29 verbunden sein, um so verliersicher bei der Montage des Dichtelements 29 zur Verfügung zu stehen. Damit lässt sich der Kolben 6 bei der Montage der Exzenter-Verstelleinrichtung 2 leichter in die Zylinderbohrung 8 einführen. Auch ist das Federelement 31 auf diese Weise im Betrieb immer an einer günstigen Position, um das Dichtelement 29 geeignet vorzuspannen.
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Das Federelement 31 und das Dichtelement 29 können ein integrales Bauteil bilden. Das Federelement 31 kann mit dem Dichtelement 29 ein einteiliges Bauteil bilden und so in das Dichtelement 29 integriert sein. Dadurch lässt sich die Montage des Dichtelements 29 auf geeignete Weise vereinfachen.
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Das Federelement 31 kann im Dichtelement 29 eingespritzt ausgebildet sein. Eine zweckmäßige Möglichkeit, das Federelement 31 in das Dichtelement 29 zu integrieren, besteht darin, beispielsweise das Federelement 31 als Einlegeteil in den Spritzgussprozess des Dichtelements 29 miteinzubringen. Auf diese Weise kann das Federelement 31 gleich bei der Herstellung des Dichtelements 29 mit umspritzt werden und ist damit automatisch untrennbar mit dem Dichtelement 29 verbunden.
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Das Federelement 31 kann im entspannten, insbesondere im nicht-verbauten Zustand, einen größeren Außendurchmesser aufweisen als sein Außendurchmesser im eingebauten Zustand. Das Federelement 31 baut so im eingebauten Zustand eine größere Federspannung auf. Auf diese Weise weist das Federelement 31 eine günstige Vorspannung auf, um das Dichtelement 29 in geeigneter Weise gegen die innere Wand der Zylinderbohrung 8 zu drücken und so die Dichtfunktion zu gewährleisten.
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Der Durchmesser im eingebauten Zustand des Federelementes 31 kann einem Innendurchmesser des Dichtelements 29 im eingebauten Zustand entsprechen. Das Federelement 31 drückt so im eingebauten Zustand von radial innen gegen den Innendurchmesser des Dichtelements 29 und erzeugt auf diese Weise die geeignete Vorspannung, um das Dichtelement 29 gegen die innere Wandung der Hydraulikkammer 8 dichtend anzulegen.
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Das Federelement 31 kann auf seinem Umfang geschlitzt ausgebildet sein. Dadurch ist es möglich, dass das Federelement 31 die geeignete Vorspannung aufweist, um das Dichtelement 29 in geeigneter Weise gegen die innere Wand der Zylinderbohrung 8 zu drücken und so die Dichtfunktion zu gewährleisten.
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Das Federelement 31 kann im entspannten Zustand einen offenen Spalt aufweisen. So kann das Federelement 31 zusammengedrückt werden, um genügend Vorspannung für das Dichtelement 29 aufzubauen.
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Das Federelement 31 kann im entspannten Zustand einen Stoß, insbesondere einen überlappenden Stoß, aufweisen. Auch auf diese Weise kann das Federelement 31 zusammengedrückt werden, um genügend Vorspannung für das Dichtelement 29 aufzubauen. Auch lässt sich so die Montage des Federelements 31 innerhalb des Dichtelements 29 auf günstige Weise vornehmen.
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Das Federelement 31 kann aus Metall oder aus Kunststoff ausgebildet sein. Beide Materialien stellen geeignete Werkstoffe dar, um dauerhafte Federelemente 31 daraus zu fertigen, die auch gegenüber Hydraulikflüssigkeit wie beispielsweise Motoröl beständig sind.
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Das Federelement 31 kann entgegen seiner Krümmung in gewellter Form ausgebildet sein. Das Federelement 31 kann sich so in geeigneter Weise auf seiner Innenseite an dem Kolben 6 abstützen und so die geeignete Vorspannung für das Dichtelement 29 aufbringen.
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Das Federelement 31 kann torusförmig oder als Ring mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet sein. Das Federelement 31 kann so beispielsweise als Sprengring ausgebildet sein. In einer alternativen Ausführungsform ist es jedoch auch möglich, dass das Federelement 31 in Form einer ringförmigen Bandfeder mit rechteckförmigem Querschnitt ausgebildet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005055199 A1 [0003]
