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EINLEITUNG
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Während eines Verbrennungszyklus eines Verbrennungsmotors (ICE) werden Luft/Kraftstoffgemische Zylindern innerhalb eines Motorblocks des ICE bereitgestellt. Die Luft/Kraftstoffgemische werden komprimiert und/oder gezündet und verbrannt, um über einen hin- und hergehende Kolben, der innerhalb der Zylinder liegt, ein Abtriebsdrehmoment bereitzustellen.
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KURZDARSTELLUNG
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Gemäß einem Aspekt einer exemplarischen Ausführungsform ist ein Kolben für einen Verbrennungsmotor vorgesehen. Der Kolben kann einen Kolbenkopf beinhalten, der durch eine Oberseite, eine umlaufende Seitenfläche, einen unteren Hohlraum und eine auf mindestens einen Abschnitt der Oberseite aufgebrachte Wärmedämmschicht (TIC) definiert ist. Der Kolbenkopf beinhaltet auch einen oberen Abschnitt, der die Oberseite definiert und aus einem Aluminiummaterial hergestellt ist, sowie einen unteren Abschnitt, der den Rest des Kolbenkopfes bildet und aus einem Eisenmaterial hergestellt ist. Der obere Abschnitt und der untere Abschnitt können durch Schweißen verbunden werden. Die TIC kann Siliziumdioxid sein. Die Oberseite des Kolbenkopfes kann vor der Anwendung der TIC eloxiert werden. Die TIC kann eine Dicke von etwa 0,05 Millimetern bis etwa 0,15 Millimetern aufweisen. Der Kolbenkopf beinhaltet eine Krone, die durch eine ringförmige Oberfläche definiert ist, die sich von der Umfangsfläche nach innen erstreckt und die Kolbenkopfoberfläche definiert, wobei sich eine Oberfläche der Kronenmulde und eine innere Kronenumfangsfläche zwischen einer Innenkante der ringförmigen Oberfläche und einem Außenumfang der Kronenmuldenoberfläche erstrecken. Die Oberfläche der Kronenmulde kann konvex sein. Die TIC kann ferner auf mindestens einen Abschnitt einer oder mehrerer der Oberflächen der Kronenmulde und der inneren Kronenumfangsfläche aufgebracht werden. Die umlaufende Seitenfläche kann eine oder mehrere umlaufende Kolbenringnuten beinhalten.
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Gemäß einem Aspekt einer exemplarischen Ausführungsform ist ein Verbrennungsmotor vorgesehen. Der Motor kann einen Zylinderblock beinhalten, der eine oder mehrere Zylinderbohrungen definiert, einen oder mehrere Kolben, die jeder der einen oder mehreren Zylinderbohrungen entsprechen und zum Hin- und Herbewegen darin konfiguriert sind. Jeder Kolben kann einen Kolbenkopf beinhalten, der durch eine obere Krone, eine umlaufende Seitenfläche, einen unteren Hohlraum und eine auf mindestens einen Abschnitt der ringförmigen Oberfläche aufgebrachte Wärmedämmschicht (TIC) definiert ist. Die obere Krone kann durch eine ringförmige Oberfläche definiert sein, die sich von der Umfangsfläche nach innen erstreckt und die Kolbenkopfoberfläche definiert, wobei sich eine Oberfläche der Kronenmulde und eine innere Kronenumfangsfläche zwischen einer Innenkante der ringförmigen Oberfläche und einem Außenumfang der Kronenmuldenoberfläche erstrecken. Der Kolbenkopf beinhaltet einen oberen Abschnitt, der die Oberseite definiert und ein Aluminiummaterial umfasst, und einen unteren Abschnitt, der den Rest des Kolbenkopfes bildet und ein Eisenmaterial umfasst. Der obere Abschnitt und der untere Abschnitt jedes Kolbenkopfes kann durch Schweißen verbunden werden. Die TIC jedes Kolbenkopfes kann aus Siliziumdioxid bestehen. Die Oberseite des Kolbenkopfes kann vor der Anwendung der TIC eloxiert werden. Die TIC kann eine Dicke von etwa 0,05 Millimetern bis etwa 0,15 Millimetern aufweisen. Die TIC kann ferner auf mindestens einen Abschnitt einer oder mehrerer der Oberflächen der Kronenmulde und der inneren Kronenumfangsfläche aufgebracht werden. Der obere Abschnitt kann derart konfiguriert werden, dass der obere Abschnitt jeden Kronenabschnitt definiert, auf den die TIC aufgebracht wird. Die TIC kann ferner auf mindestens einen Abschnitt der Oberfläche der Kronenmulde und der inneren Kronenumfangsfläche aufgebracht werden.
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Weitere Zwecke, Vorteile und neuartige Merkmale der Ausführungsformbeispiele ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den beigefügten Zeichnungen.
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Figurenliste
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- 1 veranschaulicht eine Seitenansicht eines Motors gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen;
- 2A veranschaulicht eine Querschnittsseitenansicht eines Kolbenkopfes gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen;
- 2B veranschaulicht eine Querschnittsseitenansicht eines Kolbenkopfes gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen;
- 2C veranschaulicht eine Querschnittsseitenansicht eines Kolbenkopfs gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen; und
- 2D veranschaulicht eine Querschnittsseitenansicht eines Kolbenkopfes gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind hierin beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgerecht; einige Merkmale können größer oder kleiner dargestellt sein, um die Einzelheiten bestimmter Komponenten zu veranschaulichen. Folglich sind die hierin offenbarten aufbau- und funktionsspezifischen Details nicht als einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um den Fachleuten die verschiedenen Arten und Weisen der Nutzung der vorliegenden Erfindung zu vermitteln. Wie Fachleute verstehen, können verschiedene Merkmale, die mit Bezug auf beliebige der Figuren dargestellt und beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben sind. Die dargestellten Kombinationen von Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung übereinstimmen, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen und Implementierungen erwünscht sein.
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Hierin vorgesehen sind bimetallische Kolben und Motoren, die diese beinhalten, die Wärmedämmschichten (TIC) umfassen. Insbesondere Kolben, die Kolbenköpfe mit einem oberen Aluminiumabschnitt und einem unteren Eisenabschnitt umfassen, bieten verbesserte mechanische Vorteile bei gleichzeitiger Minimierung der unerwünschten Wärmeübertragung. Die oberen Aluminiumabschnitte sind mit verschiedenen TICs kompatibel, zum Beispiel mit Silicium-TICs.
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Unter Bezugnahme auf 1 der Zeichnungen ist ein Verbrennungsmotor mit einem Zylindergehäuse 12 dargestellt, das eine Vielzahl von Zylinderbohrungen 13 definiert, wobei jede Zylinderbohrung 13 im Allgemeinen Zylinderwände 14 aufweist. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist nur eine Zylinderbohrung 13 dargestellt und beschrieben. Das eine Ende der Zylinderbohrung 13 ist ein Zylinderkopf 11, der mit einer Oberseite 31 eines Kolbens 20 zusammenwirkt, um eine Brennkammer mit variablem Volumen 15 zu definieren. Der Zylinderkopf 11 definiert die Ein- und Auslassöffnungen 16 und 17, die selektiv durch Ventile, wie beispielsweise die Tellerventile 18 und 19, geöffnet werden. Die Einlass- und Auslassöffnungen 16 und 17 sind in selektiver Verbindung mit der Brennkammer 15 vorgesehen, um das Einbringen von Luft oder eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in die Brennkammer 15 und das Abführen von Verbrennungsprodukten aus der Brennkammer 15 zu ermöglichen.
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Der Kolbenkopf 30 ist definiert durch die Oberseite 31 und eine umlaufende Seitenfläche 32. Die umlaufende Seitenfläche 32 erstreckt sich von der Oberseite 31 nach unten und definiert im Allgemeinen den zylindrischen Kolbenkopf 30. Der Kolbenkopf 30 kann in einigen Ausführungsformen nicht zylindrisch sein, solange die Oberseite 31 im Allgemeinen der Querschnittsgeometrie der Zylinderbohrung 13 entspricht. Der Kolbenkopf 30 kann optional eine oder eine Vielzahl von umlaufenden, axial beabstandeten Kolbenringnuten 33 beinhalten, die sich optional von der umlaufenden Seitenfläche nach innen erstrecken können, wobei die Kolbenringnuten zur Aufnahme eines Kolbenrings konfiguriert sind (nicht dargestellt). Kolbenringe können für eine oder mehrere der folgenden Aufgaben verwendet werden: Abdichtung der Brennkammer 15, Steuerung der Ölabwanderung innerhalb der Zylinderbohrung 13 und Verhindern des Austritts von druckbeaufschlagten Gasen in ein Kurbelgehäuse 9. Der Kolbenkopf 30 kann optional zusätzlich einen unteren Hohlraum 34 beinhalten. Der Kolbenkopf 30 kann ferner einen Bolzennabenabschnitt 52 beinhalten, der sich von der Oberseite 31 nach unten erstreckt und im unteren Hohlraum 34 angeordnet ist.
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Der Kolben 20 ist für eine verschiebbare Hin- und Herbewegung innerhalb der Zylinderbohrung 13 konfiguriert. Die umlaufende Seitenfläche 32 ist mit der Zylinderwand 14 in Eingriff bringbar, um den Kolben 20 in seiner Hin- und Herbewegung zu führen und Schubkräfte aufzunehmen, die von der Zylinderwand 14 auf den Kolben 20 ausgeübt werden können. Die Oberseite 31 bildet eine Wand der Brennkammer 15, die bei einer Bewegung des Kolbens 20 die Expansion oder Kontraktion der Brennkammer 15 bewirkt, wie sie für den Betrieb in einem Arbeitszyklus eines Verbrennungsmotors erforderlich ist. Um den Kolben 20 als Mittel zur Kraftentfaltung zu nutzen, ist der Kolben 20 funktionsfähig mit externen Elementen, wie beispielsweise einer Kurbelwelle 62 eines Fahrzeugs, verbunden. Die Kurbelwelle 62 kann die Hin- und Herbewegung eines oder mehrerer Kolben 20 in eine Drehbewegung umwandeln und diese beispielsweise auf ein oder mehrere Räder eines Fahrzeugantriebsstrangs übertragen. Die Kurbelwelle 62 kann über eine oder mehrere Pleuelstangen 58 mit einem oder mehreren Kolben 20 wirksam gekoppelt werden; jede Pleuelstange 58 kann beispielsweise über einen Kolbenbolzen 56 mit einer Kolbenbolzenbohrung 54 einer Bolzennabe 52 gekoppelt werden. In einigen Ausführungsformen kann die Kolbenbolzenbohrung 54 an einer oder mehreren Stellen durch die umlaufende Seitenfläche 32 gebildet werden. In einer derartigen Ausführungsform kann die Bolzennabe 52 ein optionales Merkmal sein.
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Die 2A-D veranschaulichen Querschnittsseitenansichten des Kolbenkopfes 30. Der Kolbenkopf 30 beinhaltet einen oberen Abschnitt 35, der die Oberseite 31 definiert und Aluminium umfasst, einen unteren Abschnitt 36, der ein Eisenmaterial umfasst, und eine Wärmedämmschicht (TIC) 38, die auf mindestens einen Abschnitt der Oberseite 31 aufgebracht ist. Der Kolbenkopf 30 ist in den 2A-D aus nicht einschränkenden Gründen der Übersichtlichkeit ohne einige Merkmale dargestellt, wie beispielsweise den Bolzennabenabschnitt 52 und eine oder mehrere Ringnuten 33 und es versteht sich, dass eine oder mehrere Ringnuten 33 in einem oberen Abschnitt 35 und/oder einem unteren Abschnitt 36 des Kolbenkopfs 30 vorhanden sein können. Der Kolbenkopf 30 nutzt die robusten mechanischen Eigenschaften des eisenhaltigen unteren Abschnitts 36 und die gewichtssparenden Aspekte des aluminiumhaltigen oberen Abschnitts 35 durch seinen zweiteiligen Aufbau vorteilhaft. Der obere Aluminiumabschnitt 35 verleiht zudem materialkompatible Aspekte in Bezug auf die darauf abgeschiedene TIC 38. Während des Betriebs des Motors 10 ist es erwünscht, die in der Brennkammer oder in der Nähe jeder Brennkammer 15 gespeicherte Wärmeenergie zu maximieren. Die TIC 38 reduziert, minimiert oder verhindert anderweitig die Wärmeübertragung von jeder Brennkammer 15 auf ihren zugehörigen Kolben 20. Die TIC 38 wird auf mindestens einen Abschnitt der Oberseite 31 aufgebracht. 2A veranschaulicht eine Ausführungsform, bei welcher die TIC 38 auf den äußeren, radialen Abschnitt der Oberseite 31 aufgebracht ist. 2B veranschaulicht eine Ausführungsform, bei welcher die TIC 38 auf die gesamte Oberseite 31 aufgebracht ist. In weiteren Ausführungsformen kann die TIC 38 in unterschiedlichen Mengen und/oder Positionen auf die Oberseite 31 aufgebracht werden, um beispielsweise die wärmeabschirmenden Aspekte zu optimieren. So können beispielsweise Hochtemperaturzonen der Oberseite 31 identifiziert und TIC 38 darauf aufgebracht werden. In einigen Ausführungsformen kann die Dicke der TIC 38 basierend auf Abschnitten der Oberseite 31 variieren, die während des Betriebs des Motors 10 mehr Wärme absorbieren.
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Der obere Abschnitt 35 definiert die Oberseite 31. In einigen Ausführungsformen definiert der obere Abschnitt 35 die Oberseite 31, auf welche die TIC 38 aufgebracht wird. Danach können der obere Abschnitt 35 und der untere Abschnitt 36 in Bezug auf eine Höhe H des Kolbenkopfs 30 variieren. 2A veranschaulicht eine Ausführungsform, bei welcher sich der untere Abschnitt 36 über den unteren Hohlraum 34 erstreckt. 2B veranschaulicht eine Ausführungsform, bei welcher der untere Abschnitt 36 nur Bereiche des Kolbenkopfes 30 umfasst, die unterhalb des unteren Hohlraums oben 34* liegen. Die Höhenhöhenvariation H des oberen Abschnitts 35 und des unteren Abschnitts 36 kann basierend auf verschiedenen Erwägungen bestimmt werden, wie beispielsweise den gewünschten mechanischen Eigenschaften des Kolbenkopfes 30 und dem Gewicht.
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Der obere Abschnitt 35 umfasst Aluminium oder eine geeignete Aluminiumlegierung, wie sie nach dem Stand der Technik bekannt ist. In einer Ausführungsform umfasst der obere Abschnitt 35 eine Aluminium-Silizium-Legierung. Eine Aluminium-Silizium-Legierung kann bis zu etwa 30 % Silizium oder etwa 5 % bis etwa 25 % Silizium umfassen. In einer Ausführungsform umfasst eine Aluminium-Silizium-Legierung eine eutektische Legierung mit etwa 12 % Silizium und gegebenenfalls jeweils etwa 1 % Kupfer, Nickel und Magnesium. In einigen Ausführungsformen umfasst der obere Abschnitt 35 eine übereutektische Aluminium-Silizium-Legierung mit etwa 17 % bis etwa 25 % Silizium. Der obere Abschnitt 35 kann zum Beispiel gegossen oder geschmiedet werden. Der untere Abschnitt 36 umfasst ein Eisenmaterial, wie beispielsweise Gusseisen, Stahl, Edelstahl oder Stahllegierungen, wie sie nach dem Stand der Technik bekannt sind. Einige Beispiele für geeignete Stahllegierungen sind unter anderem 38MnSiVS5, 42CrMo4 und 38MnVS6. Der obere Abschnitt 35 und der untere Abschnitt 36 können an einer Schnittstelle 37 durch verschiedene geeignete Verfahren verbunden werden. In einigen Ausführungsformen können der obere Abschnitt 35 und der untere Abschnitt 36 durch Schweißen verbunden werden. Der obere Aluminiumabschnitt 35 und der untere Eisenabschnitt 36 können beispielsweise mit bimetallischen Übergangseinsätzen verschweißt werden. In weiteren Ausführungsformen können der obere Aluminiumabschnitt 35 und der untere Eisenabschnitt 36 durch Tauchlackieren oder Löten verschweißt werden. In einigen Ausführungsformen können der obere Abschnitt 35 und der untere Abschnitt 36 durch mechanische Mittel, wie beispielsweise Schrauben oder Bolzen, verbunden werden. In einigen Ausführungsformen umfasst der obere Abschnitt 35 eine Ummantelung, die um den unteren Abschnitt 36 herum angeordnet ist, wie beispielsweise durch eine Klemmverschraubung.
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In einigen Ausführungsformen, wie in den 2C-D dargestellt, umfasst der Kolbenkopf 30 eine Krone 40. Die Krone 40 ist im Allgemeinen durch eine ringförmige Fläche 41 definiert, die sich von der umlaufenden Seitenfläche 32 nach innen erstreckt. Die ringförmige Fläche 41 umfasst die Oberseite 31 des Kolbenkopfes 30. Obwohl die ringförmige Fläche 41 in den 2C-D als im Allgemeinen flach beschrieben ist, versteht es sich, dass die ringförmige Fläche nach Bedarf auch nicht-planare Konturen oder Merkmale beinhalten kann. Des Weiteren wird die ringförmige Fläche 41 als radial (d. h. senkrecht) nach innen verlaufend veranschaulicht, wobei sich die ringförmige Fläche 41 in weiteren Ausführungsformen je nach Bedarf unter einem nicht-senkrechten Winkel nach innen erstrecken kann. Die Krone 40 umfasst ferner eine Kronenmuldenfläche 43 und eine innere Kronenumfangsfläche 42, die sich zwischen einer Innenkante der ringförmigen Fläche 41 und einem Außenumfang der Kronenmuldenfläche 43 erstreckt. In einigen Ausführungsformen kann die Kronenmuldenfläche 43 flach (d. h. im Wesentlichen parallel zur Oberseite 31) sein. In einigen Ausführungsformen, wie in den 2C-D dargestellt, kann die Kronenmuldenfläche 43 konvex sein. In einigen Ausführungsformen kann die Kronenmuldenfläche 43 konkav sein. Die TIC 38 kann auf verschiedene Bereiche einer Krone 40 aufgebracht werden. 2C veranschaulicht die TIC 38, die auf die ringförmige Fläche 41 der Krone 40 aufgebracht ist. In derartigen Ausführungsformen kann die TIC 38 auf die gesamte ringförmige Fläche 41 der Krone 40 aufgebracht werden. In weiteren Ausführungsformen, wie in 2D dargestellt, kann die TIC 38 ferner auf die innere Kronenumfangsfläche 42 und/oder die Kronenmuldenfläche 43 aufgebracht werden. Der obere Abschnitt 35 ist derart konfiguriert, dass der obere Abschnitt 35 jeden Abschnitt der Krone 40 definiert, auf den die TIC 38 aufgebracht ist. Wie beispielsweise in 2C veranschaulicht, worin die TIC 38 nur auf die ringförmige Fläche 41 und nicht auf die innere Kronenumfangsfläche 42 oder die Kronenmuldenfläche 43 aufgebracht wird, kann sich der untere Abschnitt 36 über mindestens einen Abschnitt der Kronenmuldenfläche 43 erstrecken. In einem weiteren Beispiel, wie in 2D veranschaulicht, worin die TIC 38 auf die ringförmige Fläche 41, die innere Kronenumfangsfläche 42 und die Kronenmuldenfläche 43 aufgebracht ist, erstreckt sich der untere Abschnitt 36 nicht über die Kronenmuldenfläche 43.
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Die geeignete TIC 38 beinhaltet diejenigen, die eine geeignete Wärmeabschirmung aufweisen und mit dem oberen Aluminiumabschnitt 35 kompatibel sind, sodass die TIC 38 eine geeignete Bindung aufweist, wenn sie darauf aufgebracht wird. In einer Ausführungsform umfasst die TIC 38 Siliziumdioxid (SiO2). Eine Siliziumdioxid-TIC 38 kann auf die Oberseite 31 des oberen Abschnitts 35 aufgebracht werden, indem die Oberseite 31 behandelt wird, um eine hochporöse Aluminiumoxidoberfläche zu bilden. Die hochporöse Aluminiumoxidoberfläche kann etwa 50 Mikron bis etwa 150 Mikron dick, etwa 70 Mikron bis etwa 120 Mikron dick oder etwa 80 Mikron bis etwa 100 Mikron dick sein. In einem konkreten Beispiel ist die hochporöse Aluminiumoxidoberfläche etwa 90 Mikrometer dick. Die Oberseite 31 kann behandelt werden, um poröses Aluminiumoxid zu bilden, zum Beispiel durch Anodisieren. Anschließend kann Siliziumdioxid auf die Oberseite 31 aufgetragen oder auf andere Weise gebildet werden. So kann beispielsweise in einer Ausführungsform die Oberseite 31 einer erwärmten Lösung aus Alkohol und Natriumsilikat ausgesetzt werden. In einer Ausführungsform kann die Oberseite 31 Perhydropolysilazan ausgesetzt werden, das darauf bei Reaktion mit Wasserdampf eine Siliziumdioxidschicht bildet. In einer weiteren Ausführungsform kann die Oberseite 31 einer erwärmten Lösung aus Dibutylether (90-99 Gew.-%) und Perhydropolysilazan (1-10 Gew.-%) ausgesetzt werden. Die Dicke der TIC 38-Schicht kann je nach den gewünschten Isolationseigenschaften und den Bindefähigkeiten der TIC 38 variieren. In einigen Ausführungsformen umfasst die TIC 38 eine Dicke von bis zu etwa 0,1 Millimetern, bis zu etwa 0,125 Millimetern oder bis zu etwa 0,15 Millimetern. In einigen Ausführungsformen umfasst die TIC 38 eine Dicke von bis zu etwa 0,05 Millimetern, bis zu etwa 0,15 Millimetern.
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Während oben exemplarische Ausführungsformen beschrieben wurden, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen beschreiben, die von den Ansprüchen umfasst sind. Vielmehr dienen die in der Spezifikation verwendeten Worte der Beschreibung und nicht der Beschränkung und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die nicht explizit beschrieben oder veranschaulicht werden. Während verschiedene Ausführungsformen beschrieben worden sein könnten, um Vorteile zu bieten oder gegenüber anderen Ausführungsformen oder Implementierungen des Standes der Technik in Bezug auf eine oder mehrere gewünschte Merkmale bevorzugt zu sein, werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass ein oder mehrere oder Eigenschaften beeinträchtigt werden können, um gewünschte Gesamtsystemattribute zu erreichen, die von der spezifischen Anwendung und Implementierung abhängen. Diese Attribute können Kosten, Festigkeit, Haltbarkeit, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Aussehen, Verpackung, Größe, Gebrauchstauglichkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Leichtigkeit der Montage usw. beinhalten, sind aber nicht darauf beschränkt. Daher sind Ausführungsformen, die nach dem Stand der Technik, in Bezug auf eine oder mehrere Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Implementierungen beschrieben sind, nicht außerhalb des Schutzumfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.
