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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kolbenanordnung einer Brennkraftmaschine mit einem Kolben mit einem Kolbenoberteil und einem damit verbundenen Kolbenunterteil, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennkraftmaschine mit zumindest einer solchen Kolbenanordnung.
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Insbesondere bei vergleichsweise großen Kolben für Industrieanwendungen (zum Beispiel bei Schiffsmotoren), kann die Ölzufuhr über einen sogenannten Gleitschuh erfolgen. In der Regel haben solche Kolben einen inneren Kühlraum, der unterhalb der Verbrennungsmulde und im radial mittleren Bereich angeordnet ist. Radial außen liegt zudem ein Kühlkanal, der in bekannter Weise ausgebildet und über Überleitöffnungen mit dem inneren Kühlraum verbunden ist. Die Ölzufuhr findet dabei über eine in der Pleuelstange eingebrachte Durchgangsöffnung/Bohrung statt, wobei das Kühlöl über eine trichterförmige Hülse dem Kühlraum zugeführt wird.
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Aus der
DE 10 2012 208 090 A1 ist ein gattungsgemäßer Kolben einer Brennkraftmaschine mit einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil und mit einem Kolbenbolzen bekannt, der im Kolbenunterteil gelagert ist und der Anbindung des Kolbens an eine Pleuelstange der Brennkraftmaschine dient. Des Weiteren vorgesehen ist ein im Kolbenunterteil beweglich gelagerter Gleitschuh, der über ein Federelement gegen ein Pleuelkopf der Pleuelstange gedrückt wird und der der Überführung von durch eine Durchgangsöffnung/Bohrung in der Pleuelstange gefördertem Kühlöl in einen zwischen dem Kolbenoberteil und dem Kolbenunterteil ausgebildeten inneren Kühlraum dient. Zwischen dem Gleitschuh und dem Kolbenunterteil ist dabei eine Führungsfläche für diesen Gleitschuh ausgebildet.
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Aus der
DE 10 2013 002 232 A1 ist ebenfalls ein Kolben einer Brennkraftmaschine mit einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil sowie einer Pleuelstange bekannt, wobei zwischen dem Kolbenoberteil und dem Kolbenunterteil ein innerer Kühlraum zur Aufnahme von Kühlöl ausgebildet ist. Im Kolbenunterteil ist ein Gleitschuh angeordnet, der als geschlitzte Kühlölhülse ausgebildet ist. Durch den Schlitz lässt sich ein Einbau der Kühlölhülse deutlich vereinfachen, jedoch kann hierüber auch eine gewisse Leckage an Kühlöl erfolgen.
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Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Kolben ist entweder die zuvor beschriebenen Leckage an Kühlöl oder das Erfordernis, ein Federelement bereitzustellen, welches den Gleitschuh gegen einen Pleuelkopf drückt und welches ein zusätzliches Bauteil darstellt, welches gefertigt, gelagert und montiert werden muss.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Kolben der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, welche insbesondere einen vereinfachten konstruktiven Aufbau aufweist.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer an sich bekannten Kolbenanordnung einer Brennkraftmaschine mit einem Kolben mit einem Kolbenoberteil, einem Kolbenunterteil und einer Pleuelstange einen im Kolbenunterteil gelagerten Gleitschuh vorzusehen, der über ein Federelement gegen einen Pleuelkopf der Pleuelstange gedrückt wird und der Überführung von Kühlöl in einen zwischen dem Kolbenoberteil und dem Kolbenunterteil ausgebildeten, inneren Kühlraum dient. Das Federelement ist erfindungsgemäß entweder als integraler Bestandteil des Gleitschuhs oder aber als integraler Bestandteil einer Hülse ausgebildet, die zwischen dem Gleitschuh und dem Kolbenunterteil angeordnet ist. Durch die Integration des Federelements in den Gleitschuh oder die Hülse zum Andrücken des Gleitschuhs gegen den Pleuelkopf der Pleuelstange, kann das bislang separate Federelement entfallen und damit auch die damit verbundenen Lager-, Logistik- und Montagekosten. Bei der zweiten alternativen Ausführungsform ist dabei zwischen dem Gleitschuh und dem Kolbenunterteil eine Führungsfläche für den Gleitschuh vorgesehen, die an der zwischen dem Gleitschuh und dem Kolbenunterteil angeordneten Hülse ausgebildet ist. Bei der ersten alternativen Ausführungsform ergibt sich der Vorteil, dass der Gleitschuh zusätzlich auch die Funktion des Federelements ergibt, wobei in diesem Fall der Gleitschuh beispielsweise als kostengünstiges Blechformteil ausgebildet sein kann. Bei der zweiten alternativen Ausführungsform ergibt sich zudem der Vorteil, dass mit der an der Hülse ausgebildeten Führungsfläche eine vom Kolbenunterteil separate Führungsfläche geschaffen wird, wodurch am Kolbenunterteil im Bereich des Gleitschuhs keinerlei Verschleiß mehr entsteht und dieses dadurch eine deutlich längere Standzeit besitzt. Bei einem auftretenden Verschleiß muss in diesem Fall lediglich die Hülse ausgetauscht werden, wodurch sich die Wartungskosten deutlich reduzieren. Zudem kann mit beiden alternativen Ausführungsformen eine Kompressionshöhe des Kolbens und/oder eine Kolbenmuldentiefe sowie eine Kolbenmasse durch Wegfall des Federelements positiv beeinflusst werden. Im Vergleich mit einem geschlitzten Gleitschuh können auch eine deutliche Reduzierung der Leckage von Kühl- und Schmieröl und damit eine deutlich verbesserte Kühlwirkung erreicht werden. Die zweite Alternative des erfindungsgemäßen Kolbens ist bei allen genannten Eigenschaften weiter darin bedeutend vorteilhaft, dass das Federelement nicht Teil des Gleitschuhes ist und dadurch zwei verschiedene Werkstoffe eingesetzt werden können. Ein leichter (bspw. Aluminium) für den Gleitschuh sowie ein federelastischer (bspw. Stahl) für das Federelement bzw. die Hülse.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung entsprechend der ersten Alternative, umfasst das Federelement Federzungen, die in Umfangsrichtung benachbart zueinander und in ihrem Einbauzustand zum inneren Kühlraum hin gerichtet sind. Derartige Federzungen lassen sich dabei fertigungstechnisch vergleichsweise einfach in den Gleitschuh integrieren und bewirken durch ihre Vorspannung ein Andrücken des Gleitschuhs an den Pleuelkopf.
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Zweckmäßig sind zwei benachbarte Federzungen durch einen dazwischen angeordneten Schlitz voneinander getrennt, wobei der Schlitz an seinem inneren Ende in eine kreisförmige Ausnehmung übergeht, deren Durchmesser größer ist als die Schlitzbreite. Durch die kreisförmige Ausnehmung können insbesondere Spannungsspitzen im Bereich eines Schlitzendes deutlich reduziert und damit die Lebensdauer des Gleitschuhs deutlich verlängert werden. Durch eine individuelle Größe des Durchmessers der kreisförmigen Ausnehmung kann zudem auch auf die Federkraft der einzelnen Federzungen Einfluss genommen werden. Die kreisförmigen Ausnehmungen und die Schlitze ermöglichen zudem einen zumindest geringfügigen Übertritt von Kühlöl vom Inneren des Gleitschuhs nach außen an eine am Kolbenunterteil ausgebildete Führungsfläche, wodurch eine Schmierung zwischen dem Gleitschuh und der Führungsfläche am Kolbenunterteil gewährleistet werden kann.
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Zweckmäßig ist an einem freien Ende zumindest einer Federzunge eine Hakenkontur angeordnet, die einen Rand am Kolbenunterteil hintergreift. Hierdurch kann eine vergleichsweise einfache Montage des Gleitschuhs im Kolbenunterteil erreicht werden, da dieser lediglich von unten in das Kolbenunterteil eingedrückt werden muss, bis die Hakenkonturen der Federzungen den Rand hintergreifen und nach außen federn und mit dem Rand verrasten.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der ersten Alternative sind die Federzungen ballig, das heißt nach außen gewölbt, ausgebildet, wobei im Kolbenunterteil ein Aufnahmebereich zur Aufnahme der Federzungen vorgesehen ist, der die Führungsfläche beinhaltet und eine komplementär zur balligen Form der Federzungen ausgebildete konvexe Form aufweist, so dass die Federzungen zumindest bereichsweise flächig am Aufnahmebereich bzw. der Führungsfläche anliegen. Hierdurch kann eine zuverlässige Fixierung des Gleitschuhs am Kolbenunterteil erreicht werden. Der Aufnahmebereich mit seiner konvexen Form kann in Richtung des Pleuelkopfes in einen weiteren Aufnahmebereich mit zylindrischer Form übergehen, wobei der Gleitschuh in diesem Fall in seinem zugehörigen Bereich ebenfalls eine zylindrische Außenfläche aufweist, die eine axiale Führung des Gleitschuhs im Kolbenunterteil ermöglicht.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung entsprechend der zweiten Alternative weist das Federelement einen dem Pleuelkopf zugewandten Federbereich auf, welcher den Gleitschuh umschließt. In diesem Fall ist das Federelement integraler Bestandteil der Hülse und drückt mit seinem Federbereich den Gleitschuh gegen den Pleuelkopf. Der Federbereich kann hierbei eine Ringstufe mit Aussparungen aufweisen, wobei je nach Größe der Aussparungen eine Federkraft des Federbereichs individuell wählbar ist. Die Aussparungen ermöglichen zudem auch einen Schmieröldurchtritt, wodurch die Schmierung des Gleitschuhs bei einer Auf- und Abbewegung unterstützt wird.
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Zweckmäßig können die zuvor beschriebenen Aussparungen schlitzförmig ausgebildet sein, wobei jeweils ein Schlitz zwei benachbarte Federzungen voneinander trennt. Je nach Anzahl der Schlitze und/oder eine radiale Wanddicke der Federzungen lässt sich die Anpresskraft des Federbereichs an den Gleitschuh individuell einstellen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist an der Hülse ein Sicherungsring angebracht, der die Hülse, insbesondere eine Führungshülse, am Kolbenunterteil fixiert. Am Gleitschuh ist zudem ein Sicherungsring angebracht, der den Gleitschuh an der Hülse fixiert. Hierzu sind jeweils im Gleitschuh und in der Hülse entsprechende Ringnuten eingebracht. Durch die Sicherungsringe kann eine Montage sowohl des Gleitschuhs als auch der Hülse vergleichsweise einfach erfolgen.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine Brennkraftmaschine mit zumindest einer solchen Kolbenanordnung auszustatten und dadurch die für die Kolbenanordnung beschriebenen Vorteile auf die Brennkraftmaschine zu übertragen.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
- 1 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Kolbenanordnung entsprechend einer zweiten Ausführungsform,
- 2 eine Darstellung wie in 1, jedoch in einer anderen Schnittebene und als Ansicht auf eine Hülse,
- 3 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Kolbenanordnung entsprechend einer ersten alternativen Ausführungsform,
- 4 eine Darstellung wie in 3, jedoch bei einer anderen Schnittebene,
- 5 eine Darstellung wie in 4, jedoch bei ausgelenktem Pleuelkopf.
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Entsprechend den 1 bis 5, weist eine erfindungsgemäße Kolbenanordnung 1 einer Brennkraftmaschine 2 einen Kolben 3 mit einem Kolbenoberteil 4 und einem Kolbenunterteil 5 sowie einer Pleuelstange 6 auf. Zwischen dem Kolbenoberteil 4 und dem Kolbenunterteil 5 ist dabei ein Kühlraum 7 für Kühlöl zur Kühlung des Kolbens 3 angeordnet. Im Kolbenunterteil 5 ist ein Gleitschuh 8 gelagert, der über ein Federelement 9 gegen einen Pleuelkopf 10 der Pleuelstange 6 gedrückt wird und der Überführung von Kühlöl 11 dient. Erfindungsgemäß bildet nun das Federelement 9 entweder einen integralen Bestandteil des Gleitschuhs 8 (vergleiche die 3 bis 5) oder das Federelement 9 bildet einen integralen Bestandteil einer Hülse 12 (vergleiche die 1 und 2). Durch die Funktionsintegration des Federelements 9 in entweder den Gleitschuh 8 oder die Hülse 12 kann auf ein bislang erforderliches, separates Federelement verzichtet werden, wodurch sich nicht nur die Teilevielfalt und verbunden damit die Lager- und Logistikkosten reduzieren lassen, sondern zusätzlich auch ein Montageaufwand. „Integral“ soll in diesem Zusammenhang materialeinheitlich oder einstückig bedeuten.
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Betrachtet man die 1 und 2, so kann man in diesen die zweite alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens 3 erkennen, bei welcher zwischen dem Gleitschuh 8 und dem Kolbenunterteil 5 eine Führungsfläche 13 für den Gleitschuh 8 vorgesehen ist, die an der zwischen dem Gleitschuh 8 und dem Kolbenunterteil 5 angeordneten Hülse 12 ausgebildet ist. Die an der Hülse 12 ausgebildete Führungsfläche 13 bietet dabei den großen Vorteil, dass der Gleitschuh 8 nicht mehr direkt am Kolbenunterteil 5 gelagert ist, so dass ein Reibverschleiß nahezu ausschließlich zwischen dem Gleitschuh 8 und der Hülse 12 erfolgt und bei erhöhtem Verschleiß lediglich die Hülse 12 ausgetauscht werden muss.
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Die zweite Alternative des erfindungsgemäßen Kolbens 3 ist bei allen genannten Eigenschaften weiter darin bedeutend vorteilhaft, dass das Federelement 9 nicht Teil des Gleitschuhes 8 ist und dadurch zwei verschiedene Werkstoffe eingesetzt werden können. Ein leichter (bspw. Aluminium) für den Gleitschuh 8 sowie ein federelastischer (bspw. Stahl) für das Federelement 9 bzw. die Hülse 12.
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Betrachtet man das Federelement 9 gemäß den 1 und 2, so kann man erkennen, dass dieses einen dem Pleuelkopf 10 zugewandten Federbereich 14 aufweist, der den Gleitschuh 8 umschließt. Der Federbereich 14 besitzt dabei eine Ringstufe 15 mit Aussparungen 16, wobei diese Aussparungen 16 schlitzförmig ausgebildet sind und jeweils ein Schlitz zwei benachbarte Federzungen 17 voneinander trennt. Der jeweilige Schlitz kann dabei an seinem inneren Ende eine kreisförmige Ausnehmung 18 aufweisen, deren Durchmesser größer ist als eine Schlitzbreite, wobei durch die Größe der kreisförmigen Ausnehmung 18 eine Breite und damit eine Federkraft der einzelnen Federzungen 17 individuell einstellbar ist. Darüber hinaus können durch die kreisförmige Ausnehmung 18 eine in diesem Bereich auftretende Kerbwirkung reduziert und damit die Robustheit des Federelements 9 gesteigert werden.
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Betrachtet man die 1 und 2 weiter, so kann man erkennen, dass an der Hülse 12 ein Sicherungsring 19 angebracht ist, der in eine entsprechende Ringnut an der Hülse 12 eingreift und der die Hülse 12 am Kolbenunterteil 5 fixiert. In gleicher Weise ist auch der Gleitschuh 8 gesichert, nämlich durch einen Sicherungsring 19' (vergleiche 1), der in eine entsprechende Ringnut am Gleitschuh 8 eingreift und der den Gleitschuh 8 an der Hülse 12 fixiert. Hierdurch ist eine besonders einfache Montage des Gleitschuhs 8 bzw. der Hülse 12 am Kolbenunterteil 5 möglich, bevor dieses mit dem Kolbenoberteil 4 verbunden, beispielsweise verschraubt wird.
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Betrachtet man die erste alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kolbenanordnung 1 gemäß den 3 bis 5, so kann man bei dieser erkennen, dass das Federelement 9 Federzungen 17 umfasst, die in Umfangsrichtung benachbart zueinander angeordnet und im Einbauzustand zum inneren Kühlraum 7 gerichtet sind. Auch hier ist zwischen zwei benachbarten Federzungen 17 ein dazwischen angeordneter Schlitz vorgesehen, wobei der Schlitz an seinem inneren Ende ebenfalls in eine kreisförmige Ausnehmung 18 übergeht, deren Durchmesser größer ist als die Schlitzbreite. Auch hier ist es möglich, über die Anzahl der Schlitze und damit über die Anzahl der Federzungen 17 sowie eine Größe der Schlitzbreite bzw. der Ausnehmungen 18 und/oder eine radiale Wanddicke der Federzungen 17 Einfluss auf die Federkraft der einzelnen Federzungen 17 nehmen zu können.
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In der gemäß den 3 bis 5 gezeigten ersten alternativen Ausführungsform ist weder ein separates Federelement noch eine separate Hülse erforderlich, wodurch sich die Teilevielfalt und damit verbunden die Lage- und Logistikkosten sowie ein Montageaufwand zusätzlich reduzieren.
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Betrachtet man die Federzungen 17 gemäß den 3 bis 5 weiter, so kann man erkennen, dass diese an einem freien Ende eine Hakenkontur 20 aufweisen, die einen Rand 21 am Kolbenunterteil 5 hintergreifen. Eine Fixierung des Gleitschuhs 8 am Kolbenunterteil 5 ist somit durch ein einfaches Eindrücken des Gleitschuhs 8 in eine kolbenunterteilseitige Öffnung 22 möglich, wobei zunächst die einzelnen Federzungen 17 radial nach innen verstellt und vorgespannt werden, bis sie den Rand 21 am Kolbenunterteil 5 hintergreifen und dabei federnd radial nach außen verstellt werden.
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Die Federzungen 17 gemäß den 3 bis 5 sind ballig, das heißt nach au-βen gewölbt, ausgebildet. Im Kolbenunterteil 5 ist dabei im Bereich der Öffnung 22 ein Aufnahmebereich 23 zur Aufnahme der Federzungen 17 vorgesehen, der eine komplementär zur balligen Form der Federzungen 17 ausgebildete konvexe Form besitzt, so dass die Federzungen 17 zumindest bereichsweise flächig an dem Aufnahmebereich 23 der Öffnung 22 anliegen. Hierdurch kann eine abwälzende Formgebung erreicht werden, die den Vorteil eines sanfteren Kraftanstiegs bei axialer Verschiebung sowie eines geringeren Anstiegs der Bauteilbeanspruchung bei axialer Verschiebung bietet. In Richtung des Pleuelkopfs 6 geht dabei der konvexe Aufnahmebereich 23 in einen zylindrischen Führungsbereich 24 über, der eine axiale Führungsfläche für den Gleitschuh 8 bildet.
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Unabhängig von der jeweiligen alternativen Ausführungsform besitzt der Gleitschuh
8 an seinem dem Pleuelkopf
10 zugewandten Ende einen so großen Aufnahmebereich, dass durch einen entsprechenden Ölzuführkanal
25 einströmendes Kühlöl
11 unabhängig von der Drehstellung des Pleuelkopfes
10 zum Kolben
3 vom Gleitschuh
8 aufgenommen werden kann (vergleiche insbesondere auch die
2 und
5). Der Aufnahmebereich kann insbesondere bei der gemäß den
3 -
5 gezeigten ersten alternativen Ausführungsform als längliche Öffnung (gegenüber einer sonst kreisrunden Öffnung) ausgeführt werden. Betrachtet man beispielsweise die
3, so kann man im Unterschied dazu in den
4 und
5 den deutlich verbreiterten Aufnahmebereich erkennen, der beispielsweise durch Ausnehmungen
26 im Gleitschuh
8 vergrößert wird und dadurch als längliche Öffnung ausgebildet ist. In
3 ist beispielsweise die Breite
B des Aufnahmebereichs gezeigt, während in der
5 die Länge
L eingezeichnet ist. Die Länge
L ist dabei größer als die Breite
B, wodurch die längliche Öffnung bzw. der längliche Aufnahmebereich entsteht. Dies ist auch ein wesentlicher Vorteil gegenüber der Ausführung
DE 10 2013 002 232 A1 .
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Mit der erfindungsgemäßen Kolbenanordnung 1 und besonders dem erfindungsgemäßen Gleitschuh 8 bzw. der Hülse 12 lassen sich die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile, wie beispielsweise Teilevielfalt und hoher Montageaufwand deutlich reduzieren und zudem eine vergleichsweise geringe Bauraumhöhe erreichen, wodurch beispielsweise eine Kompressionshöhe des Kolbens sowie eine Kolbenmuldentiefe aber auch eine Kolbenmasse günstig beeinflusst werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012208090 A1 [0003]
- DE 102013002232 A1 [0004, 0030]
