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Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor sowie einen Verbrennungsmotor der einen oder mehrere Zylinder ausbildet, wobei jeweils ein Kolben beweglich innerhalb des Zylinders angeordnet ist.
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Während der Auf- und Abwärtsbewegungen eines Kolbens innerhalb eines Zylinders eines (Hubkolben-)Verbrennungsmotors liegt überwiegend ein hydrodynamischer Reibungszustand vor, da der Kolbenmantel auf der mit einem flüssigen Schmiermittel benetzen Zylinderwand aufschwimmt. Durch den Schmiermittelfilm, der zwischen der Zylinderwand und dem Kolbenmantel angeordnet ist, wird größtenteils eine Kontaktreibung zwischen diesen Komponenten verhindert. Die Benetzung der Zylinderwand mit dem Schmiermittel wird dabei üblicherweise dadurch gewährleistet, dass das Schmiermittel über eine Schmiermitteldüse ausgebracht und/oder von einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors aufgeschleudert wurde.
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Untersuchungen haben gezeigt, dass infolge der relativ großen Kräfte, die während des Arbeitstakts auf einen Kolben eines Verbrennungsmotors wirken, während der ersten Hälfte des entsprechenden Arbeitshub des Kolbens ein Mischreibungszustand zwischen dem Kolbenmantel und der Zylinderwand vorliegt, die aus einer mangelhaften Benetzung der Zylinderwand mit Schmiermittel resultiert.
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Die
DE 10 2005 041 908 A1 offenbart einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, bei dem unterhalb eines Ölabstreifrings, der in einer Ringnut des Kolbens angeordnet ist, eine radiale Vertiefung ausgebildet ist, die dafür vorgesehen ist, von dem Ölabstreifring angesammeltes Öl abzuführen. Die radiale Vertiefung ist dabei derart ausgebildet, dass ein oberer Durchmesser kleiner als ein unterer Durchmesser ist.
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Ein dazu vergleichbarer Kolben für einen Verbrennungsmotor ist auch aus der
DE 10 2017 007 637 A1 bekannt. Dort ist die als Ölnut bezeichnete Vertiefung unterhalb des Ölabstreifrings mit einer omniophoben Schicht versehen, die ein auf Massenkräften basierendes Herausschleudern von in der Ölnut enthaltenem Schmiermittel, das zuvor mittels des Ölabstreifring von der Zylinderwand abgestreift wurde, vorteilhaft beeinflussen soll. Dies soll dazu dienen, eine möglichst gute Benetzung der Zylinderwand auch dann sicherzustellen, wenn eine Schmiermitteldüse, mittels der eine Innenseite des Kolbens bedarfsweise und primär zu Kühlzwecken mit Schmiermittel besprüht werden kann, nicht in Betrieb ist.
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Die
DE 10 2017 213 896 A1 offenbart ebenfalls einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, bei dem direkt unterhalb eines Ölabstreifrings ein Ölsammelkanal angeordnet ist, der einen wannenförmigen Grund aufweist, in dem sich während eines Abwärtshubs des Kolbens Schmiermittel ansammeln soll. Während eines sich anschließenden Aufwärtshubs soll dieses Schmiermittel über eine im Bereich des Grunds des Ölsammelkanals abgehende, schräg nach unten führende und in dem Kolbenmantel austretende Ablaufbohrung wieder abgeleitet werden, um eine ausreichende Benetzung der Zylinderwand mit dem Schmiermittel in einem sich wiederum daran anschließenden Abwärtshub des Kolbens zu gewährleisten.
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Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, bei einem Hubkolben-Verbrennungsmotor jederzeit im Betrieb einen möglichst vollständigen hydrodynamischen Reibungszustand zwischen der Zylinderwand eines Zylinders und dem Kolbenmantel eines in dem Zylinder beweglich geführten Kolbens zu gewährleisten.
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Diese Aufgabe wird mittels eines Kolbens gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Eine Kolbeneinheit mit einem solchen Kolben sowie ein Verbrennungsmotor mit einer entsprechenden Kolbeneinheit sind Gegenstände der Patentansprüche 9 und 10. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen des erfindungsgemäßen Kolbens und damit der erfindungsgemäßen Kolbeneinheit und des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und/oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist ein Kolben für einen Verbrennungsmotor vorgesehen, wobei dieser Kolben einen geschlossen ausgebildeten Kolbenboden und einen außenseitig in zumindest einem Abschnitt zylindrisch ausgebildeten Kolbenmantel, in dem mindestens eine Ringnut zur Aufnahme eines Kolbenrings und insbesondere eines Ölabstreifrings angeordnet ist, umfasst. Auf der von dem Kolbenboden abgewandten Seite der Ringnut bzw. aller vorhandenen Ringnuten ist eine vorzugsweise geschlossen ringförmig umlaufende Ölaufnamevertiefung in dem Kolbenmantel angeordnet. Die Ölaufnahmevertiefung ist erfindungsgemäß derart ausgebildet, dass ein Verhältnis der maximalen axialen Höhe zu der maximalen radialen Tiefe zwischen 2,5 und 3,5 und besonders bevorzugt zwischen 3,1 und 3,2 beträgt. Insbesondere kann das Verhältnis der maximalen axialen Höhe zu der maximalen radialen Tiefe in etwa oder möglichst exakt dem Wert der mathematischen Kreiszahl π (3,1415926...) entsprechen. Die maximale radiale Tiefe der Ölaufnahmevertiefung kann weiterhin bevorzugt einem Wert zwischen 0,1 mm und 2 mm, vorzugsweise zwischen 0,5 mm und 1,5 mm und besonders bevorzugt von 1 mm entsprechen.
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Es wurde herausgefunden, dass mittels einer solchen Ölaufnahmevertiefung eine flächendeckende Benetzung der Zylinderwand mit Schmiermittel und damit ein hydrodynamischer Reibungszustand zwischen dem Kolbenmantel und der Zylinderwand auch in der ersten Hälfte eines Arbeitshubs des Kolbens gewährleistet werden kann. Diese flächendeckende Benetzung basiert dabei nicht nur auf einem Ausbringen von Schmiermittel aufgrund von Massenkräften während der Aufwärtsbewegung des Kolbens (von einem unteren Totpunkt (UT) zu einem oberen Totpunkt (OT)), wie dies aus der
DE 10 2017 007 637 A1 bekannt ist. Vielmehr gewährleistet die erfindungsgemäße Dimensionierung der Ölaufnahmevertiefung zusätzlich ein Ausbringen von Schmiermittel aus der Ölaufnahmevertiefung, das während des vorausgegangenen Abwärtshubs durch den Kolbenring abgestreift und dadurch in der Ölaufnahmevertiefung zwischengelagert wurde, ebenfalls während der Aufwärtsbewegung und insbesondere während der zweiten Hälfte dieser Aufwärtsbewegung des Kolbens. Dieses Ausbringen von Schmiermittel aus der Ölaufnahmevertiefung beruht dabei auf Wirbelströmungen, die während des Aufwärtshubs des Kolbens unterhalb des Kolbenrings entstehen. Die Zylinderwand ist folglich schon vor der Durchführung des sich daran anschließenden Abwärtshubs möglichst vollständig mit Schmiermittel benetzt, wodurch das erfindungsgemäß angestrebte Ziel, einen Mischreibungszustand, der bei konventionellen Verbrennungsmotoren insbesondere während der ersten Hälfte eines Arbeits- und damit Abwärtshubs des Kolbens auftreten kann, zu vermeiden, erreicht wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens kann vorgesehen sein, dass der Grund der Ölaufnahmevertiefung, d.h. die die Ölaufnahmevertiefung begrenzende(n) Wandung(en), in Richtung der Erstreckung der Längsachse des Kolbens einen vorzugsweise kontinuierlich gekrümmten und besonders bevorzugt einen zykloidischen Verlauf aufweist. Ein solcher Verlauf hat sich besonders vorteilhaft hinsichtlich eines Ausbringens von Schmiermittel infolge der Wirbelströmungen gezeigt. Ein weiterer Vorteil einer solchen Ölaufnahmevertiefung darin liegt, dass dadurch bei der Realisierung eines erfindungsgemäßen Verhältnisses der maximalen axialen Höhe zu der maximalen radialen Tiefe eine nur relativ geringe strukturelle Schwächung des Kolbens durch die Ölaufnahmevertiefung bewirkt wird. Insbesondere in dieser Hinsicht zeigt sich ein durchgehend gekrümmter und insbesondere zykloidischer Verlauf des Grunds der Ölaufnahmevertiefung vorteilhaft im Vergleich zu anderen, ebenfalls erfindungsgemäß umsetzbaren Verläufen des Grunds der Ölaufnahmevertiefung, beispielsweise gegenüber einem viereckigen oder dreieckigen Verlauf.
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Gemäß einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens kann vorgesehen sein, dass die Ölaufnahmevertiefung in die Ringnut ausläuft, so dass ein zwischen der Ringnut und der Ölaufnahmevertiefung ausgebildeter, insbesondere ringförmig umlaufender Steg gegenüber der Außenfläche des Kolbenmantels zurückversetzt beziehungsweise mit einem kleineren Durchmesser ausgebildet ist. Die Bemessung der maximalen axialen Höhe bezieht sich dann auf das axiale Ende des in dem Ringkanal ausgelaufenen Abschnitts der Ölaufnahmevertiefung, das in derselben radialen Distanz zu der Längsachse des Kolbens wie das andere, von dem Ringkanal beabstandet gelegene, axiale Ende der Ölaufnahmevertiefung liegt. Dies gilt dann, wenn ein entsprechender Grundverlauf für die Ölaufnahmevertiefung auch bei einem Auslaufen in den Ringkanal exakt definierbar ist, wie dies zumindest bei einem konstant und gleichmäßig gekrümmten und insbesondere zykloidischen Grundverlauf oder auch bei einem dreieckigen Grundverlauf der Fall ist. Anderenfalls bezieht sich die Bemessung der maximalen axialen Höhe der Ölaufnahmevertiefung auf die Distanz von dem bezüglich des Ringkanals beabstandeten Ende bis zu dem Ort des Übergangs in den Ringkanal. Durch eine solche Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Kolbens mit einem Auslauf der Ölaufnahmevertiefung in den Ringkanal kann die Ölaufnahmevertiefung beziehungsweise der Abschnitt davon, der die maximale radiale Tiefe aufweist, relativ nah an der Ringnut positioniert werden, was sich vorteilhaft hinsichtlich des mittels Wirbelströmungen bewirkten Ausbringens von Schmiermittel aus der Ölaufnahmevertiefung sowie hinsichtlich der strukturellen Stabilität des Kolbens auswirken kann.
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Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der Grund der Ölaufnahmevertiefung eines erfindungsgemäßen Kolbens öffnungsfrei ausgebildet ist und demnach beispielsweise keine Ablaufbohrung gemäß dem in der
DE 10 2017 213 896 A1 offenbarten Kolben vorgesehen ist. Folglich kann vorgesehen sein, dass die bezüglich des Umfangs der Zylinderwand gleichmäßigere Benetzung der Zylinderwand, die durch ein Ausbringen von Schmiermittel durch während einer Aufwärtsbewegung des Kolbens auftretende Wirbelströmungen im Vergleich zu einem Ausbringen durch eine oder mehrere Ablaufbohrungen (gemäß dem in der
DE 10 2017 213 896 A1 offenbarten Kolben) erreichbar ist, in möglichst vollem Umfang genutzt werden soll. Alternativ kann jedoch auch ein erfindungsgemäßer Kolben eine Öffnung und insbesondere eine Ablaufbohrung in dem Grund der Ölaufnahmevertiefung aufweisen, wodurch die beiden beschriebenen Wirkungsweisen hinsichtlich der Benetzung der Zylinderwand mit Schmiermittel in Kombination genutzt werden können.
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Ein erfindungsgemäßer Kolben kann weiterhin eine Drehlageraufnahme für eine drehbare Lagerung eines Pleuels aufweisen. Ein den Kolbenboden ausbildender Kolbenkopf des Kolbens kann dann bezüglich des Verlaufs der Längsachse des Kolbens neben der Drehlageraufnahme angeordnet sein, während ein Kolbenhemd die Drehlageraufnahme zumindest teilweise radial umgibt. Vorzugsweise ist dann noch vorgesehen, dass die Ringnut in dem Kolbenkopf und die Ölaufnahmevertiefung in dem Kolbenkopf oder in dem Kolbenhemd oder in dem Kolbenkopf und in dem Kolbeneinheit, d.h. in dem Übergang zwischen dem Kolbenkopf und dem Kolbenhemd, angeordnet ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausgestaltungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt, jeweils in vereinfachter Darstellung:
- 1: einen Längsschnitt durch einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors gemäß einer ersten Ausgestaltungsform;
- 2: einen Längsschnitt durch einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors gemäß einer zweiten Ausgestaltungsform;
- 3: einen Längsschnitt durch einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors gemäß einer dritten Ausgestaltungsform; und
- 4: einen Längsschnitt durch einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors gemäß einer vierten Ausgestaltungsform.
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Die 1 bis 4 zeigen verschiedene Ausgestaltungsformen erfindungsgemäßer Verbrennungsmotoren 1, wobei die Unterschiede zwischen diesen Verbrennungsmotoren 1 lediglich in der Form und/oder der Positionierung einer Ölaufnahmevertiefung 3, die in einem Kolben 2 des jeweiligen Verbrennungsmotors 1 ausgebildet ist, betreffen.
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Die Verbrennungsmotoren1 sind als 4-Takt-Hubkolbenmotoren ausgebildet und umfassen in bekannter Weise ein Zylindergehäuse 4, in dem ein oder mehrere Zylinder 5 ausgebildet ist/sind. In dem oder in jedem der Zylinder 5 ist jeweils ein erfindungsgemäßer Kolben 2 beweglich geführt, wobei ein an einem oberen Ende des jeweiligen Kolbens 2 gelegener, geschlossen ausgebildeter Kolbenboden (jeweils nicht dargestellt) gemeinsam mit der Zylinderwand des dazugehörigen Zylinders 5 sowie einem das Zylindergehäuse 4 nach oben verschließenden Zylinderkopf (jeweils nicht dargestellt) einen Brennraum ausbildet, in dem im Betrieb des Verbrennungsmotors 1 zeitweise Verbrennungsprozesse durchgeführt werden, wodurch eine Bewegung des jeweiligen Kolbens 2 innerhalb des dazugehörigen Zylinders 5 bewirkt wird. Diese Bewegung des Kolbens 2 oder die Bewegungen der Kolben 2 wird dabei durch eine Kurbelwelle (jeweils nicht dargestellt) geführt, mit der die Kolben 2 über Pleuel (jeweils nicht dargestellt) verbunden sind. Dabei sind die Pleuel drehbeweglich sowohl an jeweils einem Kurbelzapfen der Kurbelwelle als auch an einer Drehlageraufnahme (jeweils nicht dargestellt) des jeweiligen Kolbens 2 befestigt. Die Drehlageraufnahme des Kolbens ist dabei unterhalb und damit bezüglich einer (sich in den 1 bis 4 von unten nach oben erstreckenden) Längsachse des Kolbens 2 neben einem den Kolbenboden ausbildenden Kolbenkopf 6 angeordnet sowie zumindest teilweise von einem Kolbenhemd 7 umgeben.
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Innerhalb des zu dem Kolbenkopf 6 gehörenden Abschnitts des Kolbenmantels ist mindestens eine geschlossen um die Längsachse des Kolbens 2 umlaufende Ringnut 8 angeordnet, in der ein Kolbenring 9 angeordnet ist, der als Ölabstreifring dient. Ein solcher Kolbenring 9 umfasst einen Ringkörper 10, der für einen Kontakt mit der Zylinderwand des Zylinders 5 vorgesehen ist, wobei ein möglichst vollständiger Kontakt über den gesamten Umfang der Zylinderwand und des Kolbenrings 9 mittels eines ebenfalls ringförmigen Federelements 11 bewirkt wird, das den Ringkörper 10 radial nach außen drückt.
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Direkt unterhalb der Ringnut 8 ist in jedem der Kolben 2 die Ölaufnahmevertiefung 3 vorgesehen, die ebenfalls geschlossen ringförmig um die Längsachse des Kolbens 2 umlaufend ausgebildet ist. Der Grund dieser Ölaufnahmevertiefung 3 weist bei den Verbrennungsmotoren 1 gemäß den 1 und 2 jeweils einen zykloidischen Verlauf auf, während der entsprechende Verlauf bei dem Verbrennungsmotor 1 gemäß der 3 viereckig und konkret rechteckig und bei dem Verbrennungsmotor1 gemäß der 4 dreieckig ausgebildet ist.
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Weiterhin sind die Ölaufnahmevertiefungen 3 der in den 1 bis 4 dargestellten Kolben 2 dadurch gekennzeichnet, dass diese ein Verhältnis zwischen der maximalen axialen Höhe hmax und der maximalen radialen Tiefe rmax aufweisen, das einem Wert zwischen 3,1 und 3,2 entspricht. Konkret sind für die Ölaufnahmevertiefungen 3 mit zykloidischen Grundverläufen gemäß den 1 und 2 jeweils eine maximale radiale Tiefe von rmax 1 mm und eine maximale axialen Höhe hmax von 3,1416 mm vorgesehen, während bei den Ölaufnahmevertiefungen 3 mit rechteckigen oder dreieckigen Grundverläufen gemäß den 3 und 4 jeweils eine maximale radiale Tiefe rmax von 0,5 mm und eine maximale axiale Höhe von hmax 1,5708 mm vorgesehen sind.
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Die Ölaufnahmevertiefungen 3 der Kolben 2 sorgen für eine flächendeckende Benetzung der zugehörigen Zylinderwand des Zylinders 5 mit Schmiermittel und gewährleisten damit einen hydrodynamischen Reibungszustand zwischen dem Kolbenmantel und der Zylinderwand auch in der ersten Hälfte eines Arbeitshubs des jeweiligen Kolbens 2. Dies beruht einerseits darauf, dass Schmiermittel aufgrund von Massenkräften während der zweiten Hälfte des vorausgegangenen Aufwärtshubs des Kolbens 2 aus der Ölaufnahmevertiefung 3 herausgeschleudert wird. Zusätzlich und im Wesentlichen gleichzeitig dazu sorgt die erfindungsgemäße Dimensionierung der Ölaufnahmevertiefungen 3, insbesondere in Kombination mit dem zykloidischen Grundverlauf gemäß den 1 und 2, für ein in einem relativ großen Ausmaß stattfindendes Ausbringen von Schmiermittel aus der jeweiligen Ölaufnahmevertiefung 3 infolge von Wirbelströmungen, die unterhalb des Kolbenrings 9 entstehen. Die Zylinderwand ist folglich vor der Durchführung des sich anschließenden Abwärtshubs des Kolbens 2 in relativ hohem Maße mit Schmiermittel benetzt, wodurch das erfindungsgemäß angestrebte Ziel, einen Mischreibungszustand während eines Arbeitshubs des Kolbens 2 in dem Zylinder 5 einer erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 1 zu vermeiden, erreicht wird.
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Der in der 1 dargestellte Kolben 2 unterscheidet sich von demjenigen gemäß der 2 lediglich dahingehend, dass bei diesem die Ölaufnahmevertiefung 3 ein Stück weit in die Ringnut 8 übergeht, so dass der zwischen der Ringnut 8 und der Ölaufnahmevertiefung 3 ausgebildete Steg 12 gegenüber der Außenfläche des Kolbenmantels zurückversetzt ist. Dadurch kann die Ölaufnahmevertiefung 3 beziehungsweise der Abschnitt davon, der die maximale radiale Tiefe rmax aufweist, relativ nah an der Ringnut 8 positioniert sein, was sich vorteilhaft hinsichtlich des mittels der Wirbelströmungen bewirkten Ausbringens von Schmiermittel aus der Ölaufnahmevertiefung 3 sowie hinsichtlich der strukturellen Stabilität des Kolbens 2 auswirkt. Ein entsprechender Übergang der Ölaufnahmevertiefung 3 in die dazugehörige Ringnut 8 ist auch bei dem Kolben 2 gemäß der 4 vorgesehen.
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Ein Vorteil der Ölaufnahmevertiefungen 3 mit zykloidischen Grundverläufen gemäß den 1 und 2 beziehungsweise von allen gleichmäßig gekrümmten Grundverläufen im Vergleich zu denjenigen mit rechteckigen oder dreieckigen Grundverläufen gemäß den 3 und 4 liegt in einer relativ geringen Schwächungswirkung dieser Ölaufnahmevertiefungen 3 hinsichtlich der strukturellen Stabilität des jeweiligen Kolbens 2. Dies ermöglicht, die Ölaufnahmevertiefungen 3 mit zykloidischen Grundverläufen insgesamt großvolumiger zu dimensionieren, wodurch die Wirkung hinsichtlich der Benetzung der dazugehörigen Zylinderwand während des Betriebs des jeweiligen Verbrennungsmotors 1 positiv beeinflusst wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verbrennungsmotor
- 2
- Kolben
- 3
- Ölaufnahmevertiefung
- 4
- Zylindergehäuse
- 5
- Zylinder
- 6
- Kolbenkopf
- 7
- Kolbenhemd
- 8
- Ringnut
- 9
- Kolbenring
- 10
- Ringkörper
- 11
- Federelement
- 12
- Steg
- hmax
- maximale axiale Höhe der Ölaufnahmevertiefung
- rmax
- maximale radiale Tiefe der Ölaufnahmevertiefung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005041908 A1 [0004]
- DE 102017007637 A1 [0005, 0010]
- DE 102017213896 A1 [0006, 0013]
