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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft einen Kolben, für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenboden und mit einem Kolbenkopf, der sich an den Kolbenboden anschließt, und mit einem bereichsweise hohlen Kolbenschaft, der an dem Kolbenkopf auf der dem Kolbenboden abgewandten Seite angeformt ist und der zwei einander gegenüberliegende Schaftwandabschnitte sowie zwei einander gegenüberliegende, die Schaftwandabschnitte verbindende Verbindungswände aufweist, die zusammen den Hohlraum des Kolbenschafts umgeben, wobei die Verbindungswände jeweils eine Bolzenbohrung aufweisen, die durch den Hohlraum hindurch miteinander fluchten und deren Wandung durch mindestens einen Stützwandungsabschnitt in Form von zumindest einem Teilbereich einer Kreiszylindermantelfläche mit zum Radius eines Kolbenbolzens passendem Radius eingerichtet ist, den Kolbenbolzen radial zu lagern, und die mindestens eine Sicherungsringnut aufweisen, die eingerichtet ist, einen Sicherungsring in die Nut einzusetzen und so einen Kolbenbolzen in den Bolzenbohrungen in axialer Richtung zu sichern
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STAND DER TECHNIK
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Bei einem Kolben für einen Verbrennungsmotor dient die Sicherungsringnut zur axialen Sicherung des Kolbenbolzens in der Bolzenbohrung insbesondere während des Motorbetriebs.
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Insbesondere aus Gründen des Gewichts und aufgrund geometrischer Anforderungen an den Kolben können die Materialstärke zwischen Kolbenboden (oder gegebenenfalls Kolbenkühlkanal) und Bolzenbohrung ebenso wie im Kolbenbolzenauge limitiert sein. Die Sicherungsringnut reduziert diese Materialstärke zusätzlich oder, mit anderen Worten, schwächt deren Struktur, indem die Nut in diesen Materialbereich eintaucht und dort auch zum Beispiel Kerbwirkung erzeugen kann.
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Die bekanntlich vollständig umlaufende Sicherungsringnut liegt in einer Achse mit dem Kolbenbolzen. Die Tiefe der Sicherungsringnut wird dabei im Konstruktionsprozess des Kolbens so gewählt, dass unter Berücksichtigung aller Toleranzen eine bestimmte Fläche des Sicherungsringes in der Nut liegt. Somit kann sichergestellt werden, dass eventuell auftretende Seitenkräfte auf den Kolbenbolzen vom Sicherungsring aufgenommen und über die Sicherungsringnut in den Kolben übertragen werden. Eine wie angedeutet wünschenswerte weitere Reduzierung der Materialstärke zwischen Kolbenboden (oder gegebenenfalls Kolbenkühlkanal) und Bolzenbohrung ebenso wie im Kolbenbolzenauge ist folglich durch die Sicherungsringnuttiefe limitiert.
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Die
DE 10 2013 215 538 A1 zeigt einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, der zur Abstützung eines Kolbenbolzens diskrete, nämlich in Form nur von Teilbereichen einer Kreiszylindermantelfläche ausgebildete Abstützflächen oder Stützwandungsabschnitte aufweist, zwischen denen eine Aussparung bestimmter Tiefe vorgesehen ist. Daraus ergibt sich dort, dass die Sicherungsringnuten in den Bolzenbohrungen des Kolbens nicht vollständig umlaufen, weil die Aussparungen tiefer sind als die Nuten oder weil, wie dort in
2 abgebildet, im Kolbenschaftbereich der Außenrand der Bolzenbohrungen so stark von der Kreiszylindermantelflächenkontur des Kolbenkopfes abweicht, dass die Nut aus der Bolzenbohrung in vom Kolbenkopf abgewandter Richtung aus der Bolzenbohrung hinausgeht. Nichtsdestoweniger taucht auch diese Sicherungsringnut in den jeweiligen Stützwandungsabschnitt der Bolzenbohrung vollumfänglich gleich tief ein.
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Die
EP 2 142 786 B1 beschreibt einen Kolben für einen Verbrennungsmotor mit desachsierten Schmiernuten und offenbart Merkmale, die unter den Oberbegriff des Anspruchs 1 fallen. Die
CN 104 088 683 A ,
DE 44 41 450 A1 ,
DE 199 55 197 A1 und
JP H08- 218 939 A beschreiben weitere Kolben aus dem Stand der Technik.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Kolben zu schaffen, dessen mechanische Eigenschaften insbesondere zwischen Kolbenboden (oder gegebenenfalls Kolbenkühlkanal) und Bolzenbohrung ebenso wie im Kolbenbolzenauge gegenüber herkömmlichen Kolben, insbesondere bei gleichem Gesamtgewicht, verbessert sind.
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Diese Aufgabe wird von einem Kolben mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor. Der Kolben hat einen Kolbenboden und einen vorzugsweise im Wesentlichen zylindrischen Kolbenkopf (allerdings nicht unbedingt einen kreiszylindrischen, sondern mit möglicherweise zum Beispiel ovalem statt kreisförmigem Zylinderprofil - zudem können zum Beispiel die Ringstege ballig oder konisch ausgeführt sein), der sich an den Kolbenboden anschließt - sowie einen Kolbenschaft, der an dem Kolbenkopf an der dem Kolbenboden abgewandten Seite angeformt ist. Der Kolben weist vorzugsweise zudem, insbesondere im Bereich seines Kopfes und besonders bevorzugt ringförmig, vorzugsweise um eine sogenannte Mulde im Kolbenboden und/oder koaxial mit dem Kolben, insbesondere mindestens einen Kühlkanal auf. Es ist jedoch zu betonen, dass die Erfindung auch auf Kolben ohne Kühlkanal anwendbar ist.
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Der Kolbenschaft ist bereichsweise sozusagen becherförmig hohl, indem er zwei einander gegenüberliegende Schaftwandabschnitte sowie zwei einander gegenüberliegende, die Schaftwandabschnitte verbindende Verbindungswände aufweist, auch Schaftanbindungen genannt, die zusammen den Hohlraum des Kolbenschafts umgeben. Die Verbindungswände weisen jeweils eine Bolzenbohrung auf, die durch den Hohlraum hindurch miteinander fluchten und deren Wandung durch mindestens einen Stützwandungsabschnitt in Form von zumindest einem Teilbereich einer Kreiszylindermantelfläche mit zum Radius eines Kolbenbolzens passendem Radius eingerichtet ist, den Kolbenbolzen radial zu lagern. Die Bolzenbohrungen weisen mindestens eine Sicherungsringnut auf, die eingerichtet ist, einen in die Nut eingesetzten Sicherungsring formschlüssig zu lagern und so einen Kolbenbolzen in den Bolzenbohrungen in axialer Richtung zu sichern.
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Erfindungsgemäß nun taucht die Sicherungsringnut in einem Teilbereich ihres Umfangs weniger tief in einen in dem Teilbereich befindlichen Stützwandungsabschnitt der Bolzenbohrung ein als in einen in einem anderen Teilbereich befindlichen Stützwandungsabschnitt ihres Umfangs. Erfindungsgemäß taucht sie in einem Teilbereich ihres Umfangs in den Stützwandungsabschnitt der Bolzenbohrung gar nicht ein.
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Insbesondere durch eine nicht umlaufende und/oder durch eine „desachsierte“ Sicherungsringnut kann die Sicherungsringnuttiefe insbesondere in Richtung zum Kolbenboden, zur Kolbenunterseite oder gegebenenfalls zum Kühlkanal reduziert oder sogar zu Null gesetzt werden: die Sicherungsringnut taucht (insbesondere in dieser Richtung) in einem Teilbereich ihres Umfangs zum Beispiel durch diese beiden Maßnahmen weniger tief in den (jeweiligen) Stützwandungsabschnitt der Bolzenbohrung ein als in einen anderen Stützwandungsabschnitt - oder sogar überhaupt nicht.
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Diese Varianten, der nicht umlaufenden und der desachsierten Sicherungsringnut, werden im Folgenden beschrieben:
- Die erfindungsgemäß mögliche nicht umlaufende Sicherungsringnut wird in der Bolzenbohrung weniger als vollumfänglich, also über einen Winkel von kleiner als 360° gefertigt. Dabei wird der Kolbenbolzen dann zum Beispiel mit einer einseitig offenen Sicherungsscheibe oder einem einseitig offenen Sicherungsring darin gesichert.
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Die nur über einen Umfangswinkel <360° in der Bolzenbohrung ausgebildete Sicherungsringnut ist auf diese Weise also eingerichtet, einen Sicherungsring in die Nut einzusetzen, der einen in den Nutgrund der Sicherungsringnut passenden Außenumfang hat, welcher sich über einen Umfangswinkel erstreckt, der (ebenfalls kleiner als 360° und) kleiner oder gleich dem Umfangswinkel der Sicherungsringnut ist.
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Dies hat den Vorteil, dass der Teilbereich des Umfangs, über den die Sicherungsringnut in der Bolzenbohrung weniger tief oder gar nicht ausgebildet ist, strukturell weniger geschwächt ist. So kann die Restwandstärke an kritischen Stellen um die Bolzenbohrung herum in die Richtung dieses Teilbereichs (des Umfangs, über den die Sicherungsringnut in der Bolzenbohrung weniger tief oder gar nicht ausgebildet ist) erhöht werden. Die Bolzenbohrung kann aber in der Konstruktion des Kolbens auch in die Richtung dieses Teilbereichs versetzt werden, weil die umgebende Struktur dort nun weniger geschwächt ist - was insgesamt möglicherweise vorteilhaft zum Beispiel den Bauraum verkleinern und/oder Material und so auch Gewicht sparen kann.
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Es ist erfindungsgemäß besonders bevorzugt, dass der Teilbereich des Umfangs, über den die Sicherungsringnut in der Bolzenbohrung nicht ausgebildet ist, in Richtung des Kolbenbodens weist und/oder (üblicherweise entsprechend, wenn der Kolben einen Kühlkanal aufweist) in Richtung des Kühlkanals. Aber der ausgesparte Bereich kann zum Beispiel auch in Richtung der Unterseite der Bolzenbohrung ausgerichtet sein. Damit können Restwandstärken an der Unterseite des Kolbenbolzenauges erhöht werden.
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Dies hat den Vorteil, dass das einleitend beschriebene Problem in dieser Richtung behoben oder zumindest verringert werden kann: die Materialstärke zwischen Kolbenboden (oder gegebenenfalls Kolbenkühlkanal) und Bolzenbohrung, aber zum Beispiel auch im Kolbenbolzenauge kann so vermindert werden. indem die Schwächung der Struktur durch die Sicherungsringnut in dieser Richtung reduziert oder sogar aufgehoben wird.
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Ähnliches gilt für die andere erwähnte Variante:
- Bei der desachsierten Sicherungsringnut ist erfindungsgemäß die Sicherungsringnutachse zur Bolzenbohrungsachse versetzt. Mit anderen Worten ist die Sicherungsringnut mit den Bolzenbohrungen zwar mit parallelen Mittenachsen angeordnet, aber nicht koaxial.
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Auch dies hat den Vorteil, dass der Teilbereich des Umfangs, über den die Sicherungsringnut durch diese Verschiebung der Nut aus der Bohrungsmitte in den Stützwandungsabschnitt der Bolzenbohrung weniger tief oder gar nicht eintaucht, strukturell weniger geschwächt ist. So kann auch so die Restwandstärke an kritischen Stellen um die Bolzenbohrung herum in die Richtung dieses Teilbereichs des Umfangs erhöht werden. Die Bolzenbohrung kann aber in der Konstruktion des Kolbens auch in die Richtung dieses Teilbereichs versetzt werden, weil die umgebende Struktur dort nun weniger geschwächt ist - was insgesamt möglicherweise vorteilhaft zum Beispiel den Bauraum verkleinern und/oder Material und so auch Gewicht sparen kann.
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Die Desachsierung ist insbesondere so zu wählen, dass (etwa unter Berücksichtigung aller wirkenden Kräfte, Toleranzen und Sicherheitsfaktoren) die axiale Sicherung des Kolbenbolzens weiter gewährleistet wird.
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Je nach Anforderung an den Kolben kann die Desachsierung zum Beispiel zum Kolbenboden oder zur Kolbenunterseite gewählt werden. So ist es erfindungsgemäß besonders bevorzugt, dass die Sicherungsringnut so angeordnet ist, dass ihre Mittenachse sich auf der dem Kolbenboden gegenüberliegenden Seite der Mittenachse der Bolzenbohrung befindet und/oder (wenn der Kolben einen Kühlkanal aufweist) auf der dem Kühlkanal gegenüberliegenden Seite.
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Dies hat den Vorteil, dass das einleitend beschriebene Problem in dieser Richtung behoben oder zumindest verringert werden kann: die Materialstärke zwischen Kolbenboden (oder gegebenenfalls Kolbenkühlkanal) und Bolzenbohrung, aber zum Beispiel auch im Kolbenbolzenauge kann so vermindert werden, indem die Schwächung der Struktur durch die Sicherungsringnut in dieser Richtung reduziert oder sogar aufgehoben wird - und zwar durch die Verschiebung (Desachsierung) der Mittenachse der Nut in die entgegengesetzte Richtung zu dem Bereich der umgebenden Struktur der Bohrung, der weniger geschwächt werden soll, weil diese Konstruktionsmaßnahme die Nut sozusagen aus diesem Bereich herauszieht.
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Die Sicherungsringnut (und der Sicherungsring für die sie eingerichtet ist) kann im Querschnitt wahlweise rund, mit verrundeten Kanten oder eckig sein oder auch eine noch andere geometrische Form aufweisen.
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Figurenliste
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen ersichtlich. Die dort und oben von den Ausführungsformen aufgewiesenen Merkmale sind auch getrennt voneinander oder in beliebiger Kombination erfindungsgemäß, insofern sich die Merkmale nicht widersprechen. Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen erfolgt unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen:
- 1, 3 und 5 zeigen jeweils einen Querschnitt durch drei verschiedene Ausgestaltungen eines Kolbens geschnitten durch einen Umfang einer Sicherungsringnut und durch die Mittenachse des Kolbens und
- 2, 4 und 6 zeigen jeweils einen Querschnitt durch diese drei Ausgestaltungen eines Kolbens geschnitten durch die Mittenachse der Bolzenbohrungen und die Mittenachse des Kolbens.
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Hierbei zeigen lediglich 3 und 4 eine Ausführungsform der Erfindung.
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Die 2, 4 und 6 illustrieren jeweils einen Kolben 2, 2', 2" für einen Verbrennungsmotor (nicht dargestellt), die sich nur betreffend die Form zweier Sicherungsringnuten 4, 4`, 4" unterscheidet.
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Jeder der Kolben 2, 2', 2" hat einen Kolbenboden 10 und einen zylindrischen Kolbenkopf 12, der sich an den Kolbenboden 10 anschließt - sowie einen bereichsweise hohlen Kolbenschaft 8, der an dem Kolbenkopf 12 auf der dem Kolbenboden 10 abgewandten Seite angeformt ist und der zwei einander gegenüberliegende Schaftwandabschnitte 14 (eine ist durch den abgebildeten Schnitt durch die Mittenachse 20 von Bolzenbohrungen 22 der Kolben 2, 2', 2" weggeschnitten) sowie zwei einander gegenüberliegende, die Schaftwandabschnitte 14 verbindende Verbindungswände 16 aufweist. Diese umgeben dann zusammen den Hohlraum 18 des Kolbenschafts 8, wobei die Verbindungswände 16 jeweils eine Bolzenbohrung 22 mit einer Innen- oder Stützwandung 22 in Form einer Kreiszylindermantelfläche aufweisen, die durch den Hohlraum 18 hindurch miteinander fluchten.
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Auch hat der Kolben 2, 2', 2" drei Kolbenringnuten 6 in seiner Mantelfläche im Bereich des Kopfes 12. Die Kolben 2, 2', 2" weisen zudem konzentrisch, koaxial im Bereich ihres Kopfes 12, ringförmig um die sogenannte Mulde 24 im Kolbenboden 10, einen Kühlkanal 25 auf.
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Die Stützwandung 22 der Bolzenbohrungen 22 ist mit zum Radius eines Kolbenbolzens (nicht dargestellt) passendem Radius eingerichtet, den Kolbenbolzen zu lagern, und zwar radial. Die Bolzenbohrungen 22 weisen je eine der Sicherungsringnuten 4, 4', 4" auf, die eingerichtet sind, einen in die Kolbenringnut 6 eingesetzten Sicherungsring (nicht dargestellt) formschlüssig zu lagern und so einen Kolbenbolzen (nicht dargestellt) in den Bolzenbohrungen 22 zu sichern, und zwar in axialer Richtung.
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Erfindungsgemäß nun taucht jede der Sicherungsringnuten 4, 4', 4" in einem Teilbereich ihres Umfangs (in allen Figuren nach oben) weniger tief in einen in dem Teilbereich befindlichen Stützwandungsabschnitt und die umgebende Struktur 26 der Bolzenbohrung 22 ein als in einen in einem anderen Teilbereich befindlichen Stützwandungsabschnitt ihres Umfangs. Erfindungsgemöß taucht die Sicherungsringnut 4', 4" (gemäß 3 bis 6) in einem Teilbereich ihres Umfangs in den Stützwandungsabschnitt und die umgebende Struktur 26 der Bolzenbohrung 22 gar nicht ein.
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Gemäß 5 und 6 durch nicht umlaufende oder gemäß 1 bis 4 durch eine „desachsierte“ Sicherungsringnuten kann die Sicherungsringnuttiefe insbesondere in Richtung zum Kolbenboden 10, zur Kolbenunterseite oder gegebenenfalls zum Kühlkanal reduziert oder sogar zu Null gesetzt werden: die Sicherungsringnut taucht (in dieser Richtung) in einem Teilbereich ihres Umfangs durch diese beiden Maßnahmen weniger tief (gemäß 1 und 2) in den Stützwandungsabschnitt und die umgebende Struktur 26 der Bolzenbohrung 22 ein als in den bezüglich der Bohrungsachse 20 gegenüberliegenden Stützwandungsabschnitt und die umgebende Struktur 30 - oder sogar überhaupt nicht (gemäß 3 bis 6).
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Diese Varianten, der nicht umlaufenden (5 und 6) und der desachsierten Sicherungsringnut (1 bis 4), werden im Folgenden beschrieben:
- Die nicht umlaufende Sicherungsringnut 4" ist in der Bolzenbohrung 22 weniger als vollumfänglich, also über einen Winkel von kleiner als 360°, nämlich α = 240° gefertigt.
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Die nur über den Umfangswinkel α von 240° in der Bolzenbohrung 22 ausgebildete Sicherungsringnut 4" ist auf diese Weise also eingerichtet, einen Sicherungsring (nicht dargestellt) in die Nut 4" einzusetzen, der einen in den Nutgrund der Sicherungsringnut 4" passenden Außenumfang hat, welcher sich über einen Umfangswinkel erstreckt, der (ebenfalls kleiner als 360° und) kleiner oder gleich dem Umfangswinkel α von 240° der Sicherungsringnut 4" ist.
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Dies hat den Vorteil, dass der Teilbereich α` des Umfangs, über den die Sicherungsringnut 4" in der Bolzenbohrung weniger tief oder wie gemäß 5 und 6 abgebildet gar nicht ausgebildet ist, und die umgebende Struktur 26 strukturell weniger geschwächt ist. So ist die Restwandstärke an dieser kritischen Stelle 26 um die Bolzenbohrung 22 herum in die Richtung dieses Teilbereichs erhöht.
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Der Teilbereich α` des Umfangs, über den die Sicherungsringnut 4" in der Bolzenbohrung 22 nicht ausgebildet ist, weist in Richtung des Kolbenbodens 10 und des Kühlkanals 25.
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Bei den desachsierten Sicherungsringnuten 4, 4' gemäß 1 bis 4 ist die Sicherungsringnutachse 32 zur Bolzenbohrungsachse 20 versetzt. Mit anderen Worten ist die Sicherungsringnut 4, 4' mit den Bolzenbohrungen 22 zwar mit parallelen Mittenachsen 20, 32 angeordnet, aber nicht koaxial, also nicht mit deckungsgleich liegenden Achsen 20, 32.
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Auch dies hat den Vorteil, dass der Teilbereich des Umfangs, über den die Sicherungsringnut 4, 4' durch diese Verschiebung der Sicherungsringnut 4, 4' aus der Bohrungsmitte 20 in den Stützwandungsabschnitt und die umgebende Struktur 26 der Bolzenbohrung 22 weniger tief (1 und 2) oder gar nicht eintaucht (3 und 4), strukturell weniger geschwächt ist. So ist auch auf diese Weise die Restwandstärke an dieser kritischen Stelle 26 um die Bolzenbohrung 22 herum in die Richtung dieses Teilbereichs des Umfangs erhöht.
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Die Desachsierung der Sichrungsringnuten 4, 4' ist zur Kolbenunterseite gewählt. So ist die Sicherungsringnut 4, 4' so angeordnet, dass ihre Sicherungsringnut-Mittenachse 32 sich auf der dem Kolbenboden 10 gegenüberliegenden Seite der Bolzenbohrungs-Mittenachse 20 der Bolzenbohrung 22 befindet und auf der dem Kühlkanal 25 gegenüberliegenden Seite.
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Die Sicherungsringnuten 4, 4', 4" (und der Sicherungsring (nicht dargestellt) für die sie eingerichtet sind) sind im Querschnitt eckig.
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Bezugszeichenliste
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- 2, 2', 2"
- Kolben
- 4, 4', 4"
- Sicherungsringnuten
- 6
- Kolbenringnut
- 8
- Kolbenschaft
- 10
- Kolbenboden
- 12
- Kolbenkopf
- 14
- Schaftwand / Schaftwandabschnitt
- 16
- Verbindungswand
- 18
- Hohlraum des Kolbenschafts 8
- 20
- Bolzenbohrungs-Mittenachse
- 22
- Bolzenbohrung
- 24
- Mulde
- 25
- Kühlkanal
- 26, 30
- Umgebende Struktur der Bolzenbohrung
- 32
- Sicherungsringnut-Mittenachse
- α
- Sicherungsringnut-Umfangswinkel
- α'
- Winkel des Umfangs, über den die Sicherungsringnut 4" in der Bolzenbohrung 22 nicht ausgebildet ist
