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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Kolben. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Kolbens.
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Gattungsgemäße Kolben sind beispielsweise aus der
DE 10 2015 006 354 A1 bekannt. In den Ringnuten der Ringpartie des Kolbens vorhandene Vertiefungen dienen dazu, das im Motorbetrieb in der Ringnut angesammelte Schmieröl aufzunehmen und aus der Ringnut nach außen bzw. nach unten in Richtung des Motorblocks abzuleiten. Solche Vertiefungen sind aber technisch relativ aufwändig herzustellen und daher teuer in der Fertigung.
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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 zu schaffen, die insbesondere die oben genannten Nachteile überwindet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Grundidee der Erfindung ist demnach, in einer dem Kolbenschaft proximalen Ringnut der Ringpartie des Kolbens wenigstens eine Vertiefung vorzusehen, die sich entlang eines Umfangsabschnitts entlang der Umfangsrichtung des Kolbens erstreckt. Diese Vertiefung bildet im Motorbetrieb des Kolbens eine zusätzliche Drainageöffnung für Schmieröl unterhalb des Ölabstreifrings, welche eine verbesserte Öldrainage aus der Ringnut in Richtung des Motorblocks bewirkt. Eine Auflagefläche des Ölabstreifrings wird dabei nur geringfügig reduziert, so dass dessen korrekter Sitz in der Ringnut gewährleistet ist. Auf diese Weise ist auch eine einwandfreie Funktion des Ölabstreifrings sichergestellt. Darüber hinaus ist die Fertigung der Vertiefung als in den Kolben eingefräste Struktur einfach und kostengünstig zu realisieren.
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Ein erfindungsgemäßer Kolben für eine Brennkraftmaschine umfasst einen Kolbenkopf und einen Kolbenschaft. Der Kolbenkopf umfasst eine Ringpartie mit wenigstens zwei - vorzugsweise mit wenigstens drei oder genau drei - Ringnuten zur Aufnahme von Kolbenringen. Die wenigstens zwei Ringnuten laufen jeweils entlang einer Umfangsrichtung des Kolbens vollständig um dessen Kolbenmittelachse um. Die wenigstens zwei Ringnuten können dabei auf einer Außenumfangsseite des Kolbens im Bereich des Kolbenkopfs angeordnet sein, und zwar axial im Abstand zueinander und bevorzugt parallel zueinander verlaufend. Erfindungsgemäß ist in der dem Kolbenschaft proximalen Ringnut in deren dem Kolbenschaft zugewandten Nutflanke wenigstens eine Vertiefung ausgebildet ist, die sich entlang der Umfangsrichtung erstreckt. Unter „proximale Ringnut“ ist diejenige der wenigstens zwei Ringnuten zu verstehen, die vom Kolbenschaft den geringsten axialen Abstand aufweist und bevorzugt zur Aufnahme eines Ölabstreifrings dient.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich die wenigstens eine Vertiefung entlang der Umfangsrichtung über einen Umfangswinkel hinweg, der zwischen x1 > 0° und x2 = 30°, bevorzugt zwischen x3 = 1° und x4 = 5°, beträgt. Mittels der hier vorgeschlagenen unteren Intervallgrenze für den Winkelwert wird einerseits sichergestellt, dass die Vertiefung zur Aufnahme von Öl ausreichend groß dimensioniert ist. Andererseits wird durch die obere Intervallgrenze für den Winkelwert gewährleistet, dass der korrekte Sitz des in der Ringnut aufgenommenen Ölabstreifrings - insbesondere in axialer Richtung - nicht zu stark beeinträchtigt wird.
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Besonders bevorzugt kann die wenigstens eine Vertiefung in einem Querschnitt senkrecht bzw. parallel zur Kolbenmittelachse die Geometrie eines Ring-Segments oder/und eines Ovals aufweisen. Vertiefungen mit einer solchen Geometrie sind - insbesondere durch Verwendung eines Fräswerkzeugs - mit einfachen Mitteln herzustellen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die wenigstens eine Vertiefung radial nach außen, zu einer Außenumfangsseite des Kolbenkopfs hin, offen ausgebildet. Auch diese Variante kann technisch relativ einfach, insbesondere unter Verwendung eines Fräswerkzeugs, hergestellt werden. Bei einer dazu alternativen Variante kann die wenigstens eine Vertiefung aber auch radial im Abstand zur Außenumfangsseite des Kolbenkopfs angeordnet sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung erstreckt sich die wenigstens eine Vertiefung radial über die gesamte Nutflanke der Ringnut hinweg. Auch diese Eigenschaft vereinfacht den Fertigungsvorgang der Vertiefung und somit des gesamten Kolbens.
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Besonders zweckmäßig kann die wenigstens eine Vertiefung vollständig in einer dem Kolbenschaft zugewandten Nutflanke der Ringnut angeordnet sein. Auch diese Variante ist, insbesondere bei Verwendung eines Fräswerkzeugs, besonders einfach herzustellen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung erstreckt sich die wenigstens eine Vertiefung teilweise in den Nutgrund der Ringnut hinein. Auf diese Weise kann auch der den Nutgrund bildende Bereich des Kolbenkopfs zur Aufnahme von Schmieröl verwendet werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Vertiefung in einem Längsschnitt entlang der Kolbenmittelachse zumindest einen ersten Vertiefungsabschnitt und einen zweiten Vertiefungsabschnitt auf. Bei dieser Weiterbildung ist die Nutflanke im Bereich des ersten Vertiefungsabschnitts durch den ersten Vertiefungsabschnitt axial zum Kolbenschaft hin versetzt, so dass die Nutbreite der Ringnut im Bereich des ersten Vertiefungsabschnitts vergrößert ist. Außerdem ist bei dieser Weiterbildung der Nutgrund im Bereich des zweiten Vertiefungsabschnitts durch den zweiten Vertiefungsabschnitt radial nach innen zur Kolbenmittelachse hin versetzt, so dass die Nut-Tiefe der Ringnut im Bereich des zweiten Vertiefungsabschnitts vergrößert ist. Diese Weiterbildung ermöglicht die Aufnahme einer besonders großen Menge an Schmieröl in der Vertiefung.
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Besonders bevorzugt kann die wenigstens eine Vertiefung mit dem ersten und dem zweiten Vertiefungsabschnitt in dem Längsschnitt entlang der Kolbenmittelachse mittels eines Übergangsabschnitts vom ersten Vertiefungsabschnitt in den zweiten Vertiefungsabschnitt übergehen und eine L-förmige Geometrie aufweisen. Auch diese Variante ist besonders einfach herstellbar.
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Besonders bevorzugt kann sich die wenigstens eine Vertiefung sich axial im Nutgrund über eine Vertiefungs-Erstreckung hinweg erstrecken, deren Wert höchstens einer axialen Nutgrund-Erstreckung des gesamten Nutgrunds beträgt. Auf diese Weise wird auch ein korrekter radialer Sitz des in der Ringnut aufgenommenen Ölabstreifrings gewährleistet.
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Besonders bevorzugt besitzt die wenigstens eine Vertiefung in einer Draufsicht auf die Kolbenmittelängsachse entlang einer radialen Richtung des Kolbens einen Vertiefungsgrund, der zwischen zwei Vertiefungsflanken angeordnet ist. Dabei sind bevorzugt der Vertiefungsgrund eben und die beiden Vertiefungsflanken gekrümmt ausgebildet. Eine Vertiefung mit einer solchen Geometrie ist insbesondere mittels eines Fräsvorgangs bzw. unter Verwendung eines Fräswerkzeugs besonders einfach herstellbar und somit auch kostengünstig in der Herstellung.
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Besonders bevorzugt sind entlang der Umfangsrichtung mehrere Vertiefungen im Abstand zueinander, vorzugsweise äquidistant, vorhanden. Insbesondere können wenigstens vier, besonders bevorzugt wenigstens acht Vertiefungen vorgesehen sein. Auf diese Weise wird der gewünschte Drainage-Effekt für das Schmieröl vervielfacht.
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Zweckmäßig kann eine axial gemessene Tiefe der Vertiefung wenigstens 1/10-tel einer axial gemessenen Breite der Ringnut betragen. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass auch genügend Volumen zur Aufnahme des Schmieröls in der Vertiefung zur Verfügung steht.
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Die Erfindung betrifft ferner Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder, der einen Brennraum aufweist, der von einem verstellbar im Zylinder angeordneten, voransehend vorgestellten und erfindungsgemäßen Kolben begrenzt ist. Die voranstehend erläuterten Vorteile des erfindungsgemäßen Kolbens übertragen sich daher auch auf die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen des erfindungsgemäßen Kolbens. Die voranstehend erläuterten Vorteile des erfindungsgemäßen Kolbens gelten daher auch für das erfindungsgemäße Verfahren. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zumindest drei Maßnahmen a), b) und c). In einer ersten Maßnahme a) wird ein Kolbenrohling bereitgestellt, der Kolbenkopf und Kolbenschaft aufweist. In einer zweiten Maßnahme b) werden die wenigstens zwei Ringnuten mittels eines Werkzeugs in den Kolbenrohling eingebracht. In einer dritten Maßnahme c) wird die oben erläuterte, wenigstens eine Vertiefung in die zu dem Kolbenschaft proximale Ringnut mittels eines Fräswerkzeug eingebracht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann zur Ausführung von Maßnahme c) in einer ersten Untermaßnahme c1) durch einen Vorschub des Fräswerkzeugs entlang der radialen Richtung die Vertiefung in die dem Kolbenschaft zugewandte Nutflanke der proximalen Ringnut eingebracht werden. Anschließend oder gleichzeitig kann in einer zweiten Untermaßnahme c2) die Vertiefung durch eine Drehung des Kolbenrohlings entlang der Umfangsrichtung, insbesondere mittels einer Drehmaschine, aufgeweitet werden.
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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 Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
- 1 eine Teildarstellung eines erfindungsgemäßen Kolbens im Bereich der Ringpartie in einer perspektivischen Darstellung,
- 2 den Kolbenschaft und den Kolbenkopf im Bereich der Ringpartie in einer Blickrichtung entlang der radialen Richtung radial nach innen auf die in diesen Figuren nicht dargestellte Kolbenmittelachse,
- 3 eine Detaildarstellung der 2 im Bereich der dort gezeigten Vertiefung,
- 4 eine Variante des Beispiels der 1 bis 3, bei welcher Vertiefung nicht nur in der Nutflanke angeordnet ist, sondern sich teilweise auch im Nutgrund der Ringnut erstreckt,
- 5 die in der 4 in perspektiver Darstellung gezeigte Vertiefung in einem Querschnitt senkrecht zur Kolbenmittelachse,
- 6 die in der Figur in perspektivischer Darstellung gezeigte Vertiefung in einem Längsschnitt entlang der Kolbenmittelachse.
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Die 1 illustriert ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 1 für eine nicht näher dargestellte Brennkraftmaschine.
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Der Kolben 1 umfasst einen Kolbenkopf 2 und geht entlang einer axialen Richtung A, die sich entlang einer Kolbenmittelachse M (in 1 nicht gezeigt) des Kolbens 1 erstreckt, in einen Kolbenschaft 3 über. Auf einer Außenumfangsseite 6 des Kolbenkopfs 2 erstrecken sich entlang einer Umfangsrichtung U des Kolbens 1 - diese erstreckt sich senkrecht zur axialen Richtung A und läuft um die Kolbenmittelachse M um - vollständig umlaufend drei Ringnuten 4a, 4b, 4c, die entlang der axialen Richtung A im Abstand zueinander angeordnet sind. Die Vertiefungen 10 erstrecken sich jeweils entlang der Umfangsrichtung U. Die drei Ringnuten 4a, 4b, 4c sind in einer Ringpartie 5 des Kolbenkopfs 2 angeordnet.
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Die dem Kolbenschaft 3 proximale Ringnut 4a dient zur Aufnahme eines Ölabstreifrings (nicht gezeigt). In der proximalen Ringnut 4a sind in einer dem Kolbenschaft 3 zugewandten Nutflanke 7 mehrere lokale Vertiefungen 10 ausgebildet. In den 1 bis 3 ist jeweils 1 ist nur eine einzige Vertiefung 10 gezeigt.
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Die 2 und 3 zeigen den Kolbenschaft 3 und den Kolbenkopf 2 jeweils im Bereich der die Ringpartie 5 in einer Blickrichtung entlang der radialen Richtung R auf die in diesen Figuren nicht dargestellte Kolbenmittelachse M.
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Dabei ist die 3 eine Detaildarstellung der 2 im Bereich der dort gezeigten Vertiefung 10. Die dem Kolbenschaft 3 proximale Ringnut 4a wird entlang der axialen Richtung A durch zwei einander gegenüberliegende Nutflanken 7, 7* begrenzt und weist eine entlang der axialen Richtung A gemessene Nut-Breite B auf. Außerdem wird die dem Kolbenschaft 3 proximale Ringnut 4a radial innen von einem Nutgrund 8 begrenzt und weist eine entlang der radialen Richtung gemessene Nut-Tiefe T (vgl. 1) auf.
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Wie insbesondere in der Detaildarstellung der 3 erkennbar, ist die dem Kolbenschaft 3 abgewandte Nutflanke 7* im Beispiel ohne Vertiefung ausgebildet. Die in der dem Kolbenschaft 3 zugewandten Nutflanke 7 ausgebildete Vertiefung 10 weist einen Vertiefungsgrund 12 auf, der zwischen zwei Vertiefungsflanken 11a, 11b angeordnet ist, wobei der Vertiefungsgrund 12 eben und die beiden Vertiefungsflanken 11a, 11b gekrümmt ausgebildet sind.
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Wie die 1 bis 3 veranschaulichen, können die Vertiefungen 10 radial nach außen, zu einer Außenumfangsseite 6 des Kolbenkopfs 2 hin, offen ausgebildet sein. Außerdem sind Vertiefungen 10 in diesem Beispiel vollständig in einer dem Kolbenschaft 3 zugewandten Nutflanke 7 der Ringnut 4a ausgebildet. Die Nutflanke 7 ist dabei durch die Vertiefung 10 in axialer Richtung A zum Kolbenschaft 3 hin versetzt, Zweckmäßig können sich die Vertiefungen 10 in radialer Richtung R über die gesamte Nutflanke 7 der Ringnut 4a hinweg erstrecken.
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Die 4, 5 und 6 zeigen eine Variante des Beispiels der 1 bis 3. 4 ist eine perspektivische Darstellung, die 5 zeigt einen Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung A bzw. zur Kolbenmittelachse M, die 6 einen Längsschnitt entlang der axialen Richtung A bzw. der Kolbenmittelachse M. Bei dieser Variante erstrecken sich die Vertiefungen 10 nicht nur in der Nutflanke 7, sondern erstrecken sich teilweise in den Nutgrund 8 der Ringnut 4a hinein. Außerdem sind die Vertiefungen 10 - gegensätzlich zum Beispiel der 1 bis 3 - entlang der radialen Richtung R im Abstand zur Außenumfangsseite 6 des Kolbenkopfs 2 angeordnet.
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Wie insbesondere 6 erkennen lässt, umfasst die Vertiefung 10 einen im Bereich der ersten Nutflanke 7 angeordneten ersten Vertiefungsabschnitt 10a und einen im Bereich des Nutgrunds 8 angeordneten zweiten Vertiefungsabschnitt 10b. Der erste Vertiefungsabschnitt 10a geht mittels eines Übergangsabschnitts 10c in den zweiten Vertiefungsabschnitt 10b über. Somit kann die Vertiefung 10 im gezeigten Längsschnitt entlang der Kolbenmittelachse M in einem Längsschnitt eine L-förmige Geometrie aufweisen. Die Nutflanke 7 ist dabei im Bereich des ersten Vertiefungsabschnitts 10a durch diesen ersten Vertiefungsabschnitt 10a in axialer Richtung A zum Kolbenschaft 3 hin versetzt, so dass die Nut-Breite B der Ringnut 4a im Bereich des ersten Vertiefungsabschnitts 10a vergrößert ist. Außerdem ist der Nutgrund 8 im Bereich des zweiten Vertiefungsabschnitts 10b durch den zweiten Vertiefungsabschnitt 10b radial nach innen zur Kolbenmittelachse M hin versetzt, so dass die Nut-Tiefe T der Ringnut 4a im Bereich des zweiten Vertiefungsabschnitts 10b vergrößert ist. Der Übergangsabschnitt 10c verbindet die beiden Vertiefungsabschnitte 10a, 10b miteinander.
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Wie die 4 und 6 veranschaulichen, kann sich die Vertiefung 10 entlang der axialen Richtung A im Nutgrund 8 über eine Vertiefungs-Erstreckung VE hinweg erstrecken, deren Wert höchstens den Wert einer axialen Nut-Höhe NH des gesamten Nutgrunds 8 beträgt.
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Nachfolgende Erläuterungen gelten sowohl für die Ausgestaltung der Vertiefungen 10 gemäß den 1 bis 3 also auch für jene gemäß den 4 bis 6: Jede der Vertiefungen 10 kann in einem Querschnitt senkrecht zur Kolbenmittelachse M die Geometrie eines Ovals aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die Vertiefung 10 auch die Geometrie eines Ringsegments 9 aufweisen. Auch eine nierenförmige Geometrie ist denkbar. Jede der Vertiefungen 10 kann sich dabei entlang der Umfangsrichtung U über einen in 5 eingezeichneten Umfangswinkel α hinweg erstrecken, der zwischen x1 > 0° und x2 = 30° beträgt.
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Entlang der Umfangsrichtung U können mehrere - beispielsweise zwischen vier und acht - Vertiefungen 10 im Abstand zueinander, vorzugsweise äquidistant, angeordnet sein, was in den Figuren aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt ist.
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Wie der Detaildarstellung der 3 entnommen werden kann, kann eine axial gemessene Tiefe T der Vertiefung wenigstens 1/10-tel einer entlang der axialen Richtung gemessenen Breite B der Ringnut 4a tragen.
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Ein voranstehend erläuterter, erfindungsgemäßer Kolben 1 kann mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden, welches drei Maßnahmen a), b) und c) umfasst. In einer ersten Maßnahme a) wird ein Kolbenrohlings bereitgestellt, der den Kolbenkopf 2 und den Kolbenschaft 3 aufweist. In einer zweiten Maßnahme b) werden die wenigstens zwei Ringnuten 4a, 4b, 4c mittels eines Werkzeugs (nicht gezeigt) eingebracht. In einer dritten Maßnahme c) wird die für den erfindungsgemäßen Kolben 1 erfindungswesentliche wenigstens eine Vertiefung 10 in die dem Kolbenschaft 3 proximale Ringnut 4a mittels Fräswerkzeug eingebracht.
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Zur Ausführung von Maßnahme c) kann in einer ersten Untermaßnahme c1) durch einen Vorschub des Fräswerkzeugs entlang der radialen Richtung R die Vertiefung 10 in die dem Kolbenschaft 3 zugewandte Nutflanke 7 der proximalen Ringnut 4a eingebracht werden. Anschließend oder gleichzeitig kann in einer zweiten Untermaßnahme c2) die Vertiefung 10 durch eine Drehung des Kolbenrohlings entlang der Umfangsrichtung, insbesondere mittels einer Drehmaschine, aufgeweitet werden.
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Somit lässt sich die erfindungswesentliche Vertiefung 10 auf einfache Weise und ohne - gegenüber herkömmlichen Herstellungsverfahren für herkömmliche Kolben - hohe Zusatzkosten in den Kolbenrohling einbringen und auf diese Weise der erfindungsgemäße Kolben 1 herstellen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015006354 A1 [0002]
