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Die
Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor, insbesondere für
handgeführte und tragbare Arbeitsgeräte, mit einem
Zylindergehäuse und einem Kurbelgehäuse zur Lagerung
einer Kurbelwelle sowie einer zwischen dem Zylindergehäuse
und dem Kurbelgehäuse angeordneten thermisch isolierenden Zylinderfußdichtung.
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Bei
Verbrennungsmotoren wird zwischen dem Zylindergehäuse und
dem Kurbelgehäuse eine Zylinderfußdichtung eingesetzt.
Diese muss einerseits eine ausreichende Steifigkeit des Verbundes beider
Teile gewährleisten.
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Bekannt
ist es, Papierdichtungen einzusetzen. Durch diese erreicht man einen
guten Kompromiss zwischen thermischer Isolation und Steifigkeit.
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Einige
Motorkonstruktionen neigen jedoch dazu, eine sogenannte Mikrobewegung
der Zylinderfußdichtung zuzulassen und führen
dazu, dass an den Zylinderseiten die Papierdichtung in das Kurbelgehäuse
wandert. Die Folge hiervon ist ein undichter Motor, was bei Zweitaktmotoren
immer einen ungenügenden Motorrundlauf ergibt.
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Beispielsweise
aus der
DE 22 48 039
C3 ist das Problem der Mikrobewegungen bekannt. Um eine
hohe Flächenpressung aufnehmen zu können, die
zur Abdichtung des Verbrennungsraumes zwischen Zylinderkopf und
Zylinderlaufbuchse erforderlich ist, besteht die Flächendichtung
aus Metall, vorzugsweise aus Aluminium. Zwar wird eine hohe Steifigkeit
durch diese Lösung erreicht, was aber durch eine Verschlechterung
an Isolationswirkung erkauft wird.
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Eine
andere Lösung zur Abdichtung eines Zylinders bzw. einer
Zylinderlaufbuchse einer Brennkraftmaschine ist in der
DE 44 14 659 A1 gezeigt
und beschrieben. Hierzu sind an den parallelen Stützflächen
aufgepresste plastisch verformbare Zwischenlagen aus einem Material,
das weicher als das Material des jeweiligen Bauteiles ist. Zwischen
diesen Zwischenlagen ist eine übliche Flachdichtung angeordnet.
Hierdurch sollen in erster Linie temperaturbedingte Relativbewegungen
der Bauteile im Bereich der Stützflächen kompensiert
werden. Durch die Zwischenlagen wird die Dichtung insgesamt aber
relativ dick, was bei Zweitaktmotor-Konstruktionen für
handgeführte Arbeitsgeräte ungünstig
ist, da die Steifigkeit der Zylinder-Kurbelwellengehäuse-Konstruktion ohne
zusätzliche Maßnahmen verloren geht. Daher ist
eine solche Dichtung eher im Kraftfahrzeugbau geeignet.
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Eine
speziell für handgeführte Arbeitsgeräte konzipierte
Dichtungskonstruktion ist aus der Patentschrift
DE 199 58 828 C1 bekannt.
Diese Konstruktion zeichnet sich dadurch aus, dass Leichtmetall-Spannschrauben
mit einer Flüssigkeitsdichtung zwischen den Gehäuseflanschen
eingesetzt wird. Die Flüssigkeitsdichtung besteht aus einem
Material, welches in flüssigem bzw. weichem Zustand auf
den Gehäuseflansch auftragbar ist und später aushärtet. Vorteilhaft
sind Flüssigkeitsdichtungen auf Silikonbasis. Hierbei kann
in vorteilhafter Weise das Kurbelgehäuse aus einem Leichtmetall,
insbesondere Aluminium sein, was bei handgeführten Geräten
aufgrund der Gewichtseinsparung wichtig ist.
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Eine
andere Dichtung für Zweitaktmotoren ist aus der
DE 38 41 203 A1 bekannt.
Bei diesem Motor mit einem zweiteiligen Kurbelgehäuse aus
Kunststoff, in dem zwei Hauptlager einer Kurbelwelle gelagert sind,
und einem mit dem zweiteiligen Kurbelgehäuse verschraubten
Zylinder aus Aluminium, wird zur luftdichten Gehäuseausbildung
vorgeschlagen, dass in der Trennfuge der beiden Kurbelgehäuseteile des
zweiteiligen aus Kunststoff bestehenden Kurbelgehäuses
eine gummielastische Rundschnurdichtung angeordnet ist. Hierbei
ist eine zusätzliche flachringförmige Isolierplatte
mit einem hohen Wärmeübergangswiderstand vorteilhaft.
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Zudem
ist aus der
DE
10 2006 007 311 A1 eine Flachdichtung für hohe
Beanspruchungen für Brennkraftmaschinen bekannt. Dazu wird
im Bereich der Befestigung der Dichtung ein Grundlagenblech mit
beidseitigen Profilierungen versehen, die dazu führen,
dass die Oberfläche in diesem Bereich vergrößert
wird und damit die Kräfte verringert werden. Die Profilierungen
können mit einem Elastomer beschichtet sein.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor, insbesondere
einen Zweitakt-Motor für handgeführte Arbeitsgeräte
zu schaffen, bei dem eine Dichtungsfunktion zwischen Zylindergehäuse
und Kur belgehäuse verbessert ist, und der dadurch sehr
wartungsarm ist, ohne dass die Isolationswirkung verringert wird.
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Diese
Aufgabe wird in sehr überraschender Weise dadurch gelöst,
dass die Dichtung aus einem Hochtemperatur-Dichtungsmaterial, bestehend
aus zwei äußeren Lagen aus NBR-Gummi und Kohlenstofffasern,
und einer mittleren Lage aus einem Streckmetallgitter besteht.
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Zwar
sind solche Dichtungen im Anlagenbau und in der chemischen Industrie
zur Abdichtung von zum Beispiel Wasserdampf bzw. Rohrleitungen und Flanschen
seit langem bekannt und sind handelsüblich. Diese Lösung überrascht
jedoch, da sie auch für kleine Zweitaktmotoren sehr geeignet
ist. Obwohl solche handelsübliche Dichtungen relativ dick
sind, z. B. 1 mm, verblüfft es, dass Mikrobewegungen weitgehend
vermieden werden und eine sehr steife Konstruktion möglich
ist. Dies kann auf die Kohlenstofffasern in Verbindung mit dem Streckmetallgitter
zurückgeführt werden.
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Was
aber noch wichtiger ist, ist eine hervorragende thermische Isolierung.
Zwar ist es bekannt, dass solche Dichtungen für höchste
thermische und mechanische Beanspruchungen geeignet sind, es ist aber
bisher nicht berücksichtigt worden, dass eine thermische
Isolierung bei Motoren mit einem Zylindergehäuse und einem
aus wenigstens einem Aluminiumteil bestehenden Kurbelgehäuse
weitaus wichtiger ist als bisher angenommen. Unter Zylindergehäuse
wird hierbei ein Zylinderikopf bzw. eine Zylinderlaufbuchse verstanden.
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Die
Erfindung beruht nämlich auf der Erkenntnis, dass aufgrund
unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten sich ein
Kurbelwellenlager bei unzureichender thermischer Isolierung lockern
kann. Die Verwendung einer sehr wärmeisolierenden Zylinderdichtung
ist bei derartigen Zweitaktmotoren daher sehr wichtig. Im Kurbelgehäuse
werden unter schiedliche Materialien verwendet, nämlich für
das aus Aluminium- oder Magnesiumguss bestehende Kurbelgehäuse,
in dem ein Stahlkugellager zur Lagerung der Kurbelwelle eingelegt
ist. Wenn das Kurbelgehäuse sehr warm wird, dann dehnt
sich das Kurbelgehäuse mit seinem Durchmesser stärker
aus als der Außendurchmesser des Lagers. Dadurch kann sich
das Lager lockern und sich ggf. in der Bohrung mitdrehen.
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Die
erfindungsgemäße Zylinderdichtung, insbesondere
die Zylinderfußdichtung dient in hervorragender Weise bei
Zweitaktern zur gasdichten Abdichtung vom Kurbelraum zur Umgebung.
Darüber hinaus gleicht sie Unebenheiten aus. Außerdem ist
die Dichtung formstabil gegenüber äußeren
Einflüssen. Sie hat auch eine weitere Funktion, nämlich eine
thermische Entkopplung von Kurbelgehäuse und Zylinderfuß.
Zudem wird das Problem vom Mikrobewegungen und eines unrunden Laufes
bei Zweitaktmotoren in nicht zu erwartender Weise vermieden.
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Versuche
mit einem Dichtwerkstoff Klingersil® C-4509
der Firma Klinger ergaben so gute thermische Isolationseigenschaften,
die nur mit Glimmermaterial erreichbar sind. Glimmermaterial ist
zur Verwendung als Zylinderfußdichtung nicht geeignet.
Neben der guten Isolierwirkung entspricht die erfindungsgemäße
Dichtung auch allen Anforderungen an eine Zylinderfußdichtung,
und zwar ein geringes Setzverhalten unter hohem Druck und hoher
Temperatur, eine rückstandsfreie Entfernung der Dichtung, ein
sehr guter Ausgleich von Versatz, eine gute Formstabilität
durch den Streckmetalleinsatz, eine unabhängige Einbaulage,
eine hohe Verschleißfestigkeit gegenüber Mikrobewegungen
und eine hohe thermische Belastbarkeit. Aufgrund der geringen Setzneigung
kann die erfindungsgemäße Motordichtung bei Hubräumen
bis 50 ccm mit einer Dicke von 1 mm eingesetzt werden, was aufgrund
der schlechteren Wärmeleitfähigkeit durch die
Dicke des Materials zusätzlich wärmeisolierend
wird.
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Da üblicherweise
Zylinderfußdichtungen in diesem Einsatzbereich normalerweise
0,3 bis maximal 0,5 mm dick sind, wäre ein schlechteres
Setzverhalten zu erwarten. Das Setzverhalten ist einer Pressneigung
gleichzusetzen, mit der Folge, dass die Schraubenvorspannung zurückgeht
und die Schrauben sich lockern. In überraschender Weise
ist das Setzverhalten auch bei einer Dicke von 1 mm sehr gut.
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Wegen
der eingesetzten Werkstoffe NBR, Carbonfasern und einem Metallgewebe
wäre an sich eher eine gute Wärmeleitfähigkeit
und damit eine schlechte Wärmeisolation zu erwarten. Tatsächlich jedoch
ist die Wärmeleitfähigkeit bei Zweitaktmotoren
in überraschender Weise relativ gering. Die Dichtung ist
also bei Verbrennungsmotoren, insbesondere bei Zweitaktern ein guter
Wärmeisolierer. Zwar ist es bekannt, dass solche Dichtungen
hohen thermischen Beanspruchungen genügen, als Wärmeisolator
sind sie jedoch unbekannt.
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Außerdem
würde wegen des NBR-Werkstoffes bei Verbrennungsmotoren
eine geringe thermische Stabilität und Temperaturwechselfestigkeit
erwartet werden. Tatsächlich ist jedoch keine Beeinträchtigung
der Dichtwirkung nach langer Laufzeit des Motors erkennbar.
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Die
erfindungsgemäße Zylinderfußdichtung ist
für leistungsstarke Verbrennungsmotoren geeignet, bei denen
der Wärmeeintrag vom Zylinder in das Kurbelgehäuse
vermindert werden soll, damit die Vorspannkraft der Stahl-Kurbelwellenlager
in einem Aluminium oder Magnesium-Kurbelgehäuse nicht aufgrund
des hohen Temperaturanstieges und damit der unterschiedlichen Wärmedehnung
der beiden Materialien unzulässig zurückgeht und
dadurch der Kraftschluss verloren geht.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Motors bzw. der erfindungsgemäßen Anwendung des
Dichtungsmaterials ist vorgesehen, dass die Zylinderdichtung, insbesondere
die Zylinderfußdichtung bei einem Zweitakt-Motor eingesetzt wird
bzw. der Motor als Zweitakt-Motor ausgeführt ist. Dieser
ist bei handgeführten Arbeitsgeräten, wie Motorkettensägen,
Heckenscheren oder anderen Geräten sehr geeignet.
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Grundsätzlich
können alle Verbrennungsmotoren, einschließlich
Kraftfahrzeugmotoren, Motorräder und ähnliche
Fahrzeuge mit großen Hubräumen mit der erfindungsgemäßen
Zylinderfußdichtung versehen werden. Besonders günstig
ist es jedoch, wenn die Dichtung bei Konstruktionen mit einem Hubraum
bis etwa 50 ccm eingesetzt wird. Diese Konstruktionen sind relativ
einfach, so dass ohne zusätzliche Maßnahmen die
Dichtung eingesetzt werden kann.
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Um
einerseits handelsübliche Dichtung einsetzen zu können
und um andererseits eine gute thermische Isolierung des Kurbelraumes
zu schaffen, ist es vorteilhaft, dass die Dicke der Dichtung größer als
0,5 mm beträgt. Diese ist bei etwa 1 mm optimal. Außerdem
ist eine Dichtung mit einer Dicke von 1 mm handelsüblich.
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Eine
besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch
aus, dass das Kurbelgehäuse aus unterschiedlichen Materialien besteht,
von denen mindestens ein Gehäuseteil aus einem Leichtmetall
besteht, in dem das Stahlkugellager zur Lagerung einer Kurbelwelle
eingelegt ist. Die Lager können sich auch bei hohen thermischen
Beanspruchungen nicht lösen. Das leichte Material erleichtert
die Handhabung eines handgeführten und tragbaren Gerätes.
Zweckmäßigerweise umfasst das Kurbelgehäuse
als Werkstoff Aluminium, insbesondere ein Aluminiumguss, oder Magnesium.
Hohe thermische Beanspruchungen können sich ergeben, wenn
der Verbrennungsmotor ein luftgekühlter Motor ist.
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Ein
Ausführungsbeispiel wird anhand der Zeichnungen näher
erläutert, wobei weitere vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung und Vorteile derselben beschrieben sind. Es zeigen in
schematischer Darstellung:
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1 eine
Draufsicht einer erfindungsgemäßen Zylinderfußdichtung,
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2 eine
Schnittdarstellung einer Lagerbohrung eines Kurbelgehäuses
mit einem Wellenlager,
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3 eine
Diagramm-Kurve bzw. eine Überdeckungskurve der in 2 gezeigten
Anordnung, und
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4 eine
Schnittdarstellung eines Verbrennungsmotors mit der erfindungsgemäßen
Zylinderfußdichtung.
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Die
in 1 gezeigte Dichtung 100 wird bei einem
in 4 dargestellten Verbrennungsmotor 20 im
Bereich der Verbindung eines Kurbelgehäuses 21 mit
einem Zylindergehäuse 22 eingesetzt. Das Kurbelgehäuse 21 und
das Zylindergehäuse 22 liegen jeweils mit einem
Gehäuseflansch 23, 24 flächig
aneinander und werden mittels nicht dargestellten Verbindungsschrauben
insbesondere mittels Paß-dehnschrauben, dichtend miteinander
verspannt. Für die Verbindungsschrauben sind mehrere, insbesondere vier Öffnungen 10 in
der Dichtung 100 vorgesehen. Ferner weist die Dichtung 100 die
Form des Gehäuseflansches 23, 24 mit
etwa quadratischen Abmessungen auf.
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In
dem Zylindergehäuse 22 des Verbrennungsmotors 20 ist
ein Hubkolben 25 längsbeweglich geführt
und ein Brennraum 26 ausgebildet, in dem der Arbeitsprozess
des Motors stattfindet. Die Längsbewegung des Hubkolbens 25 wird
in einem Kurbelbetrieb in eine Drehbewegung umgesetzt. Die Bauteile
des Kurbelbetriebes, und zwar die Kurbelwelle 27 und ein Kolbenpleuel 28, über
das der Kolben 25 mit der Kurbelwelle 27 wirkverbunden
ist, sind in dem Kurbelgehäuse 21 des Motors 20 aufgenommen.
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Die
Zylinderdichtung 100 ist als Zylinderfußdichtung
und als Flachdichtung ausgeführt. Sie hat außerdem
etwa die Form eines Rahmens. Außer der eigentlichen Dichtungsfunktion
hat die Dichtung auch eine thermisch isolierende Wirkung.
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Daher
ist bei einem Verbrennungsmotor 20 mit wenigstens einem
Zylinder und einem Kurbelgehäuse zur Lagerung einer Kurbelwelle 27 eine
zwischen dem Zylindergehäuse 22 und dem Kurbelgehäuse
angeordneten thermisch isolierenden Zylinderdichtung 100,
die als Flachdichtung ausgeführt ist, vorhanden.
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Erfindungsgemäß besteht
die Dichtung 100 aus einem Hochtemperatur-Dichtungsmaterial,
bestehend aus zwei äußeren Lagen aus NBR-Gummi und
Kohlenstofffasern, und einer mittleren Lage aus einem Streckmetallgitter.
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Eine
solche Dichtung ist vorzugsweise eine Dichtung mit dem handelsüblichen
Dichtungsmaterial Klingersil® C-4509
der Firma Klinger. Eine derartige Dichtung wird üblicherweise
im Anlagenbau bzw. in der chemischen Industrie, um Flansche von
Rohrleitungen abzudichten, und wird insbesondere im Zusammenhang
mit alkalischen Medien und Wasserdampf eingesetzt. Diese ist als
Hochdruck-Dichtung für höchste thermische und
mechanische Beanspruchungen ausgeführt. Die Dichtung basiert
auf Carbonfasern und hochtemperaturbeständige Zusatzstoffe,
die mit NBR gebunden sind.
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Durch
ein verzinktes oder Edelstahll-Streckmetallgitter 11 bzw.
eine Streckmetallarmierung, die in 1 veranschaulicht
ist, ist die Dichtung besonders belastbar und für hohe
Schraubenkräfte geeignet. Das Streck metallgitter bildet
eine mittlere Lage während zwei äußere
Lagen 12 aus NBR mit Carbonfasern vorhanden sind. In 1 ist
nur eine äußere Lage 12 sichtbar. Die
thermische Isolierung wird im Wesentlichen durch die äußere
Lage 12 erfüllt. Aber auch die Gitterstruktur
wirkt sich günstig auf die Isolierung aus.
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Vorzugsweise
wird eine solche Dichtung eingesetzt, die eine Kompressibilität
(ASTM F 36 J) von etwa 12%, eine Rückfederung
(ASTM F 36 J) von mindestens 70% und eine Druckbeständigkeit
(50 Mpa 6 h/300°C) von 39 Mpa hat. Diese Werte beziehen
sich auf eine Dichtung mit 2 mm Dicke. Vorzugsweise wird eine Dichtung
von 1 mm eingesetzt. Die Dichtung sollte aber größer
als 0,5 mm dick sein.
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Die
gezeigte Dichtung ist insbesondere bei Verbrennungsmotoren für
handgeführte und tragbare Arbeitsgeräte, wie Ketten-
oder Heckenscheren, geeignet. Daher ist der Motor als Zweitakt-Motor
ausgeführt, wobei sein Hubraum bis etwa 50 ccm sein sollte.
Der Motor ist zweckmäßigerweise als luftgekühlter Motor
ausgeführt.
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Außerdem
besteht das Kurbelgehäuse 21 aus unterschiedlichen
Materialien, von denen mindestens ein Gehäuseteil aus einem
Leichtmetall besteht, in dem wenigstens ein Stahlkugellager 13 zur Lagerung
einer Kurbelwelle eingelegt ist, das in 2 gezeigt
ist. Wie dort veranschaulicht ist, wird das Lager 13 in
eine Lagerbohrung 14 eingesetzt. Das Kurbelgehäuse 21 umfasst
als Werkstoff Aluminium, insbesondere ein Aluminiumguss. Aber auch Magnesium
anstatt Aluminium kann eingesetzt werden. Die Lagerbohrung 14 ist
an einem Aluminiumabschnitt angeordnet. Zwar ist nur ein Lager gezeigt, zur
Lagerung der Welle 27 sind jedoch zwei Lager 13 und
zwei Lagerbohrungen 14 vorhanden.
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2 zeigt
den Innendurchmesser D' der Lagerbohrung 14 und den Außendurchmesser
D'' des Lagers 13. Bei hoher Erwärmung des Kurbelge häuses
kann aufgrund der unterschiedlichen Materialien der Innendurchmesser
D' der Lagerbohrung 14 so viel größer
als der Außendurchmesser D'' des Lagers 13 werden,
dass das Lager 13 nicht ausreichend fest in der Bohrung 14 sitzt.
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3 veranschaulicht
die zugehörige Überdeckungskurve.
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Bei
der Temperatur T0 sind der Innendurchmesser D' der Bohrung 14 und
der Außendurchmesser D'' des Lagers 13 gleich.
Der Punkt D0 gilt daher bei Null Überdeckung.
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Bei
der geringeren Temperatur T1, die bei einem Betriebsbereich gegeben
ist, ist eine Überdeckung vorhanden, so dass das Lager 13 in
der Bohrung 14 eingeklemmt wird. Der Innendurchmesser D' der
Bohrung 14 ist kleiner als der Außendurchmesser D''
des Lagers 13. Der Punkt D1 gilt für einen Betriebsbereich,
bei dem D' < D''
ist.
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Die
Temperatur T2 ist charakteristisch, wenn kein Betriebsbereich mehr
vorliegt. Es ist dann keine Überdeckung mehr vorhanden.
Das Lager wird nicht eingeklemmt. Der Punkt D2 gilt daher wenn D' > D'' ist.
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Durch
den erfindungsgemäßen Einsatz der Dichtung 100 wird
durch die gute Isolierwirkung ein Bereich D2 vermieden, bei dem
das Lager sich lockern kann.
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- 10
- Öffnungen
- 11
- Streckmetallgitter
- 12
- Äußere
Lage
- 13
- Lager
- 14
- Lagerbohrung
- 20
- Verbrennungsmotor
- 21
- Kurbelgehäuse
- 22
- Zylindergehäuse
- 23,
24
- Gehäuseflansch
- 25
- Hubkolben
- 26
- Brennraum
- 27
- Kurbelwelle
- 28
- Kolbenpleuel
- 100
- Dichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 2248039
C3 [0005]
- - DE 4414659 A1 [0006]
- - DE 19958828 C1 [0007]
- - DE 3841203 A1 [0008]
- - DE 102006007311 A1 [0009]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - ASTM F 36
J [0038]
- - ASTM F 36 J [0038]