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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor,
der durch Gießen eines
vorgeformten, aus einem faserverstärkten Material bestehenden
Elements in ein Kolbengrundmaterial gebildet wird.
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2. Beschreibung der verwandten
Technik
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Bisher
wurde in Bezug zu dem Kolben für
einen Verbrennungsmotor wie zum Beispiel einen Benzinmotor oder
einen Dieselmotor zu dem Zweck, Verbrennung durch Optimieren von
Gasströmung
zu verbessern, Gewicht zu reduzieren, Brennstoffwirtschaftlichkeit
durch Sicherstellen eines Hubs zu verbessern, und eine Beschleunigungsleistung
zu erhöhen
und dergleichen, ein Bodenteil des Kolbens so entwickelt, dass er
eine dünne
Wand oder eine Wand reduzierter Dicke aufweist.
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Da
der Bodenteil inzwischen direkt Verbrennung eines Luft-Brennstoff-Gemischs
ausgesetzt wird, sind bei Verdünnung
der Wand des Bodenteils Gegenmaßnahmen
gegen Rissbildung, Niederschmelzen, Eindringung und dergleichen
stark erforderlich, um seine Stabilität und Rundheit gegen durch Wärmeablenkung
bewirkte Wärmeverziehung
zu bewahren.
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Angesichts
der obigen Anforderungen offenbart zum Beispiel die japanische geprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung
Nr. 7-86336 einen Kolben mit einer Struktur, bei der die Stabilität des Bodenteils durch
Gießen
eines Stahlskelettelements, das einen runden Kernteil des Bodenteils,
Kernteile eines Paars von Bolzenlagerteilen, Kolbenmantelrippen, einen
Kolbenmantelteil und einen Eingriffsteil eines integriert damit
verbundenen oberen Rings aufweist, in ein Leichtlegierungsgrundmaterial
(Verstärkungsmaterial)
erhöht
wird, und weiter ein Wärmeableitungseffekt
durch Wärmeleitung
zu einem Zylinder oder dergleichen durch das Skelettelement des
Kolbens verbessert wird.
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Weiter
offenbart zum Beispiel die japanische nichtgeprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung
Nr. 11-285809 einen Kolben mit einer Struktur, in der die Stabilität des Kolbens
teilweise durch Gießen
eines vorgeformten, aus einem faserverstärkten Material oder dergleichen
bestehenden Elements in das Grundmaterial des Kolbens erhöht wird.
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Wenn
das Stahlskelettelement jedoch wie in der oben genannten japanischen
geprüften
Patentanmeldungsveröffentlichung
Nr. 7-86336 in das Grundmaterial des Kolbens gegossen wird, besteht die
Gefahr einer unzureichenden Bindungsstärke zwischen diesen verschiedenen
Materialien.
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Als
eine Gegenmaßnahme
gegen das obige Problem ist es möglich,
die Stabilität
zwischen den verschiedenen Materialien zueinander durch Bilden des
oben genannten Skelettelements mit einem vorgeformten Element zu
erhöhen.
Da das in der oben genannten japanischen geprüften Patentanmeldungsveröffentlichung
Nr. 7-86336 offenbarte Skelettelement jedoch eine komplizierte Struktur
zum Erreichen der erforderlichen Steifigkeit und Hemmen von Wärmeausdehnung
aufweist, wird beim Gießen
des vorgeformten Elements mit einer solchen komplizierten Struktur
der Fluss von geschmolzenem Metall kompliziert, und infolgedessen
wird das geschmolzene Metall weniger in dem vorgeformten Element
imprägniert,
wodurch eine Gefahr unzureichender Stabilität eines Teils des Kolbens verursacht
wird, der mit einem faserverstärkten
Metall verstärkt
ist, aus dem das vorgeformte Element besteht.
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Angesichts
der obigen Probleme ist die vorliegende Erfindung angefertigt worden.
Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
einen Kolben für
einen Verbrennungsmotor zu schaffen, der die benötigte Stabilität erreicht
und ferner Verziehung des Bodenteils hemmt, während er eine einfache Struktur
aufweist, selbst wenn der Bodenteil eine dünne Wand hat.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Der
Kolben für
den Verbrennungsmotor, der durch Gießen eines vorgeformten, aus
einem faserverstärkten
Material bestehenden Elements in ein Kolbengrundmaterial gemäß der vorliegenden
Erfindung gebildet wird, umfasst
ein Paar Bolzenlagerteile;
ein
Paar Bodenverstärkungsteile,
die auf einem Bodenteil so angeordnet sind, um über den jeweiligen Bolzenlagerteilen
angeordnet zu sein; und
einen Verbindungsteil, der das Paar
von Bodenverstärkungsteilen
miteinander entlang der Kolbenbolzenachse verbindet.
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Das
vorgeformte Element wird wenigstens durch das Paar von Bodenverstärkungsteilen
und dem Verbindungsteil gebildet.
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Nur
zum Aufführen
eines Beispiels sollen nun bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben werden,
in denen:
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1 eine
Draufsicht eines Kolbens gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist,
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2 eine
Schnittansicht des Kolbens entlang der in 1 angezeigten
Linie I-I ist,
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3 eine
Schnittansicht des Kolbens entlang der in 1 angezeigten
Linie II-II ist,
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4A eine
Draufsicht eines vorgeformten Elements ist,
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4B ein
Aufriss des vorgeformten Elements ist,
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4C eine
rechte Seitenansicht des vorgeformten Elements ist,
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5 eine
Draufsicht einer Abwandlung des Kolbens ist; und
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6 eine
Draufsicht einer anderen Abwandlung des Kolbens ist.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sollen unter Bezugnahme auf die anliegenden
Zeichnungen beschrieben werden. 1 ist eine
Draufsicht eines Kolbens gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, 2 und 3 sind
Schnittansichten des Kolbens entlang der in 1 angezeigten
Linie I-I bzw. II-II, 4A bis 4C sind
eine Draufsicht, ein Aufriss bzw. eine rechte Seitenansicht eines
vorgeformten Elements, 5 und 6 sind Draufsichten
von Abwandlungen des Kolbens.
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Wie
in den 1 bis 3 gezeigt ist, wird ein Kolben 1 für einen
Verbrennungsmotor gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zum Beispiel für einen Benzinboxermotor verwendet und
ist ein Gussgegenstand, der aus einer Aluminiumlegierung (zum Beispiel
mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten
von 21,0 × 10–6/°C) als einem Grundmaterial
(Kolbengrundmaterial) besteht.
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Der
Kolben 1 wird durch einen im wesentlicher scheibenförmigen Bodenteil 2 und
einen Kolbenmantelteil 3 definiert, der sich von der hinteren Oberfläche (unteren
Oberfläche)
des Bodenteils 2 erstreckt.
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Der
Bodenteil 2 weist eine obere Ringnut 5, eine zweite
Ringnut 6 und eine Ölringnut 7 ausgebildet
in der äußeren Umfangsfläche desselben
in dieser Reihenfolge von oben auf. Die obere Ringnut 5 und
die zweite Ringnut 6 nehmen jeweilige darin angeordnete
Druckringe (nicht gezeigt) auf, um so hermetischen Verschluss (Abdichtung)
einer Brennkammer zu erreichen. Die Ölringnut 7 nimmt weiter
einen darin angeordneten Ölring
(nicht gezeigt) auf, um so einen redundanten Teil eines auf der
Wand eines Zylinders ausgebildeten Schmierölfilms abzuschaben.
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Ferner
weist der Bodenteil 2 einen Hohlraum 8 als einen
Teil der Brennkammer auf, der in der oberen Oberfläche derselben
in einer eingelassenen Weise ausgebildet ist. Zusätzlich umfasst
der Hohlraum 8 Ventilausnehmungen 9, die jeweiligen
Einlass- und Ablassventilen (nicht gezeigt) des Motors entsprechen,
welche darin in einer eingelassenen Weise ausgebildet sind.
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Der
Kolbenmantelteil 3 wird durch ein Paar bogenförmiger Teile 10 und
ein Paar Lager abstützender
Wandteile 11 gebildet, die die zueinander gerichteten Enden
der bogenförmigen
Teile 10 miteinander verbinden.
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Die
bogenförmigen
Teile 10 sind symmetrisch in Bezug zu der Mittelachse des
Bodenteils 2 so angeordnet, um zueinander gerichtet zu
sein, und die Außenwände derselben
weisen teilweise bogenförmige,
gekrümmte
Oberflächen
auf, die sich im wesentlichen entlang der äußeren Umfangsfläche des Bodenteils 2 erstrecken.
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Die
Lager abstützenden
Wandteile 11 werden durch im wesentlichen flach geformte
Elemente definiert, die auf der Rückfläche des Bodenteils 2 in einer
hochstehenden Weise so ausgebildet sind, um parallel zueinander
zu sein, und weisen jeweilige, damit integriert ausgebildete Bolzenlagerteile 15 auf. Die
Bolzenlagerteile 15 weisen jeweilige Bolzenlöcher 16 durch
dieselben perforiert auf, und der Kolben 1 wird mit einer
Verbindungsstange (nicht gezeigt) durch einen Kolbenbolzen (nicht
gezeigt) verbunden, der in die Bolzenlöcher 16 eingesetzt
wird.
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Der
Kolben 1 mit der oben beschriebenen Struktur umfasst einen
faserverstärkten
Metallteil 20 angeordnet in dem Großteil desselben. Der faserverstärkte Metallteil 20,
der ein hochstabiles, faserverstärktes
Material einschließt,
ist ein so ausgebildeter faserverstärkter Metallbereich (FRM-Bereich), dass das
faserverstärkte
Material integriert mit einer Aluminiumlegierung kombiniert wird.
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Wie
in den Figuren dargestellt ist, wird der faserverstärkte Metallteil 20 durch
ein Paar Bodenverstärkungsteile 21,
die auf dem Bodenteil 2 so vorgesehen sind, um über den
Bolzenlagerteilen 15 angeordnet zu sein, einen Verbindungsteil 22,
der diese Bodenverstärkungsteile 21 integriert
verbindet, Lagerverstärkungsteile 23,
die in den jeweiligen Bolzenlagerteilen 15 angeordnet sind,
und Verbindungsteile 24 definiert, die die Bodenverstärkungsteile 23 mit den
jeweiligen Bodenverstärkungsteilen
verbinden.
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Durch
Einschätzen
von Belastungen entsprechender Elemente des Kolbens 1,
die zum Beispiel durch einen auf die obere Oberfläche des
Bodenteils 2 ausgeübten
Verbrennungsdruck und eine Trägheitskraft
während
des Auslasshubs verursacht werden, unter Verwendung der Methode
der finiten Elemente oder dergleichen, wird jeder Bodenverstärkungsteil 21 an
einem vorbestimmten Teil des Kolbens 1 um den entsprechenden
Bolzenlagerteil 15 (zum Beispiel einem Teil des Kolbens 1 mit
einer Stärke
mit einer Sicherheitsspanne nicht größer als ein vorbestimmter Wert
hinsichtlich seiner Materialermüdungsstärke) in Übereinstimmung
mit den geschätzten
Belastungen angeordnet. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Bodenverstärkungsteil 21 so
ausgebildet, um zum Beispiel eine rechteckige Form, die den entsprechenden
Bolzenlagerteil 15 bedeckt, bei Betrachtung von der oberen
Oberfläche
des Bodenteils 2 (siehe 1) zu haben,
und eine Dicke (Tiefe) von etwa 5 und 10 mm (siehe 2)
aufzuweisen.
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Der
Verbindungsteil 22 verbindet die beiden Bodenverstärkungsteile 21 integriert
miteinander entlang der Kolbenbolzenachse O. In der vorliegenden Ausführungsform
wird auf der oberen Oberfläche
des Bodenteils 2 die Breite des Verbindungsteils 22,
der sich in einer Richtung senkrecht zu der Kolbenbolzenachse O
erstreckt, so festgelegt, um kleiner als die jedes Bodenverstärkungsteils 21 (siehe 1)
zu sein, und die Dicke (Tiefe) des Verbindungsteils 22 wird
auf etwa 5 bis 10 mm (siehe 2 und 3) festgelegt.
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Wie
aus 1 deutlich wird, sind die beiden Bodenverstärkungsteile 21 und
der Verbindungsteil 22 symmetrisch in Bezug zu der Kolbenbolzenachse O,
und der Gesamtwert der Längen
dieser sich entlang der Kolbenbolzenachse O erstreckenden Komponenten
wird so festgelegt, dass er zum Beispiel 90% oder mehr des Durchmessers
des Bodenteils 2 beträgt.
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Jeder
Lagerverstärkungsteil 23 wird
durch ein ringförmiges
Element definiert, das das entsprechende Bolzenloch 16 umschließt, und
ist mit dem entsprechenden Bodenverstärkungsteil 21 verbunden,
wobei der entsprechende Verbindungsteil 24 zwischen denselben
eingefügt
ist.
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Der
faserverstärkte
Metallteil 20 mit der oben genannten Struktur wird durch
Gießen
eines vorgeformten, aus einem faserverstärkten Material bestehenden
Elements 30 in das Grundmaterial zum Zeitpunkt des Gießens des
Kolbens 1 gebildet.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
besteht das faserverstärkte
Material aus dünnen
Metalldrähten
mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten kleiner
als dem des Grundmaterials (Aluminiumlegierung) des Kolbens 1.
Genauer ausgedrückt,
wird das faserverstärkte
Material durch Dispergieren von dünnen Metalldrähten in
demselben bei einem vorbestimmten Volumenverhältnis (zum Beispiel dem Volumenverhältnis von
dünnen
Metalldrähten
von 20 bis 25%) hergestellt, die zum Beispiel aus einem wärmefesten
Fe-Cr-Grundstahl (dargestellt durch Fe-Cr-Si) bestehen, jeweils mit einem Durchmesser
von etwa 0,1 mm und einem Ausdehnungskoeffizienten von 11,6 × 10–6/°C.
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Dann
wird durch Verarbeitung des faserverstärkten Materials das vorgeformte
Element 30 gebildet, das integriert die Teile 121 zum
Ausbilden der entsprechenden Bodenverstärkungsteile 21, einen Teil 122 zum
Ausbilden des entsprechenden Verbindungsteils 22, Teile 123 zum
Ausbilden der entsprechenden Lagerverstärkungsteile 23, und
Teile 124 zum Ausbilden der entsprechenden Verbindungsteile 24 einschließt (siehe 4A bis 4C).
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Anschließend wird
der den faserverstärkten Metallteil 20 einschließende Kolben 1 durch
Legen des vorgeformten Elements 30 in eine Gussform, Gießen von
geschmolzenen Aluminiummetall in die Gussform unter Steuerung der
Flussrichtung des geschmolzenen Metalls, und Anlegen von Druck an
das vorgeformte Element 30 gegossen. Unterdessen wird in
dem vorgeformten Element 30, da der Teil 121 zum
Ausbilden des Bodenverstärkungsteils 21 so ausgebildet
wird, dass er eine übermäßige Dicke
aufweist, ein redundanter Teil der Dicke entfernt, zum Beispiel
durch Abschneiden, wenn der Hohlraum 8 nach Abschluss des
Gießvorgangs
ausgebildet wird.
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Wenn
der oben beschreibenen Ausführungsform
zufolge das vorgeformte Element 30 gegossen wird, werden
die Paare der Bodenverstärkungsteile 21 und
der Lagerverstärkungsteile 23 aufgebildet, und
wird weiter das Paar von Bodenverstärkungsteilen 21 miteinander
entlang der Kolbenbolzenachse O durch den Verbindungsteil 22 verbunden,
wodurch die benötigte
Stabilität
des Kolbens 1 erreicht und ferner eine Verziehung des Bodenteils 2 gehemmt
wird, während
ermöglicht
wird, dass der Kolben 1 eine einfache Struktur aufweist,
selbst wenn der Bodenteil 2 eine verdünnte Wand hat.
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Mit
anderen Worten wird der faserverstärkte Metallteil 20 mit
einer einfachen Struktur und wirksames Bereitstellen einer notwendigen
Stabilität
des Kolbens 1 durch beschränktes Ausbilden von Verstärkungsteilen
in Bereichen (vorbestimmte Bereiche des Bodenteils 2, die
den Kolbenlagerteilen 15 und Kolbenlagerteilen 15 entsprechen)
erreicht, in denen Belastungen am stärksten konzentriert sind, um
die Wand des Bodenteils 2 zu verdünnen. Unterdessen ist es bekannt,
dass Belastungen auf dem Bodenteil 2 und den Bolzenlagerteilen 15 miteinander
in Korrelation stehen, das heißt,
je größer die
Stabilität
des Bodenteils 2 ist, desto größer ist die Abnahme in Belastungen
der Bolzenlagerteile 15. Dementsprechend können die
Lagerverstärkungsteile 23 und
die Verbindungsteile 24 derselben in dem Fall beseitigt werden,
wenn die Stabilität
des Bodenteils 2 zufriedenstellend durch die Bodenverstärkungsteile 21 erreicht
wird, selbst wenn die Wand des Bodenteils 2 verdünnt ist.
Somit weist der Bodenteil 2 durch Beseitigen der Lagerverstärkungsteile 23 und
der Verbindungsteile 24 wie oben beschrieben eine verdünnte Wand
auf, und hat der Kolben 1 eine einfachere Struktur.
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Da
die beiden Bodenverstärkungsteile 21 integriert
miteinander entlang der Kolbenbolzenachse O durch den Verbindungsteil 22 verbunden
sind, wird Wärmeverziehung
des Bodenteils 2 gehemmt, wodurch die Rundheit des Kolbens 1 aufrechterhalten wird.
Das heißt,
es ist bekannt, dass der Bodenteil zu einer elliptischen Form aufgrund
von Wärmeverziehung
jedes Teils des Kolbens und dergleichen und einer internen Belastung
verzogen wird, die in dem Bodenteil insbesondere unter Verbrennungsbedingungen
schwerer Belastung erzeugt wird und die Ausdehnen des Bodenteils
in die Richtung senkrecht zu der Kolbenbolzenachse bewirkt (mit
anderen Worten, die interne Belastung, die den Bodenteil veranlasst, sich
entlang der Kolbenbolzenachse zusammenzuziehen). Folglich kann durch
Verbinden der beiden Bodenverstärkungsteile 21 miteinander
durch den Verbindungsteil 22, um so als ein solides starres
Element zu dienen, das sich kontinuierlich und integriert entlang
der Kolbenbolzenachse O erstreckt, Verziehung aufgrund der internen
Belastung des Bodenteils 2 gehemmt werden, und die Rundheit
des Bodenteils 2 kann auf einem hohen Niveau gehalten werden.
Mit anderen Worten, wenn man die Aufmerksamkeit auf die Tatsache
konzentriert, dass die interne Belastung entlang der Kolbenbolzenachse
O erzeugt wird, wenn der Bodenteil 2 durch Wärme verzogen
wird, werden die entlang der Kolbenbolzenachse O angeordneten Bodenverstärkungsteile 21 durch
den Verbindungsteil 22 so verbunden, um als ein starres
Element gegen die interne Belastung zu wirken, wodurch Gegenmaßnahmen
gegen Verziehung des Bodenteils 2 mit einer einfachen Struktur
des Kolbens 1 erreicht werden.
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Unterdessen
kann durch Festlegen der zusätzlichen
Länge der
beiden Bodenverstärkungsteile 21 und
des Verbindungsteils 22 entlang der Kolbenbolzenachse O
auf einen vorbestimmten Wert (zum Beispiel mindestens 90% des Durchmessers
des Bodenteils 2) Verziehung des Bodenteils 2 wirksam
gehemmt werden.
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Somit
wird mit der wie oben aufgeführten
einfachen Struktur eine notwendige Stabilität des Kolbens erreicht und
wird auch Wärmeverziehung
des Bodenteils 2 gehemmt, wodurch die Form des zu gießenden vorgeformten
Elements 30 vereinfacht wird. Dementsprechend wird der
Fluss von geschmolzenem Metall zum Zeitpunkt des Gießens vereinfacht und
genau gesteuert, wodurch ein faserverstärktes Material in ein faserverstärktes Metallelement
mit einer hohen Stabilität
und einem hohen Imprägnierungsfaktor
umgewandelt werden kann.
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Wie
in 1 gezeigt ist, hat das vorgeformte Element 30 bei
dieser Gelegenheit ein kleines Volumen, indem die Breite des Verbindungsteils 22 auf den
minimalen Wert festgelegt wird, der erforderlich ist, damit der
Verbindungsteil 22 als ein starres Element wirkt, und kann
der Fluss von geschmolzenem Metall einfacher gesteuert werden.
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Unterdessen
können
in der vorliegenden Ausführungsform
zum Beispiel, wie in 5 gezeigt ist, die beiden Bodenverstärkungsteile 21 miteinander
durch einen Verbindungsteil 25 anstelle des Verbindungsteils 22 verbunden
werden, der eine Breite aufweist, die sich auf der oberen Oberfläche des
Bodenteils 2 in der Richtung senkrecht zu der Kolbenbolzenachse
O erstreckt, und die so festgelegt ist, um die gleiche wie die jedes
Bodenverstärkungsteils 21 zu
sein. Durch Festlegen der Breiten der Bodenverstärkungsteile 21 und
des Verbindungsteils 25 so, dass sie zueinander gleich
sind, weist das vorgeformte Element 30 eine einfachere
Form auf.
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Weiter
können
zum Beispiel, wie in 6 gezeigt ist, die beiden Bodenverstärkungsteile 21 miteinander
durch einen Verbindungsteil 26 anstelle des Verbindungsteils 22 verbunden
werden, der eine Breite aufweist, die sich auf der oberen Oberfläche des
Bodenteils 2 in der Richtung senkrecht zu der Kolbenbolzenachse
O erstreckt, und die so festgelegt ist, um größer als die jedes Bodenverstärkungsteils 21 zu
sein. Zum Beispiel durch Ausbilden des Verbindungsteils 26 derart,
dass er bogenförmige Teile
aufweist, die in der Richtung senkrecht zu der Kolbenbolzenachse
senkrecht vorstehen, wie in der Figur gezeigt ist, dehnt sich der
Kolben 1 in diesem Fall durch Wärme gleichmäßig in der radialen Richtung
desselben aus. Durch solches Festlegen der Breite des Verbindungsteils 22,
der sich in der Richtung senkrecht zu der Kolbenbolzenachse O erstreckt,
um größer als
die des Bodenverstärkungsteils 21 zu
sein, weist der Kolben 1 weiter eine erhöhte Steifigkeit
in dieser Richtung auf.