DE2348870A1 - Mehrteiliger kolben fuer brennkraftmaschinen, insbesondere grossdieselmotoren - Google Patents
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Description
Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg Aktiengesellschaft 8900 Augsburg, Stadtbachstraße 1
P.B. 2760 Augsburg, den 27. September 1973
Mehrteiliger Kolben für Brennkraftmaschinen, insbesondere
Großdieselmotoren
Die Erfindung betrifft einen mehrteiligen Kolben für Brennkraftmaschin
nen, insbesondere Großdieselmotoren, mit einem Kolbenoberteil, der
einen Kolbenboden sowie einen daran anschließenden, die Nuten für die Kolbenringe aufnehmenden Kolbenmantelteil umfaßt, und einem mit
diesem verbundenen Kolbenunterteil, der einen mittleren, eine Kolbenbolzenlagerung
umfassenden Tragteil und außerdem Gleitschuhe aufweist.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kolben dieser Gattung zu schaffen,
der durch thermische und mechanische Einwirkung hervorgerufene Belastungen zur Erzielung einer langen Lebensdauer optimal aufnimmt
und außerdem leicht ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sich der Kolbenoberteil
mit ringförmig umlaufenden Ansätzen auf dem sich hohlkegel-
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förmig erweiternden oberen Abschnitt des Tragteils unter Aussparung
von Kühlräumen direkt abstützt und daß der untere Abschnitt des Tragteils eine Lagerung für den Kolbenbolzen bildet,
wobei die Lagerung eine den Kolbenbolzen auf der der Anschlußstelle der Treibstange gegenüberliegenden Seite durchlaufend abstützende
Lagerschalenfläche aufweist, und daß im Kolbenbolzen
Bohrungen unter einem Winkel von etwa 30° bis 60° zur Kolbenlängsachse
A-A in einer Kolbenbolzenquerschnitts ebene gesehen vorhanden sind, an die sich in Taschen in der Lagerung mündende,
zu den Kühlräumen führende Kühlmittelbohrungen im Tragteil und Zuführbohrungen in der Treibstange anschließen. Ein wesentlicher
Vorteil dieses Kolbens ist darin zu sehen, daß die Zündkräfte optimal aufgenommen und weitergeleitet werden. Ferner ergibt sicli
durch die Anordnung der Bohrungen für das Kühl- bzw. Schmiermittel
im Kolbenbolzen und in dem Tragteil der weitere Vorteil, daß diese außerhalb des Bereichs der größten Lagerbelastung liegen
und somit keine unterbrochene Kraftverteilung auftritt.
Vorzugsweise sind in dem Kolbenbolzen außerhalb der der durchlaufenden Lagerschalenfläche gegenüberliegenden Wandungen Verteilnuten
für das gleichzeitig als Kühlmittel dienende Schmieröl vorgesehen.
Vorteilhaft schließen die Längsachsen des Kolbens und der zu einem
in der Randzone des Kolbenoberteils gelegenen äußeren, ringförmigen Kühlraum verlaufende Kühlmittelbohrungen einen Winkel von 0 bis JL
ein. Eine derartige Ausgestaltung bietet den Vorteil, daß das Kühlmittel auf dem kürzesten Weg in den thermisch hoch belasteten Be-
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« 3 —
reich und somit in die Kühlräume der Randzone des Kolbenoberteils gebracht wird.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung steht der äußere ringförmige Kühlraum über Kühlmittelbohrungen mit einem zentralen
Kühlmittelsammelraum in Verbindung und außerdem weist der Kühlmittelsammelraum Ablaufbohrungen auf. Hierdurch kann das
Kühlmittel gleichmäßig im gesamten Kolbenoberteil verteilt werden und durch das Abfließen des als Kühlmittel dienenden Schmieröls
zurück in den Triebwerks raum wird ein rascher Wärmeaustausch erreicht.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung sind die Gleitfläehen
an Gleitschuhen vorgesehen, die als beweglicher Gleitschuh« Lasten ausgebildet sind, der im Bereich der Lagerung für den Kolbenbolzen
Bohrungen aufweist, in die der Kolbenbolzen mit seinen äußeren Enden eingreift. Bei Anwendung dieser Maßnahmen ergibt
iirli bei auftretenden Beschädigungen der Gleitflächen, wie eventuell
Kolbenfressern, ein leichter und kostensparender Ausbau. Außerdem kann diese Form von Gleitschuhen sich besser an die Zylinderbuchse anpassen, indem sie sich ihre optimalste Lauflage suchen.
Es besieht ein nialls die Möglichkeit, die Gleitflächen der Gleitschuhe
mit einem Wc. ri SiOff mit guten Laufeigenschaften zu beschichten.
Weiter ist alt vorteilhaft anzusehen, daß der Kolbenbolzen direkt in dem Werkstoff des Tragteils gelagert ist. Da der für den Kolben·"
unterteil vorj csehene Werkstoff Aluminium ist und dieser sehr jmtc
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Laufeigenschaften aufzuweisen hat, bietet sich hierdurch die Möglichkeit,
die bisher vorgesehenen Lagerschalen fortzulassen und den Kolbenbolzen direkt in dem Tragteil zu lagern.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele anhand
der Zeichnung in Verbindung mit zusätzlichen Unteransprüchen. Es zeigen
Figur 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolben in zwei um 90° gegeneinander
versetzten Ebenen,
Figur 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kolbens zur Hälfte in einem Längsschnitt, zur
Hälfte in einer teilweise aufgebrochenen Ansicht,
Figur 3 einen Schnitt nach Linie III-HI der Figur 2,
Figur 4 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles 11Z" in
Figur 2.
Der in Figur 1 gezeigte Kolben umfaßt ein Kolbenoberteil 1 und ein
Kolbenunterteil 2. Der Kolbenoberteil 1 ist aus Stahl oder Stahlguß hergestellt und weist einen Kolbenboden 3 und einen daran anschließenden
oberen Kolbenmantelteil 4 auf. Im Kolbenmantelteil 4 sind mehrere Nuten 5 zur Aufnahme der Kolbenringe vorgesehen. An der
Unterseite des Kolbenbodens 3 sind um die mit A«A bezeichnete KoI-
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benlängsachse ringförmig umlaufende Ansätze 6 angeformt, die in einer waagerechten Ebene liegende Anlageflächen 7 aufweisen.
Der Kolbenunterteil 2, der aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung
besteht, umfaßt einen Tragteil 8, dessen unterer Abschnitt die Lagerung 10 eines Kolbenbolzens 11 bildet. An dem unteren Abschnitt 9 des Tragteils 8 ist ein ringförmiger, die Kolbenlängsachse
A-A umgebender, sich nach oben hohlkegelförmig erweiternder oberer
Abschnitt 12 des Tragteils 8 angeformt. Auf diesem hohlkegelförmig
erweiterten oberen Abschnitt 12 des Tragteils 8 stützt sich der Kolbenoberteil 1 mit den ringförmig umlaufenden Ansätzen 6 über
die Anlagefläche 7 ab. Geführt und zentriert wird der Kolbenoberteil 1 im Bereich des oberen Kolbenmantelteils 4 über äußere ringförmige
Ansätze 13 an dem Rand des oberen Abschnitts 12 des Tragteils 8. Über die Ansätze 13 stützt sich der Kolbenoberteiljl, der als Gegenstück
Vorsprünge 14 aufweist, ebenfalls ab. An dem Tragteil 8 sind Gleitschuhe 15 angeformt. Die Gleitflächen 16 der Gleitschuhe 15,
die mit einem Werkstoff mit guten Laufeigenschaften beschichtet werden können, sind von dem als Dichtfläche ausgebildeten oberen Kolbenmantelteil
4 unterbrochen. Die Gleitschuhe 15 können auch lösbar mit als Dehnschrauben ausgebildeten Schrauben mit dem Tragteil 8
verbunden werden.
Wie Figur 1 erkennen läßt, weist die Lagerung 10 für den Kolbenbolzen
11 eine auf der der Anschlußstelle einer Treibstange 17 gegenüberliegenden Seite durchlaufende abstützende Lagerschalenfläche 18
auf. Die Treibstange 17 ist mit dem Kolbenbolzen 11 mittels zweier
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als Dehnschrauben ausgebildeter Schrauben 19 verbunden. Dabei erstrecken sich die Schrauben 19 dirch Aussparungen 20 sowie
Bohrungen 21 in der Treibstange 17 und greifen jeweils in Gewinde 22 in dem Kolbenbolzen 11 an.· Die Köpfe der Schrauben 19
stützen sich über Führungsbüchsen 55, die in den Aussparungen 20
der Treibstange 17 angeordnet sind, ab. Der Kolbenbolzen 11, der an seinen Enden 23 zur Gewichts er sparnis jeweils schräg nach innen
verlaufende Ausnehmungen 24 aufweist, ist direkt in dem Werkstoff des Tragteils 8 gelagert.
Zur Kühlung des Kolbens, die beim Ausführungsbeispiel mittels öl
erfolgt, sind durch Zusammenfügen des Kolbenoberteils 1 und des Kolbenunterteils 2 ein in der Randzone 25 des Kolbenoberteils 1 gelegener
äußerer ringförmiger Kühlraum 26 und ein zentraler Kühlmittels ammelraum 27 vorgesehen. Der äußere ringförmige Kühlraum
setzt sich durch Aussparungen 28, 29 in dem Kolbenoberteil 1 und dem Tragteil 8 zusammen. Die Aussparungen 29 sind als ha Ib se hai enf or»
mige Taschen, wie aus Figur 4 zu ersehen ist, ausgebildet. Der zentrale
Kühlmittelsammelraum 27 wird durch die Aussparungen 30, 31 in dem Kolbenoberteil 1 und dem Tragteil 8 gebildet. Von dem äußeren
ringförmigen Kühlraum 26 verlaufen Kühlinittelbohrungen 32 zur Lagerung 10. Die Austritts öffnungen dieser Kühlmittelbohrungen 32 im
Kolbenoberteil 1 sind zwischen den halbschalenförmig ausgebildeten Aussparungen 29 vorgesehen. Ferner weisen diese Kühlmittelbohrun«
gen 32 Längsachsen B-B auf, die mit der Längsachse A-A des Kolbens einen Winkel von 25° bilden und durchsetzen so das Tragteil 8. Alternativ
sind auch kleinere Winkel bis zu 0° möglich. Diese Kühlmittelbohrungen 32 münden in den in der Lagerung 10 sich befindenden Taschen
33. In diese Taschen 33 münden auch die in dem Kolbenbolzen
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vorgesehenen Bohrungen 34, die unter einem Winkel von etwa 30 bis 60° zur Kolbenlängsachse A-A in einer Kolbenquerschnittsebene 35
gesehen aus dem Kolbenbolzen 11 austreten und mit einer Bohrung 36, in Verbindung stehen. Diese Bohrung 36, die im Bereich der Mündung
der Bohrung 34 im Durchmesser stärker ausgeführt ist, um sich dann zu verjüngen, steht wiederum mit einer Zuführbohrung 37, die in der
Treibstange vorgesehen ist, in Verbindung. Die Bohrung 36 verläuft von der Zuführbohrung 37 diagonal durch die Kolbenbolzenquerschnitts·
ebene 35 und mündet etwa in der Bolzenmitte in die Bohrung 34. In dem Kolbenbolzen 11 sind Verteilnuten 39, 40 für das als Kühlmittel
dienende Schmieröl vorgesehen. Die Verteilnuten 39, 40 liegen außerhalb der der durchlaufenden Lagerschalenfläche 18 gegenüberliegenden
Wandungen.
Der äußere ringförmige Kühlraum 26 verbindet den zentralen Kühl«
mittelsammelraum 27 mit einer Kühlmittelbohrung 41. Eine weitere, als Ablaufbohrung ausgebildete und mit 42 bezeichnete Bohrung steht
mit dem außerhalb des Kolbens liegenden Räumen in Verbindung.
Bei einem derartigen, aus mehreren Teilen gebauten Kolben besteht eine weitgehende Freizügigkeit in der Auswahl der anzuwendenden
Werkstoffe, die insbesondere unter dem Gesichtspunkt des günstigen Gewichts und einer großen Festigkeit getroffen werden kann. Durch
die Konstruktion des Kolbenbolzens 11, verbunden mit der Treibstange 17, werden die Zündkräfte ohne wesentliche Umlenkung vom
Brennraum 43 über das Kolbenunterteil 2 dem Kolbenbolzen 11 in die Treibstange 17 eingeleitet. Dadurch wird der Kolbenbolzen 11 nicht
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auf Biegung beansprucht. Hierdurch ergibt sich wiederum eine gleichmäßige
Verteilung der hydrostatischen Lagerdrücke und somit eine günstige Lagerbelastung. Da der Kolben in einen Dichtungsteil und
einen Führungsteil getrennt ist und als Führungsteil Gleitschuhe aufweist, zeichnet sich der Kolben auch durch ein verhältnismäßig geringes
Gewicht aus. Ferner ist die Aufheizung der Gleitschuhe 15 vom Brennraum 43 durch eben diese Trennung sehr gering. Es treten somit
keine großen Temperaturunterschiede in den Gleitflächen 16 auf. Weiterhin können Zylinderbuchsen-Verformungen sowie unterschiedliche
Abnutzungen der Zylinderbuchse und unterschiedliche Wärmeausdehnungen durch die nachgiebige Konstruktion der Gleitschuhe
ausgeglichen werden. Außerdem ist es möglich, das Spiel der Gleitschuhe in der Zylinderbuchse gering zu halten. Durch dieses geringe
Spiel der Gleitschuhe 15 wird die Kavitationsneigung auf der Wasserseite der Zylinderbuchse verringert.
Ein maßgebender Punkt, der die Lebensdauer eines Kolbens verlängert,
ist eine ausreichende Kühlung und Schmierung, Hierzu wird das öl mittels einer nicht näher dargestellten ölpumpe von der Kurbelwanne
durch die nicht näher dargestellte Hohlkurbelwelle, die Zuführbohrungen 37 in der Treibstange 17, den Kolbenbolzen 11 und die dort
vorgesehenen Bohrungen 34, 36 und die Verteilnuten 39, 40 zu den in der Lagerung 10 sich befindenden Taschen 33, 38 befördert. Durch
die Kühlmittelbohrungen 32 gelangt das öl in den äußeren ringförmigen
Kühlraum 26 und schließlich in den Kühlmittelsammelraum 27. Eine Ablaufbohrung 42 sorgt dann dafür, daß das Kühl- bzw. Schmieröl wieder
in den Triebwerksraum zurückfließt. Durch das Zurückströmen des Kühlöls wird ein rascher Wärmeaustausch erreicht. Die Schmierung
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der Gleitflächen 16 erfolgt durch das von der Kurbelwelle hochgeschleuderte
Spritzöl. Die Schmierung des Kolbenbolzens 11 erfolgt über die Verteilnuten 39, 40 und die Taschen 33 und 38.
In Figur 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kolbens als Alternativlösung zu dem in Figur 1 beschriebenen Kolben dargestellt.
Hier ist der Kolben im Grundaufbau und in der Funktion ebenso, wie in Figur 1 beschrieben, aufgebaut. Lediglich sind die
Gleitflächen, die hier mit 44 bezeichnet sind, an einem als Kasten ausgebildeten Gleitschuh vorgesehen, der mit 45 bezeichnet ist.
Dieser Gleitschuhkasten 45 kann aus einem anderen Werkstoff wie der Tragteil 8 hergestellt werden. Der Gleitschuhkasten 45 weist
innen im Bereich der Gleitflächen 44 Verstärkungsrippen 46 auf. Diese Verstärkungsrippen 46 sind zweckmäßig, da der Gleitschuhkasten
45 bei möglichst leichter Ausführung an den Gleitflächen 44 infolge der auftretenden Kräfte zu nachgiebig ist. Dieses Problem
läßt sich auch ohne weiteres durch verstärkte Ausführung der Gleitfläche 44 beheben. Der Gleitschuhkasten 45 ist beweglich an dem
Tragteil 8 angeschlossen. Hierzu sind in dem Gleitschuhkasten 45
im Bereich des Kolbenbolzens , der hier mit 56 bezeichnet ist. Bohrungen 47, in die der Kolbenbolzen 56 mit seinen äußeren Enden
23 eingreift, vorgesehen.
Wie aus Figur 3 zu ersehen ist, hat das Tragteil 8 etwa die Querschnittsform
eines Malteserkreuzes. In den durch diese Ausführungsform entstehenden Ausnehmungen 48 sind Schrauben 49 vorgesehen,
die den Tragteil 8 und den Kolbenoberteil 1, wie aus Figur 2 ersichtlich, verbinden. Diese Schraubenanordnung und Verbindung mit dem
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Kolbenoberteil 1 ist ebenfalls in beiden Ausführungsvarianten die gleiche.
Diese Schrauben 49, die, wie aus Figur 2 ersichtlich ist, als Stiftschrauben
ausgebildet sind, durchsetzen in dem Tragteil 8 Bohrungen 50 und greifen in Gewinde 51 in dem Kolbenoberteil 1 ein. Zum
Verspannen dieser beiden Teile dient eine als Kronenmutter ausgebildete Mutter 52, die mittels einer Splintsicherung 53 gesichert ist.
Ferner ist, wie aus Figur 2 zu ersehen ist, zur Fixierung des Kolben·
bolzens 11 mit der Treibstange 17 eine Hülse 54 vorgesehen.
Gegenüber dem festen Gleitschuh 15, wie er in der Figur 1 beschrieben
ist, sind an diesem beweglichen Gleitschuhkasten 45 noch einige markante Vorteile festzustellen. Da dieser Gleitschuhkasten 45 beweglich
ist, kann er sich seine optimalste Lauflage in der Zylinderbuchse suchen. Bei eventuell auftretenden Kolbenfressern braucht
bei den beweglichen Gleitschuhen nur der Gleitschuhkasten 45 ausgebaut werden. Da das Kolhenoberteil 1 bei dem beweglichen Gleitschuhkasten
45 durch ölkräfte im Spalt zwischen Kolbenringpartie und Zylinderbuchse
zentriert ist und seine Lage beim Anlagewechsel dieses Gleitschuhkastens 45 kaum ändert, ist der Ringnutenverschleiß und
der Kolbenringflankenverschleiß sehr niedrig.
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Claims (16)
- AnsprücheMehrteiliger Kolben für Brennkraftmaschinen, insbesondere Großdieselmotoren, mit einem Kolbenoberteil, der einen Kolbenboden sowie einen daran anschließenden, die Nuten für die Kolbenringe aufnehmenden Kolbenmantelteil umfaßt, und einem mit diesem verbundenen Kolbenunterteil, der einen mittleren, eine Kolbenbolzenlagerung umfassenden Tragteil und außerdem Gleitschuhe aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Kolbenoberteil (1) mit ringförmig umlaufenden Ansätzen (6) auf dem sich hohlkegelförmig erweiterenden oberen Abschnitt (12) des Tragteils (8) unter Aussparung von Kühlräumen direkt abstützt und daß der untere Abschnitt (9) des Tragteils (8) eine Lagerung (10) für den Kolbenbolzen (11, 56) bildet, wobei die Lagerung (10) eine den Kolbenbolzen (11, 56) auf der der Anschlußstelle der Treibstange (17) gegenüberliegenden Seite durchlaufend abstützende Lagerschalenfläche (18) aufweist, und daß im Kolbenbolzen (11, 56) Bohrungen (34, 36) unter einem Winkel von etwa 30° bis 60° zur Kolbenlängsachse (A-A) in einer Kolbenbolzenquerschnittsebene (35) gesehen vorhanden sind, an die sich in Taschen (33, 38) in der Lagerung (10) mündende, zu den Kühlräumen führende Kühlmittelbohrungen (32) im Tragteil (8) und Zuführbohrungen (37) in der Treibstange (17) anschließen.
- 2. Mehrteiliger Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Kolbenbolzen (11, 56) außerhalb der der durchlaufendenS09815/0631Lagerschalenfläche (18) gegenüberliegenden Wandungen Verteilnuten (39, 40) für das gleichzeitig als Kühlmittel dienende Schmieröl vorgesehen sind.
- 3. Mehrteiliger Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Kolbenoberteil (1) in dem Bereich des oberen Kol«· benmantelteils (4) über äußere ringförmige Ansätze (13) auf dem Rand des Tragteils (8) abstützt.
- 4. Mehrteiliger Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachsen (A-A) und (B-B) des Kolbens und der zu einem in der Randzone (25) des Kolbenoberteils (1) gelegenen äußeren ringförmigen Kühlraum (26) verlaufende Kühlmittelbohrungen (32) einen Winkel von 0 bis 25° einschließen.
- 5. Mehrteiliger Kolben nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere ringförmige Kühlraum (26) über Kühlmittelbohrungen (41) mit einem zentralen Kühlmittelsammelraum (27) in Verbindung steht und der Kühlmittelsammelraum (27) Ablaufbohrungen (42) aufweist.
- 6. Mehrteiliger Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitschuhe (15) einstückig mit dem Tragteil (8) ausgebildet sind.
- 7. Mehrteiliger Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitschuhe (15) lösbar mittels Dehnschrauben mit dem Tragtei4 (8) verbunden sind../. 509815/0631
- 8. Mehrteiliger Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitschuhe als beweglicher Gleitschuhkasten (45) ausgebildet sind, der im Bereich der Lagerung (10) für den Kolbenbolzen (56) Bohrungen (47) aufweist, in die der Kolbenbolzen (56) mit seinen äußeren Enden (23) eingreift.
- 9. Mehrteiliger Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenbolzen (11, 56) und die Treibstange (17) mittels Dehnschrauben miteinander verbunden sind.
- 10. Mehrteiliger Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenoberteil (1) aus Stahl oder Stahlguß hergestellt ist.
- 11. Mehrteiliger Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenunterteil (2) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt ist.
- 12. Mehrteiliger Kolben nach den Ansprüchen 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitflächen (16, 44) der Gleitschuhe (15, 45) mit einem Werkstoff mit guten Laufeigenschatten beschichtet sind.
- 13. Mehrteiliger Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenbolzen (11, 56) direkt in dem Werkstoff des Tragteils (8) gelagert ist../■509815/0631
- 14. Mehrteiliger Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenoberteil (1) mit dem KoI-benunterteil (2) lösbar mittels Schrauben (49) verbunden ist.
- 15. Mehrteiliger Kolben nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in dem als Gleitschuhkasten (45) ausgebildeten Gleitschuh im Bereich der Gleitflächen (44) Verstärkungsrippen (46) vorgesehen sind.
- 16. Mehrteiliger Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenbolzen (11, 56) jeweils an den Enden (23) schräg nach innen verlaufende Ausnehmungen (24) aufweist.509815/0631
Priority Applications (8)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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