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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben, welcher beispielsweise in einer Kolbenvorrichtung zum Einsatz kommt und dabei innerhalb eines Zylinders beweglich angeordnet ist. Eine Kolbenvorrichtung ist beispielsweise ein Verbrennungsmotor und/oder eine Kompressorvorrichtung.
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Im Betrieb einer Kolbenvorrichtung kann sich eine unerwünschte Leckage zwischen dem Kolben und dem Zylinder, in welchem der Kolben geführt ist, ergeben. Zur Reduktion der Leckage kann beispielsweise ein Kolbenring vorgesehen sein, welcher insbesondere bewegbar an einem Grundkörper des Kolbens angeordnet ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben bereitzustellen, welcher einfach und kostengünstig herstellbar ist und zugleich einen zuverlässigen Betrieb einer Kolbenvorrichtung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kolben für eine Kolbenvorrichtung gelöst, welcher Folgendes umfasst:
einen Kolbenboden zur Aufnahme und/oder Erzeugung von Druckkräften;
eine Bolzenaufnahme zur Aufnahme eines Kolbenbolzens;
einen Grundkörper zur Kraftübertragung zwischen dem Kolbenboden und der Bolzenaufnahme im Betrieb des Kolbens.
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Vorzugsweise ist der Grundkörper aus einem Kunststoffmaterial gebildet.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Grundkörper aus einem Gleitlagerwerkstoff gebildet ist.
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Der Kolbenboden weist vorzugsweise eine Oberfläche auf, welche im Betrieb des Kolbens in direkten Kontakt mit einem Betriebsgas, insbesondere einem unter Druck stehenden oder unter Druck zu setzenden Betriebsgas, kommt.
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Ein Kunststoffmaterial ist in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen insbesondere ein organisches, polymeres Festkörpermaterial, welches beispielsweise synthetisch oder halbsynthetisch aus monomeren organischen Molekülen hergestellt wird oder herstellbar ist.
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Ein Kunststoffmaterial ist beispielsweise ein thermoplastisches Material, ein duroplastisches Material und/oder ein Elastomermaterial.
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Günstig kann es sein, wenn ein Kunststoffmaterial Polyetheretherketon (PEEK) umfasst oder aus Polyetheretherketon gebildet ist.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Kunststoffmaterial ein tribologisch modifiziertes Compoundmaterial ist. Beispielsweise kann ein Kunststoffmaterial vorgesehen sein, welches mit Polytetrafluorethylen (PTFE), Graphit und/oder Molybdändisulfid modifiziert ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Kunststoffmaterial faserverstärkt, beispielsweise kohlenstofffaserverstärkt, glasfaserverstärkt und/oder mineralfaserverstärkt, ist.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass das Kunststoffmaterial einen oder mehrere Füllstoffe, beispielsweise einen kugelförmigen Füllstoff und/oder einen Mineralfüllstoff, umfasst.
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Eine Polymermatrix des Kunststoffmaterials ist beispielsweise aus Polyetheretherketon (PEEK), Polyphenylsulfid (PPS), Polyamid (PA), Polybutylterephtalat (PBT), Polyimid (PI) und/oder Polyoxymethylen (POM) gebildet oder umfasst eines oder mehrere der genannten Materialien.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Grundkörper und der Kolbenboden aus demselben Material gebildet sind.
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Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass der Grundkörper und der Kolbenboden einstückig miteinander ausgebildet sind.
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Der Kolbenboden kann Bestandteil des Grundkörpers sein. Insbesondere kann der Kolbenboden durch den Grundkörper gebildet sein.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass der Grundkörper und der Kolbenboden voneinander verschiedene Bauteile des Kolbens sind.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Grundkörper und der Kolbenboden aus voneinander verschiedenen Materialien gebildet sind.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Kolben ein oder mehrere Inserts umfasst, welche an oder in dem Grundkörper angeordnet sind.
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Der Kolbenboden kann beispielsweise durch ein Insert in oder an dem Grundkörper gebildet sein.
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Ferner kann ein Insert beispielsweise ein Gleitlager der Bolzenaufnahme zur Aufnahme des Bolzens sein.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Grundkörper ein Kolbenhemd des Kolbens umfasst.
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Günstig kann es sein, wenn der Kolben, insbesondere ein Kolbenhemd des Kolbens, eine oder mehrere Vertiefungen, Aussparungen und/oder Durchtrittsöffnungen umfasst, in welcher ein oder mehrere Inserts festlegbar oder festgelegt sind.
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Vorzugsweise umfasst der Grundkörper des Kolbens eine oder mehrere Vertiefungen, Aussparungen und/oder Durchtrittsöffnungen, in welcher ein oder mehrere Inserts festlegbar oder festgelegt sind.
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Das eine oder die mehreren Inserts sind vorzugsweise formschlüssig und/oder stoffschlüssig und/oder unbeweglich an dem Grundkörper, dem Kolbenhemd des Kolbens und/oder dem Kolben festlegbar oder festgelegt.
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Eine formschlüssige Festlegung kann beispielsweise mittels eines Hinterschnitts realisiert werden.
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Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die eine oder die mehreren Vertiefungen, Aussparungen und/oder Durchtrittsöffnungen in axialer Richtung und/oder in radialer Richtung einen oder mehrere Hinterschnitte aufweisen.
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Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass eine oder mehrere Vertiefungen und/oder Aussparungen eine Schwalbenschwanzform aufweisen.
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Ein Insert kann beispielsweise in eine Vertiefung, Aussparung und/oder Durchtrittsöffnung eingerastet, verklipst oder sonstwie daran festgelegt werden.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass ein Insert in eine Vertiefung, Aussparung und/oder Durchtrittsöffnung eingespritzt wird. Ein Hinterschnitt wird somit vorzugsweise hinterspritzt, insbesondere um das eine oder die mehreren Inserts unbeweglich an dem Grundkörper festzulegen.
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Eine unbewegliche Festlegung ist dabei insbesondere eine Festlegung eines Inserts an dem Grundkörper derart, dass das Insert relativ zu dem Grundkörper weder verdrehbar noch in axialer Richtung, in radialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung verschiebbar ist.
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Ein oder mehrere Inserts umfassen vorzugsweise ein Metallmaterial oder sind aus einem Metallmaterial gebildet.
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Ein Metallmaterial kann beispielsweise ein Aluminiummaterial sein.
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Günstig kann es sein, wenn ein oder mehrere Inserts Aluminiumguss und/oder Grauguss umfassen oder aus Aluminiumguss und/oder aus Grauguss gebildet sind.
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Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass ein oder mehrere Inserts ein Kunststoffmaterial umfassen oder aus einem Kunststoffmaterial gebildet sind.
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Das eine oder die mehreren Inserts können dabei aus einem von dem Kunststoffmaterial des Grundkörpers verschiedenen Kunststoffmaterial gebildet sein. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Grundkörper und das eine oder die mehreren Inserts dasselbe Kunststoffmaterial umfassen oder aus demselben Kunststoffmaterial gebildet sind.
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Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass ein oder mehrere Inserts ein PEEK-Material und/oder ein PTFE-Material umfassen oder aus einem PEEK-Material und/oder aus einem PTFE-Material gebildet sind.
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Der Grundkörper des Kolbens umfasst vorzugsweise ein PEEK-Material und/oder ein PTFE-Material oder ist aus einem PEEK-Material und/oder aus einem PTFE-Material gebildet.
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Der Kolbenboden kann beispielsweise aus einem Metallmaterial gebildet sein oder ein Metallmaterial umfassen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Kolbenboden Aluminiumguss und/oder Grauguss umfasst oder aus Aluminiumguss und/oder aus Grauguss gebildet ist.
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Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass der Kolbenboden ein Kunststoffmaterial umfasst oder aus einem Kunststoffmaterial gebildet ist. Das Kunststoffmaterial ist oder umfasst vorzugsweise ein PEEK-Material und/oder ein PTFE-Material.
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Das Kunststoffmaterial ist vorzugsweise ein in einem Spritzgussprozess verarbeitbares Material.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das jeweilige Bauteil des Kolbens, welches aus einem Kunststoffmaterial gebildet ist, in einem Spritzgussverfahren herstellbar oder hergestellt ist.
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Der Kolbenboden und der Grundkörper sind vorzugsweise aus voneinander verschiedenen Materialien, insbesondere voneinander verschiedenen Kunststoffen (Kunststoffmaterialien) gebildet, wobei der Kolbenboden vorzugsweise aus einem hitze- und/oder druckbeständigen Kunststoff gebildet ist, während der Grundkörper vorzugsweise aus einem Kunststoff mit geringem Reibungskoeffizienten gebildet ist.
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Vorteilhaft kann es sein, wenn der Kolben ein oder mehrere Gleitelemente umfasst, welche insbesondere formschlüssig und/oder stoffschlüssig in oder an einer oder mehreren Gleitelementaufnahmen des Grundkörpers angeordnet oder anordenbar sind.
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Das eine oder die mehreren Gleitelemente dienen vorzugsweise der Abstützung des Kolbens am Zylinder.
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Das eine oder die mehreren Gleitelemente sind beispielsweise Inserts. Vorzugsweise weisen das eine oder die mehreren Gleitelemente einzelne oder mehrere der Merkmale und/oder Vorteile auf, welche im Zusammenhang mit einem Insert beschrieben sind.
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Ein Gleitelement ist beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial gebildet oder umfasst ein Kunststoffmaterial.
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Eine Gleitelementaufnahme ist insbesondere eine Vertiefung, Aussparung und/oder Durchtrittsöffnung in einem Grundkörper des Kolbens, insbesondere im Kolbenhemd des Kolbens.
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Ein oder mehrere Gleitelemente und/oder ein oder mehrere Gleitelementaufnahmen sind vorzugsweise in Umfangsrichtung ringförmig an dem Grundkörper angeordnet. Alternativ oder ergänzend hierzu kann eine streifenförmige Anordnung in axialer Richtung vorgesehen sein. Zudem kann alternativ oder ergänzend hierzu eine punktförmige oder fleckenförmige Anordnung eines oder mehrerer Gleitelemente und/oder eines oder mehrerer Gleitelementaufnahmen vorgesehen sein.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Kolben ein oder mehrere unbeweglich mit dem Grundkörper verbundene Kunststoffelemente umfasst.
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Ein Kunststoffelement ist ein aus einem Kunststoffmaterial gebildetes und/oder ein ein Kunststoffmaterial umfassendes Element.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass ein Kunststoffelement ein Insert und/oder ein Gleitelement ist.
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Ein Kunststoffelement weist vorzugsweise einzelne oder mehrere der im Zusammenhang mit einem Insert und/oder einem Gleitelement beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.
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Günstig kann es sein, wenn ein oder mehrere Kunststoffelemente, Inserts und/oder Gleitelemente gleichmäßig oder ungleichmäßig verteilt an dem Grundkörper, insbesondere einem Kolbenhemd des Grundkörpers, angeordnet sind.
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Der Grundkörper umfasst oder bildet vorzugsweise ein Kolbenhemd des Kolbens und/oder einen Kolbenboden des Kolbens und/oder eine Bolzenaufnahme des Kolbens.
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Der Grundkörper ist dabei vorzugsweise einstückig oder mehrteilig, beispielsweise zweiteilig, dreiteilig oder vierteilig, ausgebildet.
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Günstig kann es sein, wenn der Grundkörper ein Metallmaterial umfasst oder aus einem Metallmaterial gebildet ist.
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Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Grundkörper ein Kunststoffmaterial umfasst oder aus einem Kunststoffmaterial gebildet ist.
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Ein oder mehrere Kunststoffelemente des Kolbens sind vorzugsweise formschlüssig und/oder stoffschlüssig in oder an einer oder mehreren Kunststoffelementaufnahmen des Grundkörpers angeordnet oder anordenbar. Eine Kunststoffelementaufnahme ist insbesondere eine Insertaufnahme und/oder Gleitelementaufnahme.
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Beispielsweise ist eine Kunststoffelementaufnahme durch eine Vertiefung, Aussparung und/oder Durchtrittsöffnung gebildet.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Kolben eine oder mehrere Vertiefungen, Aussparungen und/oder Durchtrittsöffnungen umfasst, in welcher ein oder mehrere Kunststoffelemente festlegbar oder festgelegt sind. Insbesondere kann dabei eine formschlüssige und/oder stoffschlüssige und/oder unbewegliche Festlegung vorgesehen sein.
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Vorteilhaft kann es sein, wenn der Grundkörper eine oder mehrere Nuten aufweist, in welchen ein oder mehrere Kunststoffelemente angeordnet sind.
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Eine Nut ist dabei insbesondere eine Vertiefung und/oder Aussparung, beispielsweise eine ringförmige und/oder streifenförmige Vertiefung und/oder Aussparung.
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Günstig kann es sein, wenn das eine oder die mehreren Kunststoffelemente in einer radialen Richtung des Kolbens mindestens ungefähr 50 %, vorzugsweise mindestens ungefähr 60 %, in der einen oder den mehreren Nuten vertieft angeordnet sind.
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Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass das eine oder die mehreren Kunststoffelemente in einer radialen Richtung des Kolbens mindestens ungefähr 20 %, vorzugsweise mindestens ungefähr 30 %, über die eine oder die mehreren Nuten hinausragen.
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Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das eine oder die mehreren Kunststoffelemente derart in einer oder mehreren Nuten des Grundkörpers angeordnet sind, dass das eine oder die mehreren Kunststoffelemente in radialer Richtung ungefähr zwei Drittel in der Nut vertieft angeordnet sind und ein Drittel über die Nut hinausragen.
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Vorzugsweise weisen zwei oder mehr Bauteile des Kolbens, insbesondere der Grundkörper, der Kolbenboden, die Bolzenaufnahme, das Kolbenhemd, ein oder mehrere Kunststoffelemente, ein oder mehrere Gleitelemente und/oder ein oder mehrere Inserts, zumindest näherungsweise dieselbe Wärmedehnung auf. Beispielsweise kann eine Abweichung der jeweiligen Wärmeausdehnungskoeffizienten von höchstens ungefähr 50 %, beispielsweise höchstens ungefähr 30 %, vorzugsweise höchstens ungefähr 10 %, vorgesehen sein.
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Insbesondere ein Kunststoffmaterial ist dabei vorzugsweise so gewählt, dass dessen Wärmausdehnungskoeffizient mit einer Abweichung von höchstens ungefähr 50 %, beispielsweise höchstens ungefähr 30 %, vorzugsweise höchstens ungefähr 10 %, dem Wärmeausdehnungskoeffizienten eines verwendeten Metallmaterials, beispielsweise Aluminiumguss oder Grauguss, entspricht.
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Der erfindungsgemäße Kolben ist vorzugsweise in einer Kolbenvorrichtung verwendbar.
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Die vorliegende Erfindung betrifft daher auch eine Kolbenvorrichtung, welche einerseits einen oder mehrere Zylinder zur Aufnahme eines oder mehrerer Kolben und andererseits einen oder mehrere erfindungsgemäße Kolben umfasst.
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Die Kolbenvorrichtung ist beispielsweise eine Motorvorrichtung zur Umwandlung von Druckkräften in Bewegungsenergie.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass die Kolbenvorrichtung eine Kompressorvorrichtung zur Erzeugung von komprimierten Gasen unter Verwendung von mechanischer Energie ist.
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Die Zylinder der Kolbenvorrichtung sind vorzugsweise Kreiszylinder, insbesondere Hohlzylinder.
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Ein Kolben weist vorzugsweise eine im Wesentlichen zylindrische Form, insbesondere kreiszylindrische Form, auf.
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Der Kolben ist vorzugsweise ein Tauchkolben.
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Ein Kolbenhemd des Kolbens, welches insbesondere durch den Grundkörper gebildet ist, weist vorzugsweise eine im Wesentlichen(hohl-)kreiszylindrische Form auf.
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Ein Kolbenboden weist vorzugsweise die Form einer Kreisscheibe auf.
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Mittels eines in der Bolzenaufnahme aufgenommenen Bolzens ist der Kolben mit einer Pleuelstange verbindbar. Mittels der Pleuelstange ist der Kolben vorzugsweise an eine Kurbelwelle gekoppelt. Auf diese Weise kann eine Drehbewegung der Kurbelwelle zur Erzeugung einer linearen Bewegung des Kolbens genutzt werden.
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Ferner kann eine lineare Bewegung des Kolbens vorzugsweise zur Erzeugung einer Drehbewegung der Kurbelwelle genutzt werden.
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Die Pleuelstange ist vorzugsweise drehbar an dem Kolbenbolzen gelagert.
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Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass der Kolbenbolzen drehbar an der Bolzenaufnahme gelagert ist.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens.
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Der vorliegenden Erfindung liegt diesbezüglich die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mittels welchem ein stabil ausgebildeter und zuverlässig einsetzbarer Kolben einfach und kostengünstig herstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens gelöst, wobei der Kolben einen Grundkörper umfasst, der einen Kolbenboden des Kolbens kraftwirksam mit einer Bolzenaufnahme des Kolbens verbindet.
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Erfindungsgemäß kann dabei beispielsweise vorgesehen sein, dass der Grundkörper des Kolbens aus einem Kunststoffmaterial hergestellt wird.
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Der Grundkörper kann dabei beispielsweise in einem Spritzgussverfahren hergestellt werden.
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Vorzugsweise ist eine werkzeugfallende Herstellung des Grundkörpers vorgesehen. Bei einer werkzeugfallenden Herstellung ist insbesondere vorgesehen, dass der Grundkörper nach einer Entnahme desselben aus einem Formwerkzeug zur Herstellung desselben nicht weiter bearbeitet werden muss.
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Günstig kann es sein, wenn ein oder mehrere Inserts des Kolbens bei der Herstellung des Grundkörpers mit Material des Grundkörpers umspritzt werden.
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Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass ein oder mehrere Inserts nach der Herstellung des Grundkörpers an dem Grundkörper angeordnet, insbesondere an den Grundkörper angespritzt, werden.
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Bei einem weiteren Verfahren kann vorgesehen sein, dass der Grundkörper des Kolbens hergestellt wird und dass dann ein oder mehrere Kunststoffelemente an dem Grundkörper angeordnet werden, so dass diese unbeweglich an dem Grundkörper festgelegt sind.
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Der Grundkörper wird dabei beispielsweise in einem Metallgussverfahren hergestellt.
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Ein oder mehrere Kunststoffelemente des Kolbens werden vorzugsweise an den Grundkörper angespritzt, insbesondere in einem Spritzgussverfahren.
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Günstig kann es sein, wenn ein oder mehrere Kunststoffelemente aus einem Innenraum des Kolbens heraus durch eine oder mehrere Durchtrittsöffnungen hindurch an dem Grundkörper angeordnet, insbesondere an den Grundkörper angespritzt, werden.
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Eine dem Innenraum des Kolbens abgewandte Außenseite des Kolbens ist dabei vorzugsweise mittels eines Spalts beabstandet von einem Zylinder angeordnet.
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Kunststoffmaterial zur Herstellung des einen oder der mehreren Kunststoffelemente kann dabei vorzugsweise teilweise in den Spalt eindringen und aushärten. Durch eine exakte Einstellung des Spalts können das eine oder die mehreren Kunststoffelemente hierdurch mit hoher Genauigkeit hergestellt werden.
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Als Material des einen oder der mehreren Kunststoffelemente wird vorzugsweise ein Material gewählt, welches einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der um höchstens ungefähr 50 %, insbesondere höchstens ungefähr 30 %, beispielsweise höchstens ungefähr 10 %, von einem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Grundkörpers abweicht.
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Ferner können der erfindungsgemäße Kolben, die erfindungsgemäße Kolbenvorrichtung und/oder das erfindungsgemäße Verfahren einzelne oder mehrere der nachfolgend beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile aufweisen:
Günstig kann es sein, wenn der Kolben eine gegenüber Aluminiumkolben oder Stahlkolben reduzierte Masse aufweist.
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Ein Grundkörper des Kolbens umfasst vorzugsweise eine Bolzenaufnahme. Ein zusätzliches Lager (Kolbenbolzenlager) ist vorzugsweise entbehrlich.
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Der Kolben ist vorzugsweise dauertemperaturfest. Eine PTFE-Gleitschicht ist vorzugsweise entbehrlich und kann sich somit im Betrieb der Kolbenvorrichtung auch nicht von dem Kolben ablösen.
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Der Kolben ist vorzugsweise ohne großen Montageaufwand wirtschaftlich herstellbar.
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Im Vergleich zu einem vollständig aus einem Metallmaterial gebildeten Kolben ergibt sich im Betrieb der Kolbenvorrichtung vorzugsweise eine geringere Geräuschentwicklung, wenn ein erfindungsgemäßer Kolben verwendet wird.
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Der Kolben ist vorzugsweise mit einem Druck im Bereich des Kolbenbodens von mindestens ungefähr 10 bar, vorzugsweise mindestens ungefähr 20 bar, beispielsweise mindestens ungefähr 30 bar, betreibbar. Vorzugsweise ist der Kolben in einem Temperaturbereich betreibbar, welcher sich mindestens zwischen –40 °C und 150 °C erstreckt.
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Punktförmige oder fleckenförmige Inserts, Kunststoffelemente und/oder Gleitelemente können beispielsweise als Noppen oder Nieten ausgebildet sein.
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Ein Füllstoffanteil eines Kunststoffmaterials beträgt vorzugsweise zwischen ungefähr 30 % und ungefähr 50 %.
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Günstig kann es sein, wenn der gesamte Kolben samt Kolbenboden, Grundkörper, Bolzenaufnahme und Kolbenhemd einstückig ausgebildet ist. Als Material für einen solchen Kolben ist dann insbesondere ein tribologisch modifiziertes Polyetheretherketon-Compound-Kunststoffmaterial vorgesehen.
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Ein oder mehrere Kunststoffelemente bilden vorzugsweise ein oder mehrere Führungsleisten, Führungsringe und/oder Führungspunkte, welche insbesondere symmetrisch oder asymmetrisch ausgebildet und/oder gleichmäßig oder ungleichmäßig verteilt an dem Grundkörper angeordnet sein können.
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Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass ein oder mehrere Kunststoffelemente ungleichmäßig verteilt und/oder asymmetrisch ausgebildet sind, insbesondere derart, dass an Stellen mit höheren Querkräften im Betrieb des Kolbens eine größere Anlagefläche (Gleitfläche) zur Anlage des Kolbens an dem Zylinder vorgesehen ist als an Stellen mit geringeren Querkräften.
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Eine größere Anlagefläche (Gleitfläche) kann dabei insbesondere durch eine größere Anzahl oder größer dimensionierte Führungsleisten, Führungsringe und/oder Führungspunkte realisiert sein.
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Weitere bevorzugte Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
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In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine schematische perspektivische Darstellung einer Kolbenvorrichtung, welche eine erste Ausführungsform eines in einem Zylinder bewegbaren Kolbens umfasst;
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2 eine schematische Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform eines Kolbens, bei welcher ein Grundkörper des Kolbens mit linearen Gleitschienen versehen ist;
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3 einen schematischen Querschnitt durch den Kolben aus 2 längs der Linie 3-3 in 2;
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4 eine der 2 entsprechende schematische Seitenansicht einer dritten Ausführungsform eines Kolbens, bei welcher ein Grundkörper mit zwei ringförmigen Gleitelementen versehen ist;
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5 einen schematischen Querschnitt durch den Kolben aus 4 längs der Linie 5-5 in 4;
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6 eine der 2 entsprechende schematische Seitenansicht einer vierten Ausführungsform eines Kolbens, bei welcher ein Grundkörper mit Gleitpunkten versehen ist;
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7 einen schematischen Querschnitt durch den Kolben aus 6 längs der Linie 7-7 in 6;
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8 einen schematischen Längsschnitt durch eine fünfte Ausführungsform eines Kolbens, bei welcher ein Kunststoff-Grundkörper und ein einen Kolbenboden bildendes metallisches Insert vorgesehen sind;
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9 einen der 8 entsprechenden schematischen Längsschnitt durch eine sechste Ausführungsform eines Kolbens, bei welcher ein Kunststoff-Grundkörper und als Gleitlager für eine Bolzenaufnahme dienende Inserts vorgesehen sind; und
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10 einen der 8 entsprechenden schematischen Längsschnitt durch eine siebte Ausführungsform eines Kolbens, bei welcher ein Kunststoff-Grundkörper und ein Kunststoff-Kolbenboden vorgesehen sind, wobei der Grundkörper und der Kolbenboden aus voneinander verschiedenen Kunststoffmaterialien gebildet sind.
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Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Eine in 1 dargestellte erste Ausführungsform eines Kolbens 100 ist beispielsweise Bestandteil einer Kolbenvorrichtung 102, insbesondere einer Kompressorvorrichtung 104 zur Erzeugung von unter Druck stehenden Gasen.
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Die Kolbenvorrichtung 102 umfasst neben dem Kolben 100 einen Zylinder 106, in welchem der Kolben 100 längs einer axialen Richtung 108 des Kolbens 100 verschieblich gelagert ist.
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Der Kolben 100 ist mittels eines Kolbenbolzens 110 an einer Pleuelstange 112 angeordnet.
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Die Pleuelstange 112 ist an einer Kurbelwelle 114 gelagert.
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Mittels des Kolbenbolzens 110 und der Pleuelstange 112 ist somit eine Verbindung zwischen dem Kolben 100 und der Kurbelwelle 114 hergestellt.
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Insbesondere ist dabei eine Verbindung derart vorgesehen, dass der Kolben 100 längs der axialen Richtung 108 linear beweglich ist, um die Kurbelwelle 114 rotierend anzutreiben. Alternativ hierzu, wie insbesondere bei einer Kompressorvorrichtung 104 vorgesehen, kann durch eine Rotation der Kurbelwelle 114 eine lineare Bewegung des Kolbens 100 erzielt werden.
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Der Kolben 100 umfasst einen Grundkörper 116, beispielsweise einen einstückigen Grundkörper 116, welcher den gesamten Kolben 100 bildet.
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Der Grundkörper 116 kann beispielsweise ein Metallgussbauteil oder ein Kunststoff-Spritzgussbauteil sein.
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Der Kolben 100 umfasst einen Kolbenboden 118, welcher im Betrieb der Kolbenvorrichtung 102 einem Druckraum 120 der Kolbenvorrichtung 102 zugewandt angeordnet ist und mit unter Druck gesetzten oder unter Druck zu setzenden Betriebsgasen in direkten Kontakt kommt.
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Ferner umfasst der Kolben 100 ein Kolbenhemd 122, welches den Kolbenboden 118 bei der Bewegung des Kolbens 100 innerhalb des Zylinders 106 abstützt und stabilisiert.
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Das Kolbenhemd 122 ist insbesondere als ein Hohlzylinder ausgebildet, an welchen sich der im Wesentlichen kreisscheibenförmige Kolbenboden 118 anschließt.
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Der Kolben 100 umfasst ferner eine Bolzenaufnahme 124 zur Aufnahme des Kolbenbolzens 110 und somit zur Verbindung mit der Pleuelstange 112.
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Im Betrieb der Kolbenvorrichtung 102 ist ein geringer Spalt zwischen dem Kolben 100 und einer Zylinderwand 126 des Zylinders 106 nicht zu vermeiden. Zur Abdichtung des Druckraums 120 in Richtung der Kurbelwelle 114 ist somit eine Dichtung erforderlich.
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Diese Dichtung kann beispielsweise durch einen (nicht dargestellten) Kolbenring ermöglicht werden. Ein solcher Kolbenring ist insbesondere ein Bauteil, welches in einer Kolbenringnut 128 des Kolbens 100 angeordnet ist. Der Kolbenring ist dabei insbesondere beweglich in der Kolbenringnut 128 aufgenommen.
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Eine in den 2 und 3 dargestellte zweite Ausführungsform eines Kolbens 100 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass der Grundkörper 116 mehrere, beispielsweise acht, Inserts 130 umfasst.
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Die Inserts 130 sind dabei beispielsweise als Gleitelemente 132 ausgebildet und dienen der optimalen Führung des Kolbens 100 an der Zylinderwand 126 des Zylinders 106.
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Die Inserts 130 sind dabei parallel zur axialen Richtung 108 ausgerichtet und bilden Gleitschienen 134 oder Führungsstege 136 des Kolbens 100.
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Die Inserts 130 sind dabei insbesondere unbeweglich an dem Grundkörper 116 festgelegt.
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Der Grundkörper 116 umfasst hierzu mehrere, beispielsweise acht, Vertiefungen 138 oder Aussparungen 140, welche jeweils einen Hinterschnitt 142 aufweisen, so dass die Inserts 130 in senkrecht zur axialen Richtung 108 ausgerichteten radialen Richtungen 144 nach außen hin formschlüssig an dem Grundkörper 116 festgelegt sind.
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Die Inserts 130 sind dabei insbesondere in einer Kolbenwandung 146 des Kolbenhemds 122 des Kolbens 100 angeordnet und erstrecken sich über vorzugsweise mindestens ungefähr 90 % einer Gesamthöhe des Kolbenhemds 122.
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Die Vertiefungen 138 oder Aussparungen 140 bilden bei der in 2 dargestellten zweiten Ausführungsform Gleitelementaufnahmen 148 zur Aufnahme der als Gleitelemente 132 ausgebildeten Inserts 130.
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Wie insbesondere 3 zu entnehmen ist, sind die Inserts 130 vertieft in der Kolbenwandung 146 des Kolbenhemds 122 des Kolbens 100 angeordnet, so dass vorzugsweise lediglich ein geringer Teil des jeweiligen Inserts 130, beispielsweise ungefähr 20 % bis ungefähr 30 %, über die Kolbenwandung 146 hervorsteht.
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Zwei einander gegenüberliegend angeordnete Inserts 130 sind im Bereich der Bolzenaufnahme 124 unterbrochen ausgebildet.
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Die in den 2 und 3 dargestellte zweite Ausführungsform des Kolbens 100 ist beispielsweise dadurch herstellbar, dass zunächst der Grundkörper 116, welcher insbesondere den Kolbenboden 118 und das Kolbenhemd 122 umfasst, in einem Kunststoff-Spritzgussverfahren oder in einem Metallgussverfahren hergestellt wird. Die Vertiefungen 138 oder Aussparungen 140 werden dabei insbesondere bereits während des Gießprozesses gebildet oder nachträglich eingebracht, beispielsweise eingefräst.
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Die Inserts 130 werden vorzugsweise in die Vertiefungen 138 oder Aussparungen 140 hineingespritzt, insbesondere in einem Kunststoff-Spritzgussverfahren.
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Das Material des Grundkörpers 116 und das Material der Inserts 130 wird dabei vorzugsweise so gewählt, dass die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Grundkörpers 116 und der Inserts 130 zumindest näherungsweise identisch sind, insbesondere eine Abweichung von höchstens ungefähr 50 % aufweisen.
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Im Übrigen stimmt die in den 2 und 3 dargestellte zweite Ausführungsform eines Kolbens 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
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Eine in den 4 und 5 dargestellte dritte Ausführungsform eines Kolbens 100 unterscheidet sich von der in den 2 und 3 dargestellten zweiten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass die Inserts 130 ringförmig ausgebildet und in entsprechend ringförmigen Vertiefungen 138 oder Aussparungen 140 an dem Grundkörper 116 angeordnet sind.
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Die Inserts 130, beispielsweise zwei solcher Inserts 130, sind somit als Gleitringe 150 oder Führungsringe 152 ausgebildet.
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Im Übrigen stimmt die in den 4 und 5 dargestellte dritte Ausführungsform eines Kolbens 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in den 2 und 3 dargestellten zweiten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
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Eine in den 6 und 7 dargestellte vierte Ausführungsform eines Kolbens 100 unterscheidet sich von der in den 2 und 3 dargestellten zweiten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass die Inserts 130 als Gleitpunkte 154 oder Führungsstützpunkte 156 ausgebildet sind.
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Die Inserts 130 sind dabei im Wesentlichen gleichmäßig an dem Grundkörper 116 verteilt angeordnet.
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Zur Festlegung der Inserts 130 sind anstelle von Vertiefungen 138 oder Aussparungen 140 Durchtrittsöffnungen 158 in der Kolbenwandung 146 des Kolbenhemds 122 vorgesehen.
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Die Inserts 130 erstrecken sich dabei ausgehend von einem Innenraum 160 des Kolbenhemds 122 durch die Durchtrittsöffnungen 158 hindurch bis zu einer Außenseite 162 des Kolbenhemds 122.
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Die Inserts 130 weisen dabei vorzugsweise einen im Wesentlichen I-förmigen Querschnitt auf und sind somit formschlüssig in den Durchtrittsöffnungen 158 festgelegt.
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Die Inserts 130 können dabei insbesondere dadurch einfach und hochgenau hergestellt werden, dass ein Material, insbesondere ein Kunststoffmaterial, der Inserts 130 aus dem Innenraum 160 in radialer Richtung 144 nach außen durch die Durchtrittsöffnungen 158 gedrückt wird.
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Die Außenseite 162 des Kolbenhemds 122 ist dabei vorzugsweise mit einer zylindrischen Form umgeben, wobei zwischen dem Kolbenhemd 122 und der zylindrischen Form ein geringer Spalt gebildet ist.
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Innerhalb dieses Spalts kann sich das durch die Durchtrittsöffnungen 158 hindurchgepresste Material der Inserts 130 ausbreiten, um letztlich die gewünschte Form der Inserts 130, insbesondere der Gleitpunkte 154 oder Führungsstützpunkte 156, herzustellen.
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Im Übrigen stimmt die in den 6 und 7 dargestellte vierte Ausführungsform eines Kolbens 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in den 2 und 3 dargestellten zweiten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
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Eine in 8 dargestellte fünfte Ausführungsform eines Kolbens 100 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass der Kolben 100 zweiteilig ausgebildet ist.
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Dabei ist ein beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial gebildeter Grundkörper 116 mit einem den Kolbenboden 118 bildenden Insert 130 versehen.
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Das den Kolbenboden 118 bildende Insert 130 ist beispielsweise aus einem metallischen Material gebildet und mittels einer Nut-Feder-Verbindung mit dem Kunststoff-Grundkörper 116 verbunden.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Grundkörper 116 formschlüssig in einem Spritzgussverfahren an das Insert 130, welches den Kolbenboden 118 bildet, angespritzt ist.
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Der Grundkörper 116 umfasst bei der in 8 dargestellten fünften Ausführungsform des Kolbens 100 somit lediglich die Bolzenaufnahme 124 und das Kolbenhemd 122.
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Das den Kolbenboden 118 bildende Insert 130 umfasst ferner noch die Kolbenringnut 128.
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Dadurch, dass das vorzugsweise metallische Insert 130 den Kolbenboden 118 bildet, kann der Kolben 100 für Hochtemperaturanwendungen und/oder Hochdruckanwendungen genutzt werden, ohne eine Beschädigung des Kunststoff-Grundkörpers 116 zu riskieren.
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Im Übrigen stimmt die in 8 dargestellte fünfte Ausführungsform des Kolbens 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
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Hinsichtlich der Materialwahl des Grundkörpers 116 und des Inserts 130 wird zudem auf die entsprechenden Ausführungen betreffend die zweite bis vierte Ausführungsform Bezug genommen.
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Eine in 9 dargestellte sechste Ausführungsform eines Kolbens 100 unterscheidet sich von der in 8 dargestellten fünften Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass der Grundkörper 116 das Kolbenhemd 122, den Kolbenboden 118 und die Kolbenringnut 128 umfasst. Zudem umfasst der Grundkörper 116 auch die Bolzenaufnahme 124.
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Allerdings sind zwei Inserts 130 vorgesehen, welche als Gleitlager 164 in der Bolzenaufnahme 124 dienen.
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Die Gleitlager 164 können dabei insbesondere nach der Herstellung des Grundkörpers 116 an demselben angeordnet oder in denselben eingebracht werden.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass die Gleitlager 164 Inserts 130 sind, welche bei der Herstellung des Grundkörpers 116 mit dem Material des Grundkörpers 116 umspritzt werden.
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Durch die Verwendung von Gleitlagern 164, welche insbesondere aus Metall und/oder aus einem Gleitlagerwerkstoff hergestellt sind, kann die Festigkeit und/oder Langzeitbeständigkeit des Kolbens 100 im Bereich der Bolzenaufnahme 124 optimiert werden.
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Im Übrigen stimmt die in 9 dargestellte sechste Ausführungsform eines Kolbens 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 8 dargestellten fünften Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
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Eine in 10 dargestellte siebte Ausführungsform eines Kolbens 100 unterscheidet sich von der in 8 dargestellten fünften Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass sowohl der Kolbenboden 118 als auch der Grundkörper 116 aus einem Kunststoffmaterial gebildet sind.
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Hierbei sind jedoch vorzugsweise voneinander verschiedene Kunststoffmaterialien vorgesehen.
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Als Material für den Grundkörper 116 ist insbesondere ein tribologisch modifiziertes Kunststoffmaterial vorgesehen, welches eine zuverlässige und verschleißarme Führung des Kolbens 100 in dem Zylinder 106 gewährleistet.
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Der Kolbenboden 118, welcher insbesondere als Insert 130 ausgebildet und formschlüssig und/oder stoffschlüssig mit dem Grundkörper 116 verbunden ist, ist vorzugsweise aus einem hochfesten und hochtemperaturbeständigen Kunststoffmaterial gebildet.
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Im Übrigen stimmt die in 10 dargestellte siebte Ausführungsform des Kolbens 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 8 dargestellten fünften Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013206729 A1 [0003]
