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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen Komplettkolben und dessen Verwendung.
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Der Komplettkolben umfasst einen im Wesentlichen hohlzylinderförmigen Kolbenkörper aus einem ersten Kunststoff, wobei der erste Kunststoff mit einer ersten Füllung gefüllt ist und wobei die erste Füllung durch erste Fasern gebildet ist.
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Stand der Technik
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Ein solcher Komplettkolben ist aus der
DE 37 10 403 A1 bekannt.
Der Kolbenkörper besteht aus einem duroplastischen Kunststoff, beispielsweise auf Phenolharzbasis, wobei das Harz mit Glasfasern oder anderen Zusatzstoffen versetzt sein kann.
Der Kolbenkörper ist außenumfangsseitig von einer Dichtmanschette umschlossen, die aus einem Polytetrafluoräthylen oder aus einem anderen hochverschleißfesten, trockenlauffähigen Material mit niedrigem Reibungskoeffizient gefertigt ist. Die PTFE-Werkstoffe können Zusätze an Kohle, Graphit, Glasfasern oder Bronze enthalten.
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Ein weiterer Komplettkolben ist aus der
DE 10 2015 219 567 A1 bekannt. Der Kolbenkörper besteht aus einem gefüllten Kunststoff, beispielsweise aus einem formstabilen, medienbeständigen Thermoplast, wobei die Füllung durch Glasfasern gebildet ist. Der Kolbenkörper ist außenumfangsseitig von einer Dichtmanschette umschlossen, die in einer in radialer Richtung nach außen offenen, nutförmigen Vertiefung des Kolbenkörpers angeordnet ist.
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Ein weiterer Komplettkolben ist aus der
DE 103 34 205 A1 bekannt. Der vorbekannte Komplettkolben umfasst einen im Wesentlichen hohlzylinderförmigen Kolbenkörper aus einem Kunststoffmaterial. Die zentrale Durchbrechung des hohlzylinderförmigen Kolbenkörpers wird durch ein metallisches, rohrförmiges Stützteil gebildet, das außenumfangsseitig vom Kunststoff des Kolbenkörpers umschlossen ist. Durch das metallische, rohrförmig ausgebildete Stützteil wird eine höhere Festigkeit erreicht.
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Ein weiterer Komplettkolben ist aus der
EP 2 333 352 B1 bekannt. Der Komplettkolben umfasst einen kreisringförmigen Träger aus einem polymeren Werkstoff und zumindest einen Dichtring, der mit dem Träger verbunden ist, wobei der Dichtring zumindest eine Dichtlippe aufweist, die den Träger radial nach außen überragt und mit einer Wandung eines den Komplettkolben umschließenden Zylinders dichtend in Berührung bringbar ist. Im Träger ist ein permanentmagnetischer Magnetring angeordnet, und der Träger weist an seinem Innenumfang eine Kolbenaufnahme auf, die axial beiderseits durch jeweils eine Stirnseite begrenzt ist. Zumindest eine der Stirnseiten weist eine Fase mit einer Anlagefläche zur Eigenzentrierung des Komplettkolbens an der Kolbenaufnahme auf. Der Träger kann vollständig materialeinheitlich ausgebildet sein.
Verwendet wird der zuvor beschriebene Komplettkolben in einem Pneumatikantrieb.
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Ein weiterer Kolben für Pneumatikzylinder ist aus der
EP 1 818 545 A1 bekannt. Der vorbekannte Kolben ist als Magnetkolben ausgebildet und gelangt in einfach- oder doppeltwirkenden Pneumatikzylindern zur Anwendung. Der Magnetkolben umfasst ein scheibenförmiges Tragelement, das hauptsächlich aus Kunststoff-Material besteht und auf seinem Kreisumfang eine zylindrische Führungsfläche aufweist. Das Tragelement ist formschlüssig mit Dichtungsringen verbunden, die auf das Tragelement radial aufgespritzt oder aufgeschnappt sind.
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Außerdem sind Komplettkolben bekannt, die als Hydraulikkolben ausgebildet sind und in Stoßdämpfern zur Anwendung gelangen. Solche Komplettkolben bestehen aus Sintermetall. Die Gestaltungsmöglichkeiten von Sintermetall-Komplettkolben sind werkstoffbedingt nur begrenzt, zum Beispiel auch dadurch, dass im Kolben angeordnete und von Hydraulikflüssigkeit durchströmbare Durchbrechungen nicht ausreichend frei gestaltet werden können. Die Durchbrechungen müssen stets sich in axialer Richtung erstreckende, senkrechte Wände aufweisen, was strömungstechnisch, insbesondere für Hydraulikanwendungen, häufig ungünstig ist.
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Darstellung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Komplettkolben der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass dieser gleichbleibend gute Gebrauchseigenschaften während einer langen Gebrauchsdauer auch dann aufweist, wenn er höheren Drücken als in Pneumatikanwendungen ausgesetzt ist, insbesondere durch eine gute Formbeständigkeit.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die Unteransprüche Bezug.
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Zur Lösung der Aufgabe ist es vorgesehen, dass die ersten Fasern im Kolbenkörper im Wesentlichen in radialer Richtung ausgerichtet sind. Hierbei ist von Vorteil, dass der Komplettkolben durch die erste Füllung eine größere Formbeständigkeit erhält und dadurch auch dann zur Anwendung gelangen kann, wenn er höheren Drücken als in Pneumatikanwendungen ausgesetzt ist. Die ersten Fasern sind im Kolbenkörper im Wesentlichen in radialer Richtung ausgerichtet. Dadurch ist von Vorteil, dass eine vorteilhafte Formstabilität erreicht wird.
Der erste Kunststoff ist bevorzugt ein Thermoplast.
Ein thermoplastischer Kunststoff hat für eine solche Anwendung, insbesondere gegenüber einem duroplastischen Kunststoff, den Vorteil, dass dieser von den Herstellverfahren einfacher zu verarbeiten ist, sich die Zykluszeiten und die Werkzeugstandzeiten erhöhen und bessere Möglichkeiten zum Recycling bestehen.
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Ein Kunststoffkolben hat außerdem den Vorteil, dass er verfahrensbedingt eine hohe Oberflächengüte aufweist. Dadurch ergeben sich verbesserte fluiddynamische Eigenschaften während der bestimmungsgemäßen Verwendung, zum Beispiel beim Einsatz in Stoßdämpfern, im Vergleich mit gängigen Sintermetallkolben. Durch die verfahrensbedingt hohen Freiheitsgrade können filigrane Geometrien von Fluidströmungskanälen realisiert werden, die strömungs- und dämpfungstechnische Vorteile bieten.
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Unter einem Komplettkolben wird ein Maschinenelement verstanden, bei dem ein Kolbenkörper und ein Dicht- und/oder Führungskörper eine vormontierte Einheit bilden.
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Im Vergleich zu Pneumatikanwendungen, in denen die dort verwendeten Komplettkolben häufig nur Drücken von weniger als 10 bar ausgesetzt sind, wirken auf Komplettkolben in Hydraulikanwendungen häufig Drücke von mehr als 100 bar. Auch wenn Komplettkolben derart hohen Drücken in Hydraulikanwendungen ausgesetzt sind, müssen sie eine gute Formbeständigkeit aufweisen, um einwandfrei funktionieren zu können. Diese Formbeständigkeit wird durch die erste Füllung des ersten Kunststoffs bewirkt.
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Die erste Füllung kann einen Anteil von zumindest 10 Vol.-% am ersten Kunststoff haben. Bevorzugt beträgt der Anteil der ersten Füllung 20 bis 75 Vol.-%.
Die Füllung erhöht die Struktursteifigkeit, um Deformationen des Komplettkolbens zu minimieren und um Anforderungen hinsichtlich Festigkeit, Formstabilität und Wärmeleitfähigkeit zu erfüllen. Der Grad der Füllung des Kolbenkörpers hängt auch vom jeweiligen Anwendungsfall ab. Je höher die Drücke sind, die auf den Komplettkolben wirken, desto höher ist üblicherweise der Anteil der Füllung, um Lasten, die auf den Komplettkolben wirken, aufnehmen zu können.
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Nicht-gefüllte Komplettkolben, wie sie beispielsweise aus Pneumatikanwendungen bekannt sind, sind für Hydraulikanwendungen nicht geeignet. Nicht-gefüllte Kunststoffe sind für Hydraulikanwendungen zu weich. Der Komplettkolben würde eine nicht ausreichende Formbeständigkeit aufweisen und während seiner bestimmungsgemäßen Verwendung in Hydraulikanwendungen nicht zufriedenstellend funktionieren.
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Zur Verbesserung der Formbeständigkeit bei höheren Drücken kann die erste Füllung durch erste Fasern gebildet sein. Faserverstärkte Kunststoffe sind aus anderen Anwendungsgebieten bekannt, wobei die Formbeständigkeit durch die Menge, durch die Art der Fasern, deren Länge und/oder deren Orientierung im Kunststoff beeinflusst werden kann.
Durch die ersten Fasern wird eine Materialermüdung des Werkstoffs, aus dem der Komplettkolben besteht, praktisch verhindert und somit die Lebensdauer des Komplettkolbens unter dynamischer Wechsellast erhöht. Außerdem kann das Kriechen unter statischer Last reduziert werden, so dass die Dämpfungseigenschaften des Komplettkolbens während seiner gesamten Gebrauchsdauer aufrechterhalten bleiben.
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Die ersten Fasern können eine erste Länge aufweisen, die 0,1 mm bis 5 mm beträgt. Eine solche Länge der Fasern ist von Vorteil, weil Fasern einer solchen Länge optimal geeignet sind, die Steifigkeit des Komplettkolbens zu erhöhen. Durch die genannte Länge der Fasern wird einer unerwünscht hohen Versprödung des Werkstoffs, aus dem der Komplettkolben besteht, vorgebeugt.
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Wären die Fasern demgegenüber kürzer, wäre von Nachteil, dass die angestrebte Produktfestigkeit und Formstabilität nicht erreicht werden.
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Wären die Fasern demgegenüber länger, wäre von Nachteil, dass sich verstärkt Fasern an der Produktoberfläche zeigen, dadurch die Reibung erhöhen und durch Ablösen auch ins Öl gelangen und zum Beispiel ein Ventilsystem nachteilig beeinflussen.
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Die ersten Fasern bestehen bevorzugt aus Glasfasern. Glasfasern sind speziell für den hier beschriebenen Anwendungsfall von Vorteil, weil sie eine gute chemische Beständigkeit gegen Öl aufweisen und die Wärmeleitung durch den Komplettkolben verbessern.
Abweichend von Glasfaser können auch andere Fasern, wie zum Beispiel Kohlenstofffasern, zur Anwendung gelangen.
Außerdem sind Glasfasern kostengünstig verfügbar, sodass der Komplettkolben kostengünstig herstellbar ist.
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Der Komplettkolben kann außenumfangsseitig von einer Dichtmanschette umschlossen sein.
Die Dichtmanschette besteht bevorzugt aus einem PTFE-Werkstoff. Um eine Dichtmanschette außenumfangsseitig mit dem Kolbenkörper dauerhaltbar zu verbinden, ist es wichtig, dass der Kolbenkörper eine ausreichend große Formbeständigkeit aufweist und sich während seiner bestimmungsgemäßen Verwendung auch dann, wenn er hohen Drücken wie in Hydraulikanwendungen ausgesetzt ist, nicht unerwünscht verformt.
Durch die große Formbeständigkeit des Kolbenkörpers kann eine besonders zuverlässige und dauerhaltbare Verbindung zwischen Kolbenkörper und Dichtmanschette erreicht werden.
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In Abhängigkeit von den jeweiligen Gegebenheiten des Anwendungsfalles kann es vorgesehen sein, dass der Kolbenkörper eine zentral angeordnete Verstärkungshülse aufweist.
Eine solche Verstärkungshülse besteht sinnvollerweise aus einem zähharten Werkstoff und gelangt zur Anwendung, um mechanische Druckkräfte aufnehmen zu können, die axial beiderseits des Komplettkolbens zum Beispiel durch Spannelemente auf den Komplettkolben wirken. Diese Spannelemente können zum Beispiel tellerfederähnlich ausgebildet sein.
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Außerdem ist von Vorteil, dass durch die Anordnung der Verstärkungshülse im Kolbenkörper die Wandstärken des Kolbenkörpers im Wesentlichen übereinstimmend ausgebildet sind. Übereinstimmend dicke Wandstärken verhindern die Entstehung von unterschiedlichen Schrumpfspannungen und/oder Lunkern im Komplettkolben während dessen Herstellung.
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Bevorzugt besteht die Verstärkungshülse aus einem metallischen Werkstoff oder aus einem zweiten Kunststoff. Um die zuvor beschriebenen Druckkräfte ohne Verformung gut aufnehmen zu können, ist, wie zuvor zum Kolbenkörper beschrieben, auch eine ausreichende Formbeständigkeit der Verstärkungshülse notwendig.
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Um diese ausreichende Formbeständigkeit der Verstärkungshülse zu gewährleisten, kann der zweite Kunststoff mit einer zweiten Füllung gefüllt sein.
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Die zweite Füllung kann einen Anteil von zumindest 50 Vol.-% am zweiten Kunststoff haben.
Bevorzugt ist der zweite Kunststoff zu 70 bis 90 Vol.-% gefüllt.
Eine derart gefüllte Verstärkungshülse weist eine sehr gute Formbeständigkeit auf.
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Die Herstellbarkeit des Komplettkolbens vereinfacht sich, wenn der erste und der zweite Kunststoff und/oder die erste und die zweite Füllung übereinstimmend sind.
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Die zweite Füllung kann durch zweite Fasern gebildet sein.
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Durch die unterschiedlichen Belastungen, die auf Kolbenkörper und Verstärkungshülse wirken, weichen erste und zweite Fasern bezüglich ihres Anteils am jeweiligen Kunststoff, der Länge und der Orientierung im jeweiligen Kunststoff voneinander ab.
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Die mechanischen und hydraulischen Belastungen auf den Komplettkolben sind Seitenkräfte, Querkräfte und Druckschwankungen bzw. Druckdifferenzen. Die Kräfte werden zum Großteil durch die Verstärkungshülse, die Druckdifferenzen zum Großteil durch den Kolbenkörper aufgenommen.
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Die zweiten Fasern weisen bevorzugt eine Länge auf, die 1 mm bis 5 mm beträgt. Die langen Fasern in der Verstärkungshülse eignen sich besonders gut, um die axialen Druckkräfte aufzunehmen. Ein erosives Ablösen der Fasern stellt an den inneren Stellen kein Problem dar.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass die zweiten Fasern in der Verstärkungshülse im Wesentlichen in axialer Richtung ausgerichtet sind. Im Gegensatz zu einer radialen Ausrichtung von Fasern haben die axial ausgerichteten Fasern den Vorteil, dass sie die axialen Druckkräfte sehr gut aufnehmen und eine starke Deformation der Verstärkungshülse verhindern. Durch den in der Verstärkungshülse vorliegenden uniaxialen Belastungszustand können an dieser Stelle die auch uniaxial ausgerichteten Fasern zielführend eingesetzt werden.
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Ebenso, wie die ersten Fasern, können die zweiten Fasern Glasfasern sein.
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Wie zuvor beschrieben, ist die erste Länge der ersten Fasern kürzer als die zweite Länge der zweiten Fasern.
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Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines Komplettkolbens wie zuvor beschrieben. Durch seine hohe Formbeständigkeit kann der zuvor beschriebene Komplettkolben auch dann zur Anwendung gelangen, wenn hohe Drücke von zum Beispiel mehr als 100 bar auf ihn wirken. Diese hohe Formbeständigkeit ist speziell dann von Vorteil, wenn der Komplettkolben als Hydraulikkolben zur Anwendung gelangt und zum Beispiel in Stoßdämpfern Verwendung findet. In einer solchen Verwendung weist der Kolbenkörper sich in axialer Richtung erstreckende Durchbrechungen auf, zur flüssigkeitsleitenden Verbindung zwischen zwei mit Hydraulikflüssigkeit gefüllten Kammern, die durch den Komplettkolben räumlich voneinander getrennt sind. Im Bereich der Durchbrechungen ist der Kolbenkörper, verglichen mit Vollmaterial, konstruktionsbedingt geschwächt, sodass speziell in diesen Bereichen, in denen Differenzdrücke von 100 bar und mehr anliegen können, eine hohe Formbeständigkeit besonders wichtig ist, um eine gutes funktionieren des Stoßdämpfers zu gewährleisten.
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Figurenliste
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Drei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Komplettkolbens werden nachfolgend anhand der 1 bis 3 näher beschrieben. Diese zeigen jeweils in schematischer Darstellung:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel, bei dem der gesamte Komplettkolben einstückig und materialeinheitlich ausgebildet ist,
- 2 ein zweites Ausführungsbeispiel, das im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel aus 1 entspricht, jedoch eine zentral angeordnete Verstärkungshülse aufweist, und
- 3 ein drittes Ausführungsbeispiel, das im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel aus 1 entspricht, mit einer außenumfangsseitig um den Kolbenkörper angeordneten Dichtmanschette.
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Ausführung der Erfindung
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In den 1 bis 3 ist jeweils ein Komplettkolben gezeigt. Der Komplettkolben umfasst in jedem der Ausführungsbeispiele einen hohlzylinderförmigen Kolbenkörper 1, der aus einem ersten Kunststoff 2 mit einer ersten Füllung 3 besteht. Der erste Kunststoff 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein thermoplastischer Kunststoff.
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Im Gegensatz zu einem nicht-thermoplastischen Kunststoff, wie zum Beispiel Phenolharz, hat ein thermoplastischer Kunststoff den Vorteil, dass er nicht in sich vernetzt, vergleichsweise kostengünstiger ist und einfacher und rascher hergestellt werden kann.
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Der Kolbenkörper 1 ist zu etwa 50 bis 60 Vol.-% mit ersten Fasern 4 gefüllt, die durch Glasfasern gebildet sind. Die ersten Fasern 4 sind im Kolbenkörper 1 im Wesentlichen in radialer Richtung 5 ausgerichtet.
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Jeder Komplettkolben aus den 1 bis 3 ist als Hydraulikkolben 12 ausgebildet, der in einem hier nicht dargestellten Stoßdämpfer verwendet wird.
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In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Komplettkolbens gezeigt, der einstückig und materialeinheitlich ausgebildet ist.
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In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines Komplettkolbens gezeigt, wobei sich der Komplettkolben aus 2 vom Komplettkolben aus 1 dadurch unterscheidet, dass der Kolbenkörper 1 eine zentral angeordnete Verstärkungshülse 7 aufweist. Die Verstärkungshülse 7 besteht aus einem zweiten Kunststoff 8 mit einer zweiten Füllung 9, wobei die zweite Füllung 9 durch zweite Fasern 10 gebildet ist, die ebenfalls, wie die ersten Fasern 4, durch Glasfasern gebildet sind. Der zweite Kunststoff 8 ist im Vergleich zum ersten Kunststoff 2 höher gefüllt. Der Anteil beträgt im gezeigten Ausführungsbeispiel etwa 70 Vol.-%.
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Die zweiten Fasern 10 weisen eine zweite Länge auf, wobei im gezeigten Ausführungsbeispiel das Verhältnis aus erster Länge zu zweiter Länge etwa 0,7 beträgt.
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Die zweiten Fasern 10 sind im Wesentlichen in axialer Richtung 11 ausgerichtet. Die Ausrichtung der ersten Fasern 4 und der zweiten Fasern 10 sind an die jeweiligen Belastungen, die auf Kolbenkörper 1 und Verstärkungshülse 7 wirken, abgestimmt.
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3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel, ähnlich dem Ausführungsbeispiel aus 1. Der Kolbenkörper 1 ist außenumfangsseitig von einer Dichtmanschette 6 aus einem PTFE Werkstoff umschlossen. Während der bestimmungsgemäßen Verwendung ist die Dichtmanschette 6 vom Innenumfang eines Zylinderrohrs eines Stoßdämpfers dichtend und in axialer Richtung 11 relativ beweglich umschlossen.
