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Die
Erfindung betrifft ein flüssigkeitsgekühltes Zylindergehäuse für eine Brennkraftmaschine bzw.
eine Brennkraftmaschine mit einem flüssigkeitsgekühlten Zylindergehäuse.
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Zylindergehäuse der
in Rede stehenden Art werden beispielsweise bei Sechszylinderboxermotoren
von Fahrzeugmodellen der Firma Porsche (Marke) verwendet. Diese
Motoren weisen bei einem Hub von 76,4 mm und einer Bohrung von 100,0
mm einen Hubraum von 3,6 1 auf. Der Zylinderabstand beträgt 118 mm.
Die Zylinderlaufbuchsen sind aus Aluminium gefertigt und haben im
Bereich der Wasserkühlung
eine Wandstärke
von ca. 4 mm. Die Breite des Wassermantels, d.h. die radiale Abmessung
des die Zylinderlaufbuchse umgebenden umlaufenden Kühlmittelkanals,
beträgt
ebenfalls ca. 4 mm.
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Grundsätzlich sind
Motorenkonstrukteure bestrebt, möglichst
viel Hubraum bei möglichst
kompakten Abmessungen zu verwirklichen. Die nachfolgend beschriebene
Erfindung betrifft somit alle Brennkraftmaschinen mit einem flüssigkeitsgekühlten Zylindergehäuse, welches
mindestens eine Zylinderlaufbuchse und mindestens eine Bohrung zur
Aufnahme der Zylinderlaufbuchse aufweist, wobei zwischen der Wandung
der Bohrung und der Laufbuchse über
eine bestimmte Länge
ein umlaufender Kühlmittelkanal
bereitgestellt ist.
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Neben
der Verwertung der technischen Lehre gemäß der hier offenbarten Erfindung
bei der Neukonstruktion bzw.
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Grundauslegung
eines Verbrennungsmotors ist eine weitere Verwendungsmöglichkeit
die Hubraumvergrößerung eines
bereits in Produktion befindlichen Verbrennungsmotors. Grundsätzlich sind Hubraumerweiterungen
zur Leistungs- und
Drehmomentsteigerung sowohl durch eine Erhöhung des Kolbenhubs als auch
durch eine Vergrößerung der Zylinderbohrung
sowie durch eine Kombination beider Maßnahmen möglich. Die Vergrößerung des
Kolbenhubs macht jedoch die Bereitstellung einer neuen Kurbelwelle
erforderlich. Dies ist mit beträchtlichen Kosten
verbunden. Hubraumerhöhungen
werden zudem oft bei Rennmotoren durchgeführt, welche auf Serienmotoren
basieren. Hierbei wird der Hubraum nach Möglichkeit soweit vergrößert, dass
der für
eine Rennklasse erlaubte Maximalhubraum ausgeschöpft wird. Bei bestimmten Rennserien
ist gemäß dem hierfür geltenden
Reglement eine Veränderungen des
Kolbenhubs gegenüber
dem dem Rennmotor zugrundeliegenden Serienmotor nicht erlaubt. Aus
diesem Grunde und in Anbetracht der vorstehend erwähnten Kosten
kommt der Vergrößerung des
Bohrungsdurchmessers eine besondere Bedeutung zu.
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Wie
bereits zuvor erläutert,
werden bei den eingangs erwähnten
Serienmotoren der Firma Porsche (Marke) Aluminiumlaufbuchsen mit
einer Wandstärke
von 4 mm verwendet. Im Bereich des Kühlmittelkanals sind bei derartigen
Laufbuchsen Risse in axialer Richtung aufgetreten. Als Ursache hierfür werden
Kolbenseitenkräfte
angenommen. Ein Unterschreiten der bekannten Wandstärke von
4 mm für derartige
Aluminiumlaufbuchsen erscheint dem Stand der Technik nach somit
nicht möglich.
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Grundsätzlich besteht
die Möglichkeit,
als Buchsenmaterial Stahl anstelle von Aluminium zu verwenden. Hierdurch
können
aufgrund der höheren Dauerfestigkeit
von Stahl gegenüber
Aluminium Laufbuchsen mit geringerer Wandstärke und größerem Bohrungsdurchmesser verwirklicht
werden. Allerdings steht der Verwendung von Stahlbuchsen die gegenüber Aluminiumbuchsen
geringere Wärmeleitfähigkeit
entgegen.
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Eine
Vergrößerung des
Bohrungsmaßes
der Laufbuchsen bei gleichzeitiger Beibehaltung der für eine ausreichende
Dauerfestigkeit erforderlichen Wandstärke der Laufbuchse scheitert
bei einem gegebenen Zylinderabstand in der Regel daran, dass der
Kühlmittel-
bzw. Wasserraum unzulässig
eingeengt wird. Insbesondere muss ein zuverlässiger Zufluss und Abfluss
des Kühlmittels
in den die Laufbuchse umgebenden Kühlmittelkanal sowie eine den erforderlichen
Wärmetransport
bereitstellende Umströmung
der Laufbuchsen innerhalb des die Laufbuchse umgebenden Kühlmittelkanals
gewährleistet sein.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein flüssigkeitsgekühltes Zylindergehäuse für eine Brennkraftmaschine
bzw. eine Brennkraftmaschine mit einem flüssigkeitsgekühlten Zylindergehäuse gemäß der vorstehend
erläuterten
Art bereitzustellen, bei der bei gegebenem Zylinderabstand ein möglichst
großer
Bohrungsdurchmesser verwirklicht werden kann.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe ist in den Patentansprüchen 1 und 17 angegeben. Vorteilhafte
Ausführungsformen
sind in den Unteransprüchen
beschrieben.
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Das
erfindungsgemäße flüssigkeitsgekühlte Zylindergehäuse für eine Brennkraftmaschine
weist mindestens eine Zylinderlaufbuchse sowie mindestens eine Bohrung
zur Aufnahme der Zylinderlaufbuchse auf, wobei zwischen der Wandung
der Bohrung und der Laufbuchse über
eine Länge
L ein umlaufender Kühlmittelkanal
bereitgestellt ist. Erfindungsgemäß weist die Zylinderlaufbuchse
im Bereich des umlaufenden Kühlmittelkanals
Rippen auf, wobei der Abstand zwischen dem Kopf einer Rippe und
der Wandung der Bohrung ≤ 1
mm ist. Bei bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung kann der Abstand zwischen dem Kopf einer Rippe und
der Wandung der Bohrung weiter verkleinert werden, beispielsweise
auf ≤ 0,8
mm, ≤ 0,6
mm oder ≤ 0,4
mm.
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Durch
die Verrippung der Zylinderlaufbuchse an ihrer Aussenseite im Bereich
des Kühlmittelkanals wird
die für
den Wärmeaustausch
zur Verfügung
stehende Oberfläche
vergrößert. Hierdurch
findet eine verbesserte Wärmeübertragung
in das Kühlmittel statt.
Hierdurch wird sowohl die bei Stahl im Vergleich zu Aluminium schlechtere
Wärmeleitfähigkeit
als auch die aufgrund der Leistungssteigerung anfallende größere Wärmemenge
kompensiert.
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Gleichzeitig
bleibt die Steifigkeit der Zylinderlaufbuchse erhalten. Wichtigstes
Merkmal für
die Steifigkeit einer Zylinderlaufbuchse ist der äußerste Durchmesser.
Dies gilt sowohl für
die im Betrieb erforderliche Steifigkeit als auch für die Herstellung
der Zylinderlaufbuchsen. Zylinderlaufbuchsen mit Wandstärken unter
etwa 4 mm bei Bohrungen im Bereich von 100 mm verursachen einen
erheblichen Mehraufwand bei der Fertigung.
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Die
Verrippung der Zylinderlaufbuchse vergrößert nicht nur die mit dem
Kühlmittel
in Berührung stehende
Oberfläche,
sondern stellt auch "den
zur Kühlung
notwendigen Wasserquerschnitt selbst dann dar, wenn der Abstand
zwischen dem Kopf der Rippe und der Wandung der Bohrung des Zylindergehäuses extrem
geringe Werte annimmt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung beträgt
die Wandstärke
der Zylinderlaufbuchse zwischen dem Kopf einer Rippe und der Innenwandung
der Zylinderlaufbuchse ≤ 4
mm.
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Das
Verhältnis
der Wandstärke
der Zylinderlaufbuchse zwischen dem Kopf einer Rippe und der Innenwandung
der Zylinderlaufbuchse kann bezogen auf den Bohrungsdurchmesser
der Zylinderlaufbuchse ≤ 0,04,
gegebenenfalls ≤ 0,03
oder 0,025 und in einer bevorzugten Ausführungsform ≤ 0,02 sein. Die Wandstärke der
Zylinderlaufbuchse zwischen dem Kopf einer Rippe und der Innenwandung
der Zylinderlaufbuchse kann ≤ 4
mm und in bevorzugten Ausführungsformen ≤ 3 mm, ≤ 2,5 mm oder ≤ 2 mm sein.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Zylindergehäuses ist ein
Kühlmittelzulaufkanal
bereitgestellt, über
den das Kühlmittel
in den umlaufenden Kühlmittelkanal
zugeführt
wird, sowie ein Kühlmittelablaufkanal, über den das
Kühlmittel
aus dem umlaufenden Kühlmittelkanal abgeführt wird,
wobei der Kühlmittelzulaufkanal
und der Kühlmittelablaufkanal
im Bereich der jeweiligen Einmündung
in den umlaufenden Kühlmittelkanal eine
Aufweitung zur Verbesserung der Strömungsverhältnisse aufweisen. Die Strömungsverhältnisse werden
hierbei insbesondere dahingehend verbessert, dass eine bessere Verteilung
des Kühlmittels
in axialer Richtung der Zylinderlaufbuchse ermöglicht wird.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
sind mehrere Kühlmittelzulaufkanäle, über die
das Kühlmittel
in den umlaufenden Kühlmittelkanal
zugeführt
wird, und mehrere Kühlmittelablaufkanäle, über die
das Kühlmittel
aus dem umlaufenden Kühlmittelkanal
abgeführt
wird, bereitgestellt. Vorzugsweise sind hierbei ein separater Kühlmittelzulaufkanal
und ein separater Kühlmittelablaufkanal
im Bereich des dem Brennraum der Brennkraftmaschine zugewandten
Endes des umlaufenden Kühlmittelkanals
vorgesehen.
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Durch
die vorstehend beschriebene Maßnahme
wird sichergestellt, dass in dem Bereich des dem Brennraum der Brennkraftmaschine
zugewandten Endes des umlaufenden Kühlmittelkanals, in dem die
größte Wärmemenge
anfällt
und somit abtransportiert werden muss, eine besonders intensive
und zuverlässige
Umströmung
der Zylinderlaufbuchse gewährleistet
ist.
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Im
Hinblick darauf, dass an dem dem Brennraum zugewandten Ende der
Zylinderlaufbuchse die größte Wärmemenge
anfällt,
ist der Abstand derjenigen Rippe, die dem dem Brennraum der Brennkraftmaschine
zugewandten Ende des umlaufenden Kühlmittelkanals am nächsten gelegen
ist, zu dem Ende des umlaufenden Kühlmittelkanals größer als der
Abstand zu der dieser Rippe benachbarten Rippe.
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Die
Erfindung wird im folgenden beispielhaft weiter erläutert anhand
der beigefügten
Zeichnung, in der
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1 eine schematische, teilweise
aufgeschnittene Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zylindergehäuses,
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2 eine 1 entsprechende Darstellung unter Weglassung
der Zylinderlaufbuchsen,
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3 ein Teilschnitt durch
eine Zylinderlaufbuchse,
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4 eine vergrößerte Darstellung
der Einzelheit X in 3,
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5 eine Darstellung der Einzelheit
gemäß 4 mit beispielhaften Zahlenangaben,
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6 eine teilweise Draufsicht
auf ein Ausführungsbeispiel
eines Zylindergehäuses,
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7 ein Schnitt längs der
Linie B-B in 6,
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8 eine vergrößerte Darstellung
der Einzelheit Y in 7 und
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9 eine vergrößerte Darstellung
der Einzelheit Z in 7 ist.
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1 zeigt eine perspektivische,
teilweise im Schnitt gehaltene Darstellung eines flüssigkeitsgekühlten Zylindergehäuses 1 für eine Brennkraftmaschine
(nicht dargestellt) mit drei Zylinderlaufbuchsen 2. Das
Zylindergehäuse 1 weist
unmittelbar neben jeder Zylinderlaufbuchse 2 jeweils vier
Schraubenpfeifen 3 auf, durch die Stehbolzen oder Schrauben
zur Verschraubung des Zylindergehäuses 1 mit einem Kurbelgehäuse (nicht
gezeigt) und/oder einem Zylinderkopf (nicht gezeigt) hindurchgeführt werden können. Es
versteht sich, dass der Begriff Zylindergehäuse im Sinne der hier vorliegenden
Anmeldung auch solche Zylindergehäuse umfasst, die materialeinheitlich
mit einem Zylinderkopf und/oder einem Kurbelgehäuse ausgeführt sind.
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2 zeigt das Zylindergehäuse 1 gemäß 1 unter Weglassung der Zylinderlaufbuchsen 2. Die
Darstellung ermöglicht
den Blick auf einen umlaufenden Kühlmittelkanal 4, welcher
jeweils die Zylinderlaufbuchsen 2 in eingebautem Zustand
umgibt. Der Kühlmittelkanal 4 wird
in betriebsbereitem Zustand insbesondere durch die Wandung einer
Bohrung 5, die der Aufnahme der Zylinderlaufbuchse 2 dient,
und einen bestimmten Längenabschnitt
der Außenseite
der Zylinderbuchse 2 begrenzt.
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Ebenfalls
aus 2 ersichtlich sind
für jeden umlaufenden
Kühlmittelkanal 4 je
ein zentraler Kühlmittelzulaufkanal 6,
zu dem jeweils ein zentraler Kühlmittelablaufkanal 7 korrespondiert.
In der Darstellung in 2 ist
lediglich der zentraler Kühlmittelablaufkanal 7 der
mittleren Zylinderbohrung 5 als Teilschnitt ersichtlich.
Zudem weist jeder Zylinder zwei zusätzliche Kühlmittelzulaufkanäle 6a und 6b auf,
welche an dem Ende des umlaufenden Kühlmittelkanals 4 vorgesehen
sind, das dem Brennraum der Brennkraftmaschine in betriebsbereitem
Zustand zugewandt ist.
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Bei
den Darstellungen gemäß 1 und 2 wird der Zylinderkopf der Brennkraftmaschine
jeweils von oben auf das Zylindergehäuse aufgesetzt.
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Wie
aus 2 sichtlich, sind
die zusätzlichen
Kühlmittelzulaufkanäle 6a und 6b so
angeordnet, dass sie nicht radial, sondern leicht tangential in den
umlaufenden Kühlmittelkanal 4 einmünden. Ebenso,
wie dem zentralen Kühlmittelzulaufkanal 6 jeweils
ein zentraler Kühlmittelablaufkanal 7 zugeordnet
ist, ist jedem zusätzlichen
Kühlmittelzulaufkanal 6a, 6b jeweils
ein entsprechender zusätzlicher Kühlmittelablaufkanal
(nicht dargestellt) zugeordnet.
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3 zeigt eine vergrößerte Schnittdarstellung
durch einen Zylinder des Zylindergehäuses 1 gemäß 1 und 2. Die strichpunktierte Linie M stellt die
Mittellinie der Zylinderbohrung dar, welche bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel
einen Durchmesser von 105,3 mm hat. Ebenfalls aus 3 , ersichtlich sind eine Schraubenpfeife 3 sowie
der umlaufende Kühlmittelkanal 4.
Zur Abdichtung des umlaufenden Kühlmittelkanals 4 sind
O-Ringe 10, 11 und 12 vorgesehen.
Die Darstellung in 3 korrespondiert
mit der Darstellung in 1 und 2 auch insofern, als der
Zylinderkopf auf der Oberseite des Zylindergehäuses 1 und das Kurbelgehäuse von
der Unterseite her mit dem Zylindergehäuse 1 zusammengefügt wird.
Zylinderkopf und Kurbelgehäuse sind
nicht dargestellt.
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Die 4 und 5 zeigen die Einzelheit X gemäß 3 in vergrößerter Darstellung,
wobei insbesondere die Verrippung der Zylinderlaufbuchse 2 und deren
Abmessungen in Bezug auf die Bohrung 5 des Zylindergehäuses 1 und
den umlaufenden Kühlmittelkanal 4 dargestellt
sind. Lediglich die drei obersten Rippen der Zylinderlaufbuchse 2,
d. h. diejenigen Rippen, die dem dem Brennraum der Brennkraftmaschine
(nicht gezeigt) zugewandten Ende des umlaufenden Kühlmittelkanals 4 am
nächsten
liegen, sind mit Bezugszeichen 21, 22 und 23 gekennzeichnet.
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Gemäß 4 hat die Wandstärke der
Zylinderlaufbuchse 2 zwischen zwei Rippen 21, 22 bzw. 22, 23 das
Maß a.
Die Wandstärke
der Zylinderlaufbuchse 2 bezogen auf den Kopf einer Rippe 21, 22 oder 23 hat
das Maß b.
Mit c ist der Abstand zwischen dem Kopf einer Rippe 21, 22 bzw. 23 und
der Wandung der Bohrung 5 bezeichnet. d ist die radiale Abmessung
des umlaufenden Kühlmittelkanals 4 zwischen
zwei Rippen 1, 22 bzw. 22, 23 und
e ist die Wandstärke
des Zylindergehäuses
1 im Bereich der Schraubenpfeife 3. h bezeichnet die axiale
Abmessung der Rippe 21. g bezeichnet den Abstand der obersten,
d. h. der dem Brennraum der Brennkraftmaschine am nächsten zugewandten
Rippe 21 zu der nächst
gelegenen Rippe 22. f bezeichnet die axiale Abmessung zwischen
der obersten Rippe 21 und dem dieser am nächsten gelegenen
Ende des umlaufenden Kühlmittelkanals 4,
d.h. demjenigen Endes des Kühlmittelkanals 4,
das dem Brennraum der Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) zugewandt
ist.
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Wie
aus 5 ersichtlich, sind
in dem dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung
die folgenden Abmessungen verwirklicht
a = 1,95 mm
b =
3,8 mm
c = 0,35 mm
d = 2,2 mm
e = 1,59 mm
f
= 4,7 mm
g = 2,2 mm
h = 1 mm.
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6 zeigt den Teil einer Draufsicht
auf das Zylindergehäuse 1 gemäß 1. 7 zeigt einen Schnitt längst der
Linie B-B in 6, wobei
der Schnitt links der Mittellinie M durch einen zusätzlichen
Kühlmittelablaufkanal 7a verläuft, wie
auch aus der vergrößerten Schnittdarstellung
der Einzelheit Y gemäß 8 hervorgeht, und die Schnittdarstellung in 7 auf der rechten Seite
der Mittellinie M durch den zentralen Kühlmittelzulaufkanal 6 verläuft, wie auch
aus der vergrößerten Darstellung
der Einzelheit Z gemäß 9 ersichtlich. Die 7 und 9 zeigen zudem eine ebenfalls aus 2 ersichtliche Mulde 16,
welche eine zuverlässige
Zuströmung
in den umlaufenden Kühlmittelkanal 4 über den
Bereich sämtlicher
Rippen sowie der dazwischenliegenden Kühlmittelräume sicherstellt.
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Alle
Kühlmittelzulaufkanäle und Kühlmittelablaufkanäle stehen
mit einem Hauptkühlmittelkanal 13 (siehe 7) des Zylindergehäuses 1 in
Verbindung. Die zusätzlichen
Kühlmittelzulaufkanäle 6a und 6b versorgen
insbesondere den Bereich des umlaufenden Kühlmittelkanals 4 oberhalb
der obersten Rippe 21 sowie den Bereich zwischen den Rippen 21 und 22,
um die in diesem Bereich, der dem Brennraum (nicht dargestellt)
am nächsten
liegt, anfallende Wärme
zuverlässig
abzutransportieren. Wie aus den 4 und 5 ersichtlich, ist der ringförmige Abschnitt des
umlaufenden Kühlmittelkanals 4 oberhalb
der Rippe 21 größer als
derjenige zwischen den Rippen 21 und 22. Auch
dies sorgt für
eine gesteigerte Wärmeabfuhr
in diesem Bereich.
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Die
Zylinderlaufbuchse 2 ist vorzugsweise aus Stahl gefertigt,
beispielsweise aus 16MnCr5. Als Beschichtung ist auf der Innenseite
der Zylinderlaufbuchse 2 eine Nickel-Dispersionsbeschichtung
vorgesehen.