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Beschreibung Flüssigkeitsfederstoßdämpfer Die Erfindung betrifft Stoßdämpfer,
insbesondere Flüssigkeitsfederstoßdämpfer, die durch Strömungsmittelverstärkung
Veränderungen in der Stoßdämpfung bewerkstelligen können, was zu einem sehr stark
verbesserten Dämpfungsbereich der Stoßdämpfung für Hochgeschwindigkeitsfahrzeuge
führt.
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In der Technik ist eine Anzahl von herkömmlichen Stoßdämpfern bekannt,
die Meßstifte, Meßlöcher, Meßfugen oder druckempfindliche Ventile für die Stoßdämpfung
verwenden. Neben der Eigenschaft, daß sie teuer sind, sind solche Stoßdämpfer ausgesprochen
ungeeignet, um unter unnormalen Arbeitsbedingungen sehr wirksam zu arbeiten. Z.B.
wurde beobachtet, daß sogar fortschrittliche Stoßdämpferausführungen oft in Federungssystemen
unzuverlässig funktionieren, die Fahrzeuggeschwindigkeiten von wesentlich mehr als
170 Meilen pro Stunde ausgesetzt sind.
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In Flüssigkeitsfederstoßdämpfern treten solche unzuverlässigen Funktionseigenschaften
als ein Ergebnis von turbulenten Strömungsmittelflußbedingungen innerhalb des Stoßdämpfers
auf. Um mit diesem Problem fertig zu werden und um gleichzeitig einen Flüssigkeitsfederstoßdämpfer
zu liefern, der in der Lage ist, hochwirksame Stoßkurven ohne die Notwendigkeit
von Meßstiften, Meßfugen und ähnlichem hervorzubringen, ist es wünschenswert,
einen
Stoßdämpfer zu liefern, der unter Unterschall und Überschall flußbedingungen für
das innere Strömungsmittel wirksam arbeiten kann Erfindungsgemäß wird dieses Problem
durch einen neuen und verbesserten flüssigen Federstoßdämpfer gelöst, dadurch, daß
ein Kolbenbodenflügel oder ein Pufferboden verwendet wird, der dadurch gekennzeichnet
ist, daß er eine. Vielzahl von Delaval-düsenförmigen Strömungsmitteldurchtritten
besitzt, die in der schleppenden Oberfläche des Bodens oder Flügels ausgebildet
sind, derart, daß Strömungsmittel, das im Stoßdämpfer enthalten ist, zwischen den
entgegengesetzten Enden des Bodens oder Flügels mit Unterschall- oder Uberschallströmungsgeschwindigkeiten
vorbeiströmen kann, ohne daß dadurch turbulente Strömungen auftreten.
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Entsprechend bringt der erfindungsgemäße Stoßdämpfer sehr gute Eigenschaften
für einen weiten Geschwindigkeitsbereich des Fahrzeuges mit sich. Zusätzlich können
erfindungsgemäß größere Stoßdämpferköpfe benutzt werden, wodurch innere Stoßrohre
überflüssig werden. Andere Vorteile der Erfindung schließen ein: (1.) Einen Stoßdämpfer,
der in der Lage ist, bei inneren Strömungsmittelgeschwindigkeiten über und unter
der Schallgeschwindigkeit zu arbeiten, (2.) die Benutzung einer Bohrung, die für
Strömungen niederer Geschwindigkeit einen Widerstand darstellt, um in einem Fahrzeugfederungssystem
die Dämpfungscharakteristik für schwache Stöße zu verbessern, ohne dadurch die Stodämpfungsleistungsfähigkeit
bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten zu beeinträchtigen, (3.) verbessertes Maß der
Radrückkehr, (4.) Stoßdämpfung für einen größeren Geschwindigkeitsbereich als mit
den bekannten Stoßdämpfern, (5.) Abnahme der Energieverluste in einer Fahrzeugfederung
dadurch, daß ein Flüssigkeitsfederstoßdämpfer benutzt wird, bei dem hohe Strömungswiderstände
in einer beidseitig zu durchströmenden Öffnung bei niederen Geschwindigkeiten die
Einbehaltung einiger Federenergie für die anfängliche Beschleunigung des Fahrzeugrades
am Scheitelpunkt seiner Bewegung verursachen, (6.) Ausschaltung der Uberdruckspitzen,
die in Stoßdämpfern auftreten, die druckempfindliche Ventile benutzen, (7.) Verringerung
der Anzahl von miteinander wechselwirkenden Bohrung
gen, die für
die Strömungsmittelverstärkung erforderlich sind, (8.) Stoßdämpfer in dem für die
Führung und die Seitenlastgenauigkeit ein voller Anschlag des Kolbens oder Pufferbodens
erreicht werden kann, (9.) Einfachheit der Bohrungskalibrierung und (10.) ein Stoßdämpfer,
der Gas genauso gut wie Flüssigkeiten benutzen kann.
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Die Erfindung wird anhand der folgenden schematischen Zeidhnunger
besser verstanden, in denen darstellen: Fig. 1 einen Längsschnitt einer Form eines
erfindungsgemäßen Flüssigkeitsfederstoßdämpfers; Fig. 2 eine graphische Darstellung,
die Stoßdämpfungscharakteristiken eines Stoßdämpfers mit geraden Bohrungen, eines
Federstoßdämpfers und eines einzigartigen erfindungsgemäßen Stoßdämpfers vergleicht;
Fig. 3 einen vergrößerten Querschnitt eines DeLaval-düsenförmigen Strömungsmitteldurchtrittes,
wie er in der Erfindung benutzt wird; Fig. 4 einen vergrößerten Schnitt eines erfindungsgemäßen
Stoßdämpfers, der die relativen Lagen des Kolbenbodens, der Diese, der Ablenkplatte
und der Zylinderwand darstellt; Fig. 5 einen vergrößerten Ausschnitt, der die Strömungsmittelflußwirkung
bei einer Kompression des erfindungsgemäßen Stoßdämpfers darstellt; Fig. 6 einen
ähnlichen Schnitt, der die Strömungsmittelflußcharakteristik bei einer Stoßdämpferdehnung
darstellt; Fig. 7 einen Längsschnitt eines typischen erfindungsgemäßen Stoßdämpfers,
der die DeLaval-Strömungsmittelverstärkung verwendet;
Fig. 8 einen
vergrößerten Schnitt einer anderen Delaval-Düsenanordnung, die die Notwendigkeit
von einer Ablenkungsplatte aufhebt; Fig. 9 eine andere Form einer Delaval-Düsenanordnung,
die in einer Ausführungsform dieser Erfindung benutzt werden kann; Fig. 10 einen
vergrößerten Schnitt eines Kolbenbodens, der die Kombination einer Ablenkungsplatte
und eines Plattenventils für die Strömungsmittelverstärkung aufweist; Fig. 11 einen
Längsschnitt eines weiteren erfindungsgemäßen Stoß dämpfers, der entgegengesetzt
gerichtete DeLaval-Düsen hat und Fig. 12 einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen
Stoßdämpfers, der einen Kolbenring benutzt, um Unzulänglichkeiten, die von der äußeren
Strömung herrühren, zu verringern.
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Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen verbesserten Flüssigkeitsfederstoßdämpfers
ist in Fig. 1 dargestellt. Dort wird ein stabförmiger Stoßdämpfer 10 gezeigt, der
ein äußeres Gehäuse 11 aufweist, das eine hin- und hergehende Kolbenanordnung 20
einschließt. Eine Abschlußkappe 15 ist dafür vorgesehen, um das offene Ende des
Gehäuses 11 zu verschließen und ist bei 28 verschraubbar mit der inneren Wand des
Gehäuses in Eingriff. Eine Dichtungsstoffbüchse 30 sorgt für eine strömungsmitteldichte
Verbindung zwischen der Kolbenstange 20 und der Verschlußkappe 15. Eine feste Dichtung
41 sorgt für eine strömungsmitteldichte Verbindung zwischen der Verschlußkappe 15
und der Innenwand 26 des Gehäuses 11. Eine Füllschraube 13 ist am geschlossenen
entgegengesetzten Ende des Gehäuses 11 eingeschraubt und ermöglicht, daß in einfacher
Weise Strömungsmittel in den Stoßdämpfer nachgefüllt oder aus ihm entfernt werden
kann.
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Das Strömungsmittel, das in der Praxis dieser Erfindung benutzt wird,
ist in einer Kammer 36 angeordnet, die aus den Wänden
des Gehäuses
11 gebildet wird. Im allgemeinen wird eine kompressible Flüssigkeit, z.B. Silikone
oder Alkohole als Strömungsmedium in dieser Erfindung benutzt, weil sie sich in
gewisser Weise ähnlich wie Gase benehmen und so zu-der einzigartigen Strömungsmittelverstärkung
dieser Erfindung beitragen.
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Der Ausdruck "Stroöm8ungsmittelverstärkung", wie er hier benutzt
wird, beschreibt eine einzigartige Methode, die es dem Strömungsmittel erlaubt,
durch eine feste Bohrung in einem Stoßdämpfer zu strömen. Strömungsmittel, das unter
Strömungsmittelverstärkung strömt, benimmt sich, als ob die effektive Strömungsfläche
der Bohrung, durch die das Strömungsmittel hindurchtritt, sich direkt mit der Strömungsgeschwindigkeit
des Strömungsmittels ändert. Diese Verkleinerung der wirksamen Strömungsfläche tritt
als das Ergebnis von unterschiedlichen Turbulenz- und Grenzschichten auf, die in
der Bohrung ausgebildet werden, wenn die Strömungsmittelgeschwindigkeit durch die
Bohrung sich verändert. Das bedeutet z.B., während eine herkömmliche feste Bohrung
einen Strömungsmitteldruckabfall aufweist, der sich proportional zur Strömungsgeschwindigkeit
mit der zweiten Potenz, das bedeutet, quadratisch, vergrößert, weist eine Bohrung,
in der "Strömungsmittelverstärkung" auftritt, einen Druckverlust auf, der proportional
zur Strömungsmittelgeschwindigkeit mit einer etwas kleineren Potenz zunimmt, das
bedeutet 0 bis 2. Entsprechend können, wenn Strömungsmittelverstärkung in Stoßdämpfern
auftritt, fast rechtwinklige Kraft-Verschiebungskurven erreicht werden, ohne daß
dazu komplizierte Meßrohre, Meßstifte, druckempfindliche Ventile und ähnliches notwendig
sind.
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Wie in Fig. 1 dargestellt, weist die Kolbenanordnung deshalb eine
Kolbenstange 29 auf, die im Gehäuse 11 hin- und hergehen kann, und einen vergrößerten
Puffer oder Kolbenboden 50, der an der Stange 29 mittels eines erweiterten angestauchten
Endes 21 gesichert ist. Der Kopf 50 ist mit zwei getrennten DeLaval-düsenförmigen
Öffnungen 60 versehen, die an entgegengesetzten Seiten der Kolbenstange 29 angeordnet
sind. Die Delaval-Düsenöffnungen 60 sind im wesentlichen sich verengende und erweiternde
Düsen /6
und sind in dem Kopf 50 so ausgerichtet, daß der sich verengende
Querschnitt 61 und der Hals 62 relativ zum sich erweiternden Querschnitt 63 in Vorwärtsrichtung
auf dem Boden 50 angeordnet sind.
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Ein Ablenkschild oder eine Ablenkplatte 23 ist ebenfalls fest am Boden
50 angebracht, unmittelbar anschließend an dem nach hinten angeordneten, sich erweiter#nden
Querschnitt 63. Die Ablenkplatte 23 ist dafür vorgesehen, um zu verhindern, daß
Strömungsmittel, das aus dem Düsendurchgang 63 austritt, direkt auf die Abschlußkappe
15 trifft. Anstelle davon wird Strömungsmittel, wenn es durch die Öffnung 63 hindurchtritt,
in Richtung auf die Gehäusewände 11 abgelenkt, wo Hitze, die von dem sehr schnell
strömenden Strömungsmittel erzeugt wird, durch die Wände 11 zur Atmosphäre abgeleitet
wird.
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Die Umfangsfläche 59 des Kolbenbodens 50 ist mit einer Schicht aus
"Teflon" Polymer oder einem anderen polymeren oder nicht polymeren Material mit
niederer Reibung versehen, um die Reibung zwischen dem Boden 50 und den Gehäusewänden
26 zu verringern. Bei der Anordnung dieses erfindungsgemäßen Stoßdämpfers ist die
Abschlußkappe 15 mit dem Gehäuse 11 verschraubt, wie durch Gewinde 28 dargestellt.
Dornlöcher 43, die dafür benutzt werden, um einen Dorn anzusetzen, sind in der Kappe
15 vorgesehen, um ein leichtes Einsetzen und Abnehmen der Kappe vom Gehäuse 11 zu
ermöglichen. Wenn der Stoßdämpfer zusammengedrückt ist (Fig. 5), passiert, wie in
Fig. 3 bis 6 gezeigt, Strömungsmittel, das in der Kammer 36 enthalten ist, zuerst
durch die enger werdende Lippe 61 am Düseneingang, in den Abschnitt mit engem Hals
2, wo es beschleunigt wird und gelangt dann in den Ausgang mit zunehmendem Querschnitt
63, wo es sogar noch weiter beschleunigt werden kann, je nach der Geschwindigkeit
längs dem Halsabschnitt 62. Wenn es durch den erweiterten Abschnitt mit zunehmendem
Querschnitt 63 der Düse geströmt ist, wird das Strömungsmittel von der Platte 23
in die Richtung der inneren Wände 26 des Gehäuses 11 abgelenkt. Bei dem Rückkehr-
oder Ausdehnungshub des Stoßdämpfers passiert das Strömungsmittel zuerst um die
Ablenkplatte 23, dann um die gewinkelte Vorderkante 24 der Ablenkplatte, dann durch
den Abschnitt mit zunehmendem Querschnitt 63 und den Halsabschnitt
62
der Düse und dann zurück durch den Abschnitt 61 in die Kammer 36.
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In der praktischen Anwendung der Erfindung hat sich herausgestellt,
daß der Gebrauch h von DeLaval-düsenförmigen Öffnungen 60 in dem Kolbenboden 50
anstelle der herkömmlichen Bohrungen eine Menge von Vorteilen mit sich bringt. Z.B.
wirken unter normalen Bedingungen die Düsen 60 in genau gleicher Weise wie es Bohrungen
würden, die Strömungsmittelverstärkung im Stoßdämpfer zulassen würden, wenn die
Strömungsgeschwindigkeiten durch die Düsen auf Unterschallgeschwindigkeiten gehalten
werden. Sobald Jedoch Strömungsgeschwindigkeiten in der Größenordnung der Schallgeschwindigkeiten
erreicht werden (und ganz anders wie die Öffnungen herkömmlicher Bohrungen, bei
denen Strömungsmittelturbulenz im Stoßdämpfer den Strömungsmittelfluß durch die
Bohrungen tatsächlich begrenzt) sind die Düsen 60 dazu geeignet, in den Abschnitten
mit weiter werdendem Querschnitt 63 das Strömungsmittel weiter zu beschleunigen
bis auf Geschwindigkeiten größer als die Schallgeschwindigkeit, ohne daraus resultierender
Turbulenz oder Strömungsmittelströmung-Einschränkung.
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Ganz anders wie andere Wege, auf denen verstärkter Strömungsmittelfluß
erreicht werden kann, hat eine DeLaval-Düse eine einzigartige Fähigkeit, ihre eigene
Strömung zu spülen, sobald die Strömungsgeschwindigkeit durch den Düsenhals ungefähr
Mach 0.6 überscheitet. Wenn die Strömungsmittelgeschwindigkeit etwa den Bereich
der Schallgeschwindigkeit erreicht, wird in der DeLaval-Düse eine Grenzschicht ausgebildet,
die Hand in Hand damit den wirksamen Strömungwiderstand durch die Düse verringert.
Bei einem Stoß übersteigen die Strömungsmittelgeschwindigkeiten durch die Bohrung
Mach 0.6; aber sobald der Stoß gedämpft ist und die Strömungsmittelgeschwindigkeiten
niedrig sind, hört die selbstspülende Reaktion auf und die wirksame Bohrungsfläche
wird verkleinert. Auf diese Weise wirken die einzigartigen Düsenöffnungen vom DeLaval-Typ,
die in erfindungsgemäßen Stoßdämpfern benutzt werden, als veränderliche Bohrungen.
Bei geringen Strömungsmittelgeschwindigkeiten
neigt die Öffnung
dazu, eingeschränkt zu werden und es fließt weniger Strömungsmittel durch die Öffnung
als man erwarten würde.
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Das Ergebnis dieser Erscheinung ist graphisch in Fig. 2 dargestellt,
in der Stoßkurve für einen Stoßdämpfer vom Federtyp mit der Kurve C dargestellt
sind, für einen Stoßdämpfer vom Typ mit geraden festen Löchern durch A und für den
einzigartigen erfindungsgemäßen Stoßdämpfer durch B. Ganz im Gegensatz zu beiden
zu den Stoßdämpfern vom Federvyp oder zu den mit festen Bohrungen hat der erfindungsgemäße
Stoßdämpfer mit DeLaval-Öffnungen eine relativ viereckige Stoßkurve, die natürlich
andeutet, daß in der Bohrung eine konstante Stoßkraft erzeugt wird, sogar wenn die
Strömungsmittelgeschwindigkeit abnimmt.
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Wiederum, wie bereits erwähnt, wird durch den Abschnitt mit zunehmendem
Querschnitt 63 bei hohen Stoßgeschwindigkeiten der Strömungsmittelfluß durch die
Öffnungen mehr als man erwartet beschleunigt. Dieser Vorgang spült den Strömungsmittelfluß
und ermöglicht, daß eine vergrößerte Menge von Strömungsmittel durch den Stoßdämpfer
strömt. Bei verminderten Geschwindigkeiten jedoch hört die Spülwirkung auf und die
wirksame Bohrungsfläche nimmt ab und ermöglicht es dem Stoßdämpfer so, eine relativ
konstante Stoßkraft beizubehalten, sogar wenn die Strömungsmittelgeschwindigkeit
abnimmt.
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In Fig. 7 ist eine abgeänderte Form des erfindungsgemäßen Stoßdämpfers
dargestellt. In dieser Anordnung ist ein inneres Stoßdämpferrohr 16 innerhalb des
Gehäuses 101 angeordnet. In dem Raum mit ringförmiger Fläche, der zwischen dem Stoßdämpferrohr
16 und dem äußeren Gehäuse 101 ausgebildet ist, ist eine Anzahl von Luftbehalterröhren
6 angeordnet. Das äußere Gehause 101 ist, wie mit 17 gekennzeichnet ist, leicht
umgebogen. Die Kolbenstange 200 und der Kolbenboden 205 sind die gleichen wie in
Fig. 1.
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Der Boden 205 enthält eine Vielzahl von Delaval-Düsenöffungen 60,
die an entgegengesetzten Seiten der Kolbenstange 200 angeordnet
sind.
Eine federnde Stoßdämpferanschlagsbuchse 204 und eine Anschlagsabdeckung 203 sind
innerhalb des inneren Stoßdämpferrohrs 16 angeordnet, um den Anprall des Kolbenbodens
zu mildern, wenn der Rückwärtshub des Kolbens stattfindet.
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Außerhalb des Dämpfers sind an der Stange 200 die Befestigungsplatte
201 und die Federbuchse 202 angeordnet, Im Falle des Stoßdämpfers, der in Fig. 1
dargestellt ist, ist für die Dichtung der Gehäusewände 201, des inneren Stoßdämpferrohrs
16 und der Kolbenstange 200 eine Dichtungsstopfbuchse 300 vorgesehen.
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Beim Zusammendrückhub tritt zusammendrückbare Flüssigkeit, die in
der Kammer 136 enthalten ist, durch die Delaval-Düsen 60 und zur gleichen Zeit tritt
ein Teil der Flüssigkeit durch die Bohrungsöffnung 206 in den Raum mit ringförmigem
Querschnitt 137.
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Flüssigkeit, die in dem Raum mit ringförmigem Querschnitt 137 ent
halten ist, tritt dafür durch die Meßbohrung 100 in der Wand 18 in den Raum rund
um die Luftbehälterröhren 6. Bei dem Rückwärts-oder Anschlaghub strömt die Flüssigkeit
zurück in die Kammer 136.
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In den Fig. 8 und 9 sind gewinkelte Öffnungen vom Typ der DeLaval-Düse
dargestellt, die keine Ablenkplatte erfordern, um der der Gehäusewände abzulenken.
Die Strömungsrichtung ist mit 160 bzw. 260 gekennzeichnet. In der Düse, die in Fig.
8 dargestellt ist, fließt das Strömungsmittel durch den Eingangsabschnitt 161 mit
abnehmendem Querschnitt, durch den Halsabschnitt 162 und tritt durch den geneigten
Abschnitt 163 mit zunehmendem Querschnitt aus. In der Düse, die in Fig. 9 dargestellt
ist, sind der Abschnitt 261 mit abnehmendem Querschnitt und der Halsabschnitt 262
waagerecht angeordnet und nur der Abschnitt 263 mit zunehmendem Querschnitt ist
in Richtung der äußeren Zylindergehäusewände geneigt. In jeder Düse ist aber die
Strömungsmittelströmung durch die Düse auf die äußeren Gehäusewände gerichtet, wo
die von dem sehr schnell strömenden Strömungsmittel erzeugte Wärme sehr leicht abgegeben
werden kann.
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In Fig. 10 haben die Delaval-düsenförmigen Öffnungen ein drehbar
gelagertes Ausgangsventil 25, das offenbleibt, wenn das Strömungsmittel in Richtung
360 durch den Eingang 361, Hals 362 und Ausgang 363 fließt, das sich aber schließt,
wenn das Strömungsmittel während des Rückwärtshubes-des Stoßdämpferkolbens in entgegengesetzte
Richtung fließt. Diese Neigung des Ventils 25, sich beim Rückwärtshub des Kolbens
zu schließen, ist noch eine andere Möglichkeit, um eine Verminderung des effektiven
Strömungsquerschnitts in den Öffnungen zu verursachen.
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In Fig. 11 ist ein Stoßdämpfer mit entgegengesetzt ausgerichteten
DeLaval-Düsenöffnungen dargestellt, wobei die Düsen 460 für den Rückwärtshub des
Stoßdämpfers dienen und die Düsen 560 für den Zusammendrückhub des Stoßdämpfers.
Die vereinigte Wirkung der entgegengesetzt angeordneten Düsen bewirkt, daß im Stoßdämpfer
eine differentielle Strömungsmitteldämpfung auftritt.
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Die Ringplatte 250 ist dafür vorgesehen, die Kompressionsdüsen 560
beim Rückwärtshub zu schließen, so daß Strömungsmittel nur durch die Rückwärtsdüsen
460 strömen kann. Wie bei den anderen hier beschriebenen Anordnungen wird eine Dichtungsstopfbuchse
310 benutzt, um eine strömungsmittelundurchlässige Dichtung zwischen der Kolbenstange
210 und der Abschlußkappe 400 zu erreichen. Die Zylinderwand 426 des Zylinders 411
ist bei 17 aber deshalb leicht umgebogen, um die Kappe 400 des Zylinders zu sichern.
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Schlielich ist in Fig. 12 ein Dichtring 352 dargestellt, der um die
seitliche Oberfläche 351 des Kolbens oder des Pufferkopfes 350 angeordnet ist. Dieser
Ring dient dazu, die seitliche Oberfläche 351 des Bolzenkopfes gut abzudichten,
um sicher zu sein, daß das ganze Strömungsmittel durch die Düsen 351 strömt und
nicht durch irgendeinen Zwischenraum, der zwischen dem Kopf 350 und der Wand 311
vorhanden ist.
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Ansprüche: