DE3413698A1 - Dichtungseinrichtung, insbesondere zur verwendung in einer pneumatischen feder - Google Patents

Dichtungseinrichtung, insbesondere zur verwendung in einer pneumatischen feder

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Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Weicx*£äkn, Diil.-Phys. Dr. K. Fincke
Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber Dr.-Ing. H. Liska , Dipl.-Phys. Dr. J. Prechtel
Gas Spring Company 34
8000 MÜNCHEN 86 Division Of POSTFACH 860820
Fichtel & Sachs Industries möhlstrasse22
TELEFON (0 89) 980352 ! TELEX 522621
92 County Line Road Telegramm patentweickmannmonchen
Colmar, Pennsylvania 18915
V.St.A. ¥A
Dichtungseinrichtung, insbesondere zur Verwendung in einer
pneumatischen Feder
Die Erfindung betrifft eine Dichtungseinrichtung der im Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Art.
Solche zwischen einer bewegbaren Kolbenstange und einem stationären Gehäusekörper angeordneten Dichtungseinrichtungen sollen ein Entweichen des unter Druck stehenden Fluids entlang der Kolbenstange verhindern.
Es sind pneumatische Federn bekannt, in deren Zylinderhohlraum sich ein unter hohem Druck stehendes Fluid, z.B. Luft oder Stickstoff, befindet. Es wurde versucht, ein Entweichen des Gases aus dem Zylinder entlang der Kolbenstange mittels einer eine Flüssigkeit, z.B. Öl, enthaltenden Kammer zu verhindern, die sich im Nachbarbereich der offenen Stirnwandung befindet, durch die der Kolben seine alternierende Bewegung ausführt.
Solche pneumatische Federn können in federnden Säulen für erschütterungsfreie Unterlagen Verwendung findet, wie sie in der US-PS 3 856 287 beschrieben sind. Die US-PS 4 263 488 und der in ihr zitierte Stand der Technik zeigen als weiteren Anwendungsfall eine Anordnung zur Fixierung der Hecktür eines Kombiwagens in der Öffnungsstellung. Außerdem können Federn der in Frage stehenden Art in pneumatischen Aufhängungen verwendet werden, wie dies beispielsweise in der US-PS 4 030 716 beschrieben ist.
Federn mit einer Flüssigkeitskammer in der Nähe der offenen Stirnwandung besitzen hervorragende Dichtungseigenschaften für das komprimierte Gas. Aber selbst bei ihnen arbeitet sich das Gas aufgrund der Druckdifferenz auf den beiden Seiten der zwischen der Gaskammer und der Flüssigkeitskammer liegenden festen Dichtung unter Umständen an dieser vorbei. Das sich daraufhin in der Flüssigkeitskammer sammelnde Gas arbeitet sich durch die an der offenen Stirnwandung angeordnete Dichtung wesentlich schneller vorbei als die Flüssigkeit. Die erhöhte Gaskonzentration in der Flüssigkeitskammer beinträchtugt die Schmierung in der Stirnwanddichtung durch die Flüssigkeit und führt außerdem zu einer gewissen Lageabhängigkeit der Gasfeder bei bestimmten Montagearten. Zudem verursacht die auf der Dichtung zwischen der Gaskammer und der Flüssigkeitskammer ruhende Belastung, die dem Druckunterschied proportional ist, Reibung und Abnutzung der Dichtung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dichtungseinrichtung der gattungsgemäßen Art so weiterzubilden, daß die in der vorangehenden Beschreibung aufscheinenden Nachteile vermieden sind.
Diese Aufgabe wird durch eine Dichtungseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche, auf die hiermit zur Verkürzung der Beschreibung verwiesen wird. In diesen Unteransprüchen ist auch die Verwendung einer Dichtungseinrichtung gemäß der Erfindung in einer pneumatischen Feder beschrieben.
Bei der Dichtungseinrichtung gemäß der Erfindung ist die in der Nähe der offenen Stirnwandung und der Flüssigkeitskammer vorgesehen Dichtung fest, während die Dichtung zwischen der Gaskammer und der Flüssigkeitskammer schwimmend angeordnet ist, so sie frei beweglich auf die feste Dichtung zu
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und von ihr weggleiten kann. Sobald die feste Dichtung leckt oder sich abnutzt, bewegt sich die Gaskammer und Flüssigkeitskammer voneinander trennende schwimmend angeordnete Dichtung in Richtung auf die feste Dichtung zu, wenn sich die Flüssigkeit, üblicherweise Öl, langsam durch die feste Dichtung hindurch arbeitet.
Während dieser langsamen Bewegung der schwimmend angeordneten Dichtung entsteht an ihr infolge der minimalen Druckdifferenz zwischen ihren beiden Seiten nur geringe Reibung und Abnutzung. Die geringe Druckdifferenz an der schwimmend angeordneten Dichtung führt auch dazu, daß nur geringer Gasdurchtritt durch sie in die Flüssigkeitskammer stattfindet. Dies stellt sicher, daß während der gesamten Lebenszeit Flüssigkeit mit der festen Dichtung in Berührung steht.
Wenn sich in der Flüssigkeitskammer minimale Gasmengen befinden, ist für alle im Betrieb auftretenden Temperaturen und Richtungsorientierungen der Gasfeder ausreichende Schmierung für die feste Dichtung gewährleistet. Auch Leckverluste durch die feste Dichtung sind klein, da Flüssigkeit, insbesondere Öl, sich mit niedrigerer Geschwindigkeit durch diese Dichtung arbeitet als Gas.
Die schwimmend angeordnete Dichtung wird gegebenenfalls in der Nähe der festen Dichtung durch einen Anschlag fixiert und wirkt dann als Sekundär- oder Sicherheitsdichtung, mittels derer der verbleibende Gasund Flüssigkeitsdruck in der pneumatischen Feder aufrechterhalten wird.
In einer anderen Ausführungsform kann zwischen der schwimmend angeordneten Dichtung und der festen Dichtung eine mechanische Druckfeder vorgesehen sein. Diese dient zur Vorspannung der schwimmend angeordneten Dichtung in ihre (innerste) Ausgangsposition innerhalb der Gasfeder und wirkt einer Bewegung der schwimmenden Dichtung in Richtung auf die feste Dichtung federnd entgegen, wenn durch die feste
Dichtung ein Fluidverlust stattfindet. Dieser der Bewegung der schwimmend angeordneten Dichtung entgegenwirkende mechanische. Widerstand vergrößert die Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten der schwimmend angeordneten Dichtung und bewirkt damit eine gleichförmigere Verteilung des Druckunterschieds zwischen der Gaskammer und der Atmosphäre sowohl auf die schwimmend angeordnete als auch auf die feste Dichtung.
Die Dichtungskonstruktion gemäß der Erfindung besitzt längere Lebensdauer, längere Lagerfähigkeit sowie einen größeren Betriebstemoeraturbereich und bewirkt, daß die mit ihr ausgestattete pneumatische Feder in Bezug auf ihre Lageorientierung in eingebautem Zustand weniger empfindlich ist.
Es ist außerdem möglich, verschiedenartige Dichtungs/Gas/Ölkombinationen zu verwenden, die wegen Unverträglichkeiten der angewendeten Materialien andernfalls nicht realisierbar sind. Dies ergibt sich daraus, daß das Gas hinter dem Kolben gegenüber der Flüssigkeit in der zwischen fester und schwimmender Dichtung liegenden Kammer isoliert ist.
Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert:
Fig. 1 zeigt eine geschnittene Ansicht einer Dichtung gemäß der Erfindung in einer pneumatischen Feder,
Fig. 2 zeigt eine geschnittene Ansicht einer Dichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 3 zeigt eine geschnittene Ansicht einer Dichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die in Fig. 1 dargestellte Dichtungseinrichtung befindet sich in einer pneumatischen Feder 10, die einen axial langgestreckten Zylinder 11 mit kreisförmigem Querschnitt besitzt. Die zugehörige Kolbenanordnung beinhaltet eine zylindrische Kolbenstange 12 sowie einen Kolbenkörper 13, der an
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dem durchmesserkleineren Ende der Kolbenstange 12 in dem Zylinderraum axial fixiert ist. Die äußere kreisförmige Fläche eines Koltienrings 14 steht mit inneren Zylinderwandung in gleitendem Kontakt. Der Kolbenring 14 ist axial mit leichtem Spiel zwischen dem Kolbenkörper 13 und einer mit Öffnungen versehenen Metallscheibe 15 gefaßt. Letztere hat einen scharfwinklig rechteckigen Querschnitt und ruht auf einer Schulter der Kolbenstange 12.
Das radiale Spiel zwischen dem Kolbenkörper 13 und der Zylinderwandung ist zwecks besserer Erkennbarkeit übertrieben groß dargestellt. Der Durchmesser des Kolbenkörpers 13 ist hinreichend viel größer als der der Scheibe 15, um eine radiale Führung für das innere Ende der Kolbenstange 12 zu ermöglichen.
Die hinter dem Kolbehkörper 13 liegende Kammer 17 enthält ein Gas, vorzugsweise Luft oder Stickstoff, das unter einem wesentlich höheren als dem atmosphärischen Druck steht. Wenn sich die Kolbenstange 12 unter der Federkraft dieses komprimierten Gases aus dem Zylinder 11 nach außen bewegt, kann Gas aus der Kammer 17 lediglich durch eine (nicht dargestellte) in dem Kolbenkörper 13 angebrachte Drosselöffnung fließen. Bei der Bewegung der Kolbenstange in Gegenrichtung öffnet der Kolbenring 14 einen zusätzlichen Durchflußweg durch die Öffnungen der Scheibe 15 und den dem Spiel entsprechenden Spalt zwischen dem Kolbenkörper 13 und dem Zylinder 11, wie dies in der US-PS 4 263 488 und dem dort zitierten Stand der Technik näher beschrieben ist.
Die Kolbenstange 12 ist außerdem bei ihrer axialen Bewegung durch eine Öffnung 19 in der Stirnwandung 20 des Zylinders 11 von einer in der Nähe dieser Stirnwandung angeordneten Führungsbuchse 21 axial geführt. Eine feste ringförmige Dichtung 22 wird mittels eines Distanzrings 23 und einer in der Seitenwandung des Zylinders 11 gebildeten inneren Rippe 24 gegen die Buchse 21 gehalten. Die Dichtung 22 besteht aus elastomerem Material und besitzt eine äußere ringförmige
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Lippe 26, die an der Zylinderwandung anliegt, sowie eine innere ringförmige Lippe 27, die mit der Kolbenstange 12 in gleitendem Eingriff steht. Die Dichtung 22 ist durch einen flachen eingebetteten Metallring 28 verstärkt und dichtet die komprimierten Fluids in dem Zylinderhohlraum ab.
Das entgegengesetzte Ende des Zylinders 11 ist von einer Stirnwandung 30 verschlossen, auf der ein Befestigungsauge 31 montiert ist. An dem äußeren Ende der Kolbenstange 12 ist ebenfalls ein Befestigungsauge 33 montiert. Falls die pneumatische Feder 10 dazu dient, die Heckklappe eines Kombiwagens unter Vorspannung in ihrer Öffnungsstellung zu halten, ist das Befestigungsauge 31 drehbar an der Karosserie und das Befestigungsauge 33 drehbar an der Heckklappe montiert.
im Abstand von der oben erwähnten inneren Rippe 24 ist an der Seitenwandung des Zylinders 11 eine weitere nach innen ragende Rippe 35 gebildet. Wenn die Kolbenstange 12 durch das komprimierte Gas aus dem Zylinderhohlraum herausgedrückt wird, wird das Ausfahren der Kolbenstange dadurch begrenzt, daß die Scheibe 15 an der Rippe 35 zur Anlage kommt.
Zwischen den inneren Rippen 24 und 35 ist eine schwimmende ringförmige Dichtung 37 frei gleitbar angeordnet, die an der Kolbenstange 12 und der Zylinderwandung dichtend anliegt. Die Dichtung 37 besteht aus elastomerem Material und besitzt eine äußere ringförmige Lippe 38, die an der Zylinderwandung gleitet, und eine innere ringförmige Lippe 39, die an der Kolbenstange 12 gleitend anliegt. Die Dichtung 37 ist durch einen Metallring 40 verstärkt, der auf der der inneren Rippe 24 zugekehrten Seite an ihr befestigt ist. Der Ring 40 ist so bemessen, daß er an der inneren Rippe 24 zum Anschlag kommt. Er ist außerdem stark genug ausgeführt, um dem in der Kammer 17 herrschenden Gasdruck Widerstand zu leisten, ohne daß er sich verformt oder über die Rippe hinwegtritt.
Bei der Herstellung der pneumatischen Feder 10 wird zunächst der Zylinderhohlraum mittels bekannter Verfahren mit einem
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unter hohem Druck stehenden Gas, vorzugsweise Luft oder Stickstoff, gefüllt. Sodann wird eine Flüssigkeit, vorzugsweise Öl mit mäßiger Viskosität, mittels bekannter Verfahren eingeführt, das die- Kammer 42 zwischen den Dichtungen 22 und 37 füllt. Es wird eine hinreichend große Flüssigkeitsmenge in diese Kammer gepumpt, um die Dichtung 37 gegen die innere Rippe 35 gleiten zu lassen, wobei alles Gas aus dieser Kammer in die Kammer 17 verbracht wird.
Wie weiter unten in Verbindung mit Fig. 3 näher erläutert wird, kann zur Unterstützung der verschiebenden Wirkung der Füssigkeit auf die Dichtung 37 eine mechanische Kompressionsfeder vorgesehen sein, die die Dichtung 37 gegen die Rippe 35 drückt.
Das Öl in der Kammer 42 arbeitet sich langsam durch die Dichtung 22, wenn diese leckt oder sich abnutzt. Während dieser Zeit bewegt sich die schwimmend angeordnete Dichtung 37 in Richtung auf die feste Dichtung 22. Bei dieser Bewegung der schwimmenden Dichtung 37 ist der Druckunterschied zwischen ihren beiden Seiten jedoch nur minimal, so daß sie nur geringe Reibung oder Abnutzung erfährt und dementsprechend nur minimaler Gasdurchtritt durch sie in die Kammer stattfindet. Deshalb steht die Dichtung 22 während ihrer gesamten Lebensdauer mit Öl in Kontakt, so daß sie bei allen Betriebstemperaturen und -lagen der pneumatischen Feder 10 ausgezeichnet geschmiert wird.
Die schwimmend angeordnete Dichtung 37 schlägt gegebenenfalls, wie mit strichpunktierten Linien 37A angedeutet, an der inneren Rippe 24 an und wirkt dann als Sekundär- oder Sicherheitsdichtung, wobei sie den verbleibenden Gas- und Öldruck in der pneumatischen Fedep aufrechterhält.
Die in Fig. 2 dargestellte modifizierte Dichtung ist mit Ausnahme der gezeigten und im folgenden beschriebenen Abweichungen mit der Dichtung gemäß Fig. 1 identisch. Die innere Rippe 35 von Fig. 1 ist durch zwei in enger Nachbarschaft
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angeordnete innere Rippen 44 und 45 ersetzt, zwischen denen eine zusätzliche Führungsbuchse 47 verankert ist.
Die Führungsbuchse 47 bildet eine zusätzliche Lagerung für die Kolbenstange 12. Außerdem besitzt die Buchse 47 eine der Kammer 17 zugewandte ringförmige Schulter 48, an der die Scheibe 15 der Kolbenanordnung anschlagen kann. Dadurch wird die Scheibe von der betreffenden inneren Rippe ferngehalten, wenn sich die Kolbenstange 12 in ihrer ausgefahrenen Position befindet, so daß die Ablösungsreibung verringert wird.
Die Buchse 47 besitzt ferner eine der Kammer 42 zugewandte ringförmige Schulter 49, an der die schwimmend angeordnete Dichtung 37 anschlagen kann. Hierdurch entsteht ein verkantungsfreier Haltepunkt für letztere während des Einfüllens von Gas und Öl.
Es hat sich gezeigt, daß die Wirksamkeit der schwimmend angeordneten Dichtung 37 noch dadurch gesteigert werden kann, daß zusätzlich eine mechanische Feder vorgesehen wird, die sie gegen die Rippe 35, d.h. in ihre innerste Position vorspannt, in der sie voll aufsitzt. Eine entsprechende Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt. Mit Ausnahme der sich aus der folgenden Beschreibung ergebenden Abweichungen ist das Ausführungsbeispiel mit denen nach Fig. 1 und 2 identisch.
Die innere Rippe 24 ist gemäß Fig. 3 in dem Zylinder 11 weiter nach innen verlegt, so daß Raum für eine Buchse 50 zur Führung einer Feder entsteht, die zwischen der festen Dichtung 22 und der Rippe 24 gefaßt ist. Die Buchse 50 ist in innen abgesetzt und kann so eine mechanische Druckfeder 54 aufnehmen, die zwischen einer Schulter 56 der Buchse 50 und der schwimmend angeordneten Dichtung 37 wirkt. Auf Wunsch können eine oder mehrere zusätzliche Führungsbuchsen 58 vorgesehen sein, die sicherstellen, daß die Feder 24 die Innenfläche des Zylinders 11 nicht berührt und beschädigt. Ein Distanzring 60, der auf Wunsch die Form der Buchse 47 in
Fig. 2 haben kann, dient als Anschlag für die schwimmend angeordnete Dichtung 37 und verhindert, daß diese durch Berührung mit der Rippe 35 Schaden erleidet.
Die mechanische Feder 54 hat zwei Funktionen. Sie stellt sicher, daß die schwimmende Dichtung 37 die gewünschte innerste in Fig. 3 (und in Fig. 2 in ausgezogenen Linien) dargestellte voll aufsitzende Position einnimmt, wenn die pneumatische Feder bei der Herstellung gefüllt wird. Sie verstärkt zweitens die Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten der schwimmend angeordneten Dichtung 37, d.h. zwischen der Gaskammer 17 und der Flüssigkeitskammer 42, indem sie der Bewegung der schwimmend angeordneten Dichtung 37 in Richtung auf die feste Dichtung 22 infolge von Lecks (aufgrund von Verschleiß und Zeitblauf) federnden Widerstand entgegenstetzt. Die genannte Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten der Dichtung 37 vergrößert sich allmählich, wenn die mechanische Feder 54 bei fortschreitendem Fluidverlust durch die feste Dichtung 22 komprimiert wird. Diese Wirkung der Feder 54 verteilt die Druckdifferenz zwischen der unter hohem Druck stehenden Gaskammer und dem Atmosphärendruck gleichmäßiger auf die schwimmend angeordnete Dichtung 37 und die feste Dichtung 22 und verbessert dadurch die Dichtwirkung der Kombination aus schwimmend angeordneter und fester Dichtung.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die vorangehend vorgestellten Ausführungsformen beschränkt. So kann beispielsweise die schwimmend angeordnete Dichtung aus einem Metallring bestehen, an dem eine auf der Kolbenstange gleitende innere O-Ringdichtung und eine an der Zylinderwandung gleitende äußere O-Ringdichtung montiert sind.
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Claims (8)

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. ¥eickmahn, Oi»l. Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. R A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber Dr.-Ing. H. LiSKA , Oipl.-Phys. "Dr. J. Prechtel 8000 MÜNCHEN 86 ^ Λ 1 POSTFACH 860 820 0^1 MÖHLSTRASSE 22 TELEFON (089) 980352 TELEX 5 22 621 TELEGRAMM PATI.NTWEICKMANN MÖNCHEN Patentansprüche
1. Dichtungseinrichtung zur Anwendung zwischen einer Kolben- , stange und einem eine Seitenwandung und zwei Stirnwandungen aufweisenden Gehäuse, in dem ein von der Kolbenstange getragener Kolben hinund herbewegbar ist und in dem sich ein unter Druck stehenden Fluid befindet
mit elastomeren Dichtungsmittel, die mit der Kolbenstange in gleitendem Eingriff stehen und sich^ in der Nähe derjenigen Stirnwandung des Gehäuses befinden, durch die der Kolben mit der Hinund Herbewegung beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet ,
daß zwischen den elastomeren Dichtungsmitteln (22) und dem Kolben (13) ein schwimmend angeordnetes Dichtungsglied (37) vorgesehen ist, das mit der Kolbenstange (12) und der Seitenwandung des Gehäuses (11) in gleitendem Eingriff steht,
und daß Anschlagmittel (35) vorgesehen sind, an denen das schwimmend angeordnete Dichtungsglied (37) zur Anlage kommt und die zwischen den elastomeren Dichtungsmitteln (22) und dem Kolben (13) von der Seitenwandung des Gehäuses (11) aus nach innen ragen und im Abstand von den elastomeren Dich- > tungsmittel (22) angeordnet sind, derart daß das schwimmend angeordnete Dichtungsglied (37) zwischen den elastomeren Dichtungsmitteln (22) und den Anschlagmitteln bewegbar ist.
2. Dichtungseinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet , daß das schwimmend
angeordnete Dichtungsglied (37) und die elastomeren Dichtungsmittel (22) zwischen sich eine Kammer (42) veränderbarer Größe,begrenzen, in der sich eine Flüssigkeit befindet.
3. Dichtungseinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet , daß das schwimmend angeordnete Dichtungsglied (37) ein mit der Kolbenstange (12) und der Seitenwandung des Gehäuses (11) in gleitendem Eingriff stehendes elastomeres Dichtungsglied (38) sowie ein starres Verstärkungselement (40) umfaßt, das zwischem dem elastomeren Dichtungsglied (38) und den elastomeren Dichtungsmitteln (22) angeordnet ist.
4. Dichtungseinrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet , daß das elastomere Dichtungsglied (38) und das Verstärkungselement (40) fest miteinander verbunder sind.
5. Dichtungseinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet , daß zweite Anschlagmittel (24) vorgesehen sind, an denen das schwimmend angeordnete Dichtungsglied (37) zur Anlage kommt und das sich in der Nähe der elastomeren Dichtungsmittel (22) von der Seitenwandung des Gehäuses (11) nach innen erstreckt.
6. Dichtungseinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß eine an der Seitenwandung des Gehäuses (11) montierte Buchse (47) vorgesehen ist, die einen Anschlag für das schwimmend angeordnete Dichtungsglied (37) und den Kolben (13) bildet.
7. Dichtungseinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet , daß zwischen dem schwimmend angeordneten Dichtungsglied (37) und den elastomeren Dichtungsmitteln (22) federnde Mittel (54) angeordnet sind, die das schwimmend angeordnete Dichtungsglied (37) federnd in Richtung auf die erstgenannten Anschlagmittel vorspannen und einer Bewegung des schwimmend angeordneten Dich-
tungsglieds von diesen Anschlagmitteln hinweg federnd Widerstand entgegen setzen.
8. Pneumatische Feder
gekennzeichnet durch die Verwendung der Dichtungseinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das genannte Gehäuse von einem Zylinder gebildet ist, der
eine Seitenwandung,
eine geschlossene Stirnwandung (30) und
eine mit einer Öffnung (19) versehene Stirnwandung (20) besitzt, durch deren Öffnung die Kolbenstange (12) in einen in dem Zylinder (11) gebildeten abgedichteten und mit einem unter Druck stehenden Fluid gefüllten Hohlraum hinein- und aus ihm herausbewegbar ist,
wobei ferner der Kolben (13) in dem Hohlraum axial bewegbar ist
und wobei schließlich das schwimmend angeordnete Dichtungsglied (37) die Kolbenstange (12) dichtend umschließt.
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