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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kolben nach der Einleitung
der Ansprüche
1 und 12 und ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens nach Anspruch
13.
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Die
ungeprüfte
Japanische Patentveröffentlichung
Nr. 5-99146 beschreibt einen Kompressorkolben 112. Wie
in 6 gezeigt, ist der Kolbenkörper aus Harz 130 formgepreßt und verbunden
mit einer Metallkupplung 120, an die eine Kolbenstange 113 gekoppelt
ist. Weil der Großteil
des Kolbens 112 aus Harz hergestellt ist, ist der Kolben 112 relativ
leicht. Der leichte Kolben verringert die Trägheit, wenn sich der Kolben 112 hin- und herbewegt. Als
ein Resultat werden Leistungsverluste des Kompressors verringert.
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In
der Veröffentlichung
ist der Kolbenkörper 130 aus
Fluorharz wie Polytetrafluorethylen, das ein thermoplastisches Harz
ist, hergestellt. Weil ein solches thermoplastisches Harz eine schlechte
Haftung an Metall hat, kann die Kupplung nicht mit der gewünschten
Festigkeit mit dem Kolben verbunden werden.
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In
einem typischen Kompressor wird die Drehung der Taumelscheibe durch
Schuhe in eine Kolbenhubbewegung umgewandelt. Jeder Kolben schließt einen
Körper
und eine Kupplung ein, die verbunden sind. Jeder Kolben ist mit
der Taumelscheibe durch die Schuhe gekoppelt, welche in der Kupplung festgehalten
sind, um frei zu gleiten.
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In
dem typischen Kompressor, wird durch die Taumelscheibe Kraft auf
jeden Kolben durch die Schuhe und die Kupplung angelegt. Dies bewirkt
einen Reibungswiderstand zwischen jedem Kolben und der Wand der
entsprechenden Zylinderbohrung. Demzufolge wird eine Drehkraft auf
die Grenzfläche zwischen
jedem Kolbenkörper
und Kupplung angelegt. Als ein Ergebnis können die Metallkupplungen von
den Kolbenkörpern
aus thermoplastischen Harz abgelöst
sein. Das behindert eine sanfte Hubbewegung des Kolbens und beschädigt die
Dichtung zwischen dem Kolben und den Zylinderbohrungen.
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Das
Dokument US-A-4 462 302 legt einen Kolben zur Zusammenwirkung mit
einem Antriebskörper
eines Geräts
offen. Der Kolben ist aus einem ersten Teil hergestellt, das aus
Stahl bestehen kann, und einem zweiten Teil aus einem duroplastischen Harz,
welches mit Glasfasern verstärkt
sein kann. Folglich legt das Dokument einen Kolben mit einem ersten
Teil aus Stahl und einem zweiten Teil aus einem duroplastischen
Harz offen. Kein weiterer Hinweis zur der umrissenen zweiteiligen
Konstruktion oder dem Verfahren zur Herstellung des Kolbens wird gegeben.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Kolbens
zum Zusammenwirken mit einem Antriebskörper in einem Gerät, speziell
ein Kolben zum Zusammenwirken mit einer Taumelscheibe in einem Kompressor,
und ein Verfahren zur Herstellung seines solchen Kolbens, um zu
ermöglichen,
daß der
Kolben fest mit einer Kupplung in einer sehr stabilen Weise verbunden
ist, um eine stabile Anbindung über
einen längeren
Einsatzzeitraum unter verändernden
Temperaturbedingungen zu ermöglichen.
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Dieses
Ziel wird jeweils mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 12 oder Anspruch
13 erreicht.
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In
Bezug auf die Erfindung wird der Kolben mit einer Metallkupplung
mit einem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten und einem
Körper aus
einem duroplastischen Harz mit einem zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten,
worin der Körper
an die Kupplung angeformt und der erste thermische Ausdehnungskoeffizient
im Wesentlichen dem zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten angepaßt ist,
ausgestattet. Folglich wird auch unter ändernden Temperaturbedingungen
durch verschiedene thermische Ausdehnungskoeffizienten induzierte
Spannung vermieden, was eine langlebige und stabile Konstruktion
gewährleistet.
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Andere
Aspekte und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung
in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen deutlich, die auf dem Weg von Beispielen die Prinzipien
der Erfindung darstellen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
als neu erachteten Merkmale der vorliegenden Erfindung werden mit
Genauigkeit in den angefügten
Ansprüchen
dargelegt. Die Erfindung einschließlich Zielen und Vorteilen
hiervon, kann am besten unter Bezug auf die folgenden Beschreibungen
der derzeit bevorzugten Ausführungsform
zusammen mit den beigefügten
Zeichnungen verstanden werden, in denen:
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1 eine
Querschnittsansicht eines Kompressors gemäß einer ersten Anwendungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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2 eine
perspektivische Ansicht eines Kolbens in dem Kompressor der 1 ist;
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3(a) eine Seitenansicht einer Hälfte einer
eine Kupplung enthaltenden Spritzgußform ist;
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3(b) eine Explosionsansicht der Spritzgußform der 3(a) ist;
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4 eine
graphische Darstellung ist, die den Gewichtsanteil von in einem
Kolbenkörper
enthaltener Glasfaser im Verhältnis
zu dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten zeigt;
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5(a) ist eine Seitenansicht eines Einsatzes in
einer zweiten Ausführungsform;
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5(b) eine Seitenansicht eines Einsatzes in einer
dritten Ausführungsform
ist;
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5(c) eine Seitenansicht eines Einsatzes in einer
vierten Ausführungsform
ist;
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6 eine
Querschnittsansicht ist, die einen Kolben nach Stand der Technik
zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ein
Kolben für
Kompressoren zur Fahrzeugklimatisierung gemäß einer ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug zu 1–4 beschrieben.
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Wie
in 1 gezeigt, sind ein vorderes Gehäuseteil 11 und
ein hinteres Gehäuseteil 13 mit
einem Zylinderblock 12 gekoppelt. Eine Kurbelkammer 14 ist
zwischen dem vorderen Gehäuseteil
und dem Zylinderblock 12 begrenzt. Das vordere Gehäuseteil 11,
der Zylinderblock 12 und das hintere Gehäuseteil 13 bilden
das Kompressorgehäuse.
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Eine
Antriebswelle 15 führt
durch die Kurbelkammer 14 und ist zwischen dem vorderen
Gehäuseteil
und dem Zylinderteil drehbar gelagert. Die Antriebswelle 15 ist
durch einen Kupplungsmechanismus wie eine elektromagnetische Kupplung
mit einem Motor (nicht gezeigt) gekoppelt. Der Motor dient als externe
Antriebsquelle. Dementsprechend dreht sich die Antriebswelle 15,
wenn die Kupplung während
des Motorbetriebes verbunden ist.
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Eine
Taumelplatte 16 ist mit der Antriebswelle 15 gekoppelt,
um sich integral mit der Antriebswelle 15 in der Kurbelkammer 14 zu
drehen. Zylinderbohrungen 12a sind in dem Zylinderblock 12 geformt. Die
Zylinderbohrungen 12a sind parallel zur Achse L der Antriebswelle 15 und äquidistant
um die Achse L.
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Einzelne
Zylinderköpfe 17 sind
jeweils in den entsprechenden Zylinderbohrungen 12a angeordnet. Jeder
Kolben 17 ist mit der Taumelscheibe 16 durch ein
Schuhpaar 18 gekoppelt. Die Drehung der Antriebswelle 15 wird
in eine Hubbewegung jedes Kolbens 17 durch die Taumelscheibe 16 und
die Schuhe 18 umgewandelt. Die Hubbewegung jedes Kolbens 17 verdichtet
Kältemittelgas
in der entsprechenden Zylinderbohrung 12a. In der vorliegenden
Ausführungsform
bilden die Antriebswelle 15, die Taumelscheibe 16 und
die Schuhe 18 einen Triebwerk.
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Alle
Kolben 17 sind identisch, daher wird sich die folgende
Beschreibung zur Einfachheit nur auf einen der Kolben 17 beziehen.
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Wie
in 1 und 2 gezeigt, schließt der Kolben 17 einen
Harzkörper 21 und
eine Metallkupplung 22 ein. Der Körper 21 ist mit der
Kupplung 22 verbunden.
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Die
Kupplung 22 ist aus Metall (Al-Si-Legierung) hergestellt,
welches ein Aluminium mit 7–13 Gew.-%
Silicium ist. Die Kupplung 22 wird durch Schmieden oder
Gießen
hergestellt. Die Verwendung von Aluminium für die Kupplung 22 verringert das
Gewicht des Kolbens 17. Die Zugabe von Silicium verringert
die Reibung zwischen dem Kolben 17 und der Innenfläche der
entsprechenden Zylinderbohrung 12a und zwischen dem Kolben 17 und
den Schuhen 18.
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Eine
Aussparung 23 ist im nächstgelegenen Ende
der Kupplung 22 gebildet. Ein Paar Ansätze 23a ist auf den
entgegengesetzten Innenflächen
der Aussparung 23 gebildet. Ein Schuhpaar 18 wird
in den Ansätzen 23a getragen,
um den Umfang der Taumelscheibe 16 zu halten. Dementsprechend übertragen
die Schuhe 18 die abwechselnde Schrägstellung der Taumelscheibe 16 auf
den Kolben 17, was den Kolben 17 axial (entlang
der Achse S) hin- und herbewegt.
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Ein
Anker 24 ist integral auf der Kupplung 22 geformt.
Wie in 1 gezeigt, schließt der Anker 24 einen
Stützschaft 24a und
einen Flansch oder eine Scheibe 24b ein. Der Stützschaft 24a reicht
von der Mitte der Endfläche
der Kupplung 22 bis zum Körper 21. Die Scheibe 24b wird
vom Stützschaft 24a getragen.
Der Durchmesser der Scheibe 24b ist größer als der des Stützschaftes 24a.
Der Körper 21 ist
mit der Kupplung 22 verbunden und nimmt den Anker 24 auf.
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Die
Kupplung 22 jedes Kolbens 17 hat eine teilweise
zylindrische Rotationsdrossel 23b. Die Krümmung des
zylindrischen Teils der Drossel ist größer als die jeder Zylinderbohrung 12a.
Die Krümmungsachse
jeder Rotationsdrossel 23b ist von der Krümmungsachse
der entsprechenden Zylinderbohrung 12a versetzt. Wenn sich
jeder Kolben 17 hin- und herbewegt, gleitet die zugehörige Rotationsdrossel 23b entlang
der Innenfläche
des vorderen Gehäuses 11,
während
sie den Kolben 17 am Drehen um die Achse S hindert.
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Der
Körper 21 schließt einen
Säulenkopf 21a und
ein Strebenpaar 21b ein. Der Kopf 21a gleitet entlang
der Oberfläche
der entsprechenden Zylinderbohrung 12a. Die Streben 21b reichen
diagonal von dem Kopf 21a zu der Kupplung 22.
Eine trapezförmige Öffnung wird
zwischen den Streben 21b gebildet, um den Kolben 17 leicht
zu machen.
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Die 3(a) und 3(b) zeigen
eine Spritzgußform 31.
Ein Hohlraum 32 ist in der Form 31 gebildet. Die
Kupplung 22 wird im hinteren Teil des Hohlraums 32 plaziert.
Ein Teil einer Endfläche
der Kupplung 22 und der Anker 24 sind einem vorderen Teil
des Hohlraumes 32 ausgesetzt, welches den Körper 21 abgrenzt.
Ein Formmaterial, das ein erwärmtes
Phenolharz, welches ein duroplastisches Harz ist, und Glasfasern,
die als Verstärkungsmaterial
dienen, einschließt,
wird in den Hohlraum 32 eingespritzt, um den Körper 21 zu
formen. Demzufolge wird der vordere Teil des Hohlraumes 32 mit
dem Formmaterial gefüllt.
Das ausgehärtete
Formmaterial bringt die Endfläche
der Kupplung 22 und den Anker 24 an dem Körper 21 an.
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Wie
in der graphischen Darstellung von 4 gezeigt,
ist der thermische Ausdehnungskoeffizient eines Phenolharzes mit
einer relativ kleinen Menge Glasfasern größer (18·10–6 bis
24·10–6)
als der einer Aluminiumlegierung mit 7–13 Gewichtsprozent Silicium,
der die Kupplung 22 bildet. Der thermische Ausdehnungskoeffizient
eines Phenolharzes wird kleiner, wenn der Anteil der im Phenolharz
enthaltenen Glasfasern steigt. Demzufolge macht die Abstimmung des
Glasfaseranteils im Phenolharz den thermischen Ausdehnungskoeffizienten
des Körpers 21 im
Wesentlichen gleich dem der Metallkupplung 22. Der Prozentsatz
der im Phenolharz enthaltenen Glasfasern wird in einem Bereich von
15–65
Gewichtsprozent abgestimmt, um einer Aluminiumlegierung mit 7–13 Gewichtsprozent
Silicium zu entsprechen.
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Die
erklärte
Anwendungsform hat die folgenden Vorteile.
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Eine
Antriebskraft wird an jeden Körper 21 durch
die Schuhe 18 und die Kupplung 22 angelegt. Dies
bewirkt einen Reibungswiderstand zwischen dem Körper 21 und der Oberfläche der
Zylinderbohrung 12a. Demzufolge wird eine Schubspannung
an die Verbindungsstelle zwischen dem Körper 21 und der Kupplung 22 angelegt,
die auf der Drehung der Taumelscheibe 16 und der Hubbewegung
des Kolbens 17 beruht.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
wird ein duroplastisches Harz zur Formung des Körpers 21 benutzt.
Das duroplastische Harz hat eine bessere Haftung zu Metall als es
thermoplastisches Material hat. Demzufolge wird die Kupplung 22 fester
mit dem Körper 21 verbunden
als nach dem Stand der Technik. Die Haftung zwischen dem Körper 21 und der
Kupplung 22 kann der Drehkraft widerstehen.
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Duroplastisches
Harz ist wärmebeständiger als
thermoplastisches Harz. Demzufolge erweicht der Körper 21 nicht
durch Wärme,
welche durch Reibung zwischen dem Kolben 17 und der Oberfläche der
Zylinderbohrung 12a erzeugt wird. Daher wird die feste
Verbindung zwischen dem Körper 21 und
der Kupplung 22 aufrechterhalten. Als ein Ergebnis gleitet
der Kolben 17 sanft in der Zylinderbohrung 12a und
gute Abdichtung zwischen dem Kolben 17 und der Zylinderbohrung
wird aufrechterhalten.
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Die
Zugabe von Verstärkungsmaterial
härtet das
duroplastische Harz und erhöht
die Beständigkeit
des Körpers 21.
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Die
Abstimmung des Prozentsatzes von in dem Körper 21 enthaltenem
Verstärkungsmaterial ändert den
thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Körpers 21, um diesen
dem der Kupplung 22 im Wesentlichen anzugleichen. Demzufolge
ist der thermische Ausdehnungskoeffizient aufgrund der Reibungswärme in dem
Körper 21 im
Wesentlichen gleich dem der Kupplung 22. Das verhindert
die Erzeugung interner Spannungen an der Verbindungsstelle zwischen
dem Körper 21 und
der Kupplung 22, die auf einem Unterschied in der thermischen
Ausdehnung beruhen. Folglich ist die Haftung zwischen dem Körper 21 und
der Kupplung 22 stabil.
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Das
Harz des Körper 21 füllt den
Raum zwischen der Scheibe 24b und eine Endfläche der
Kupplung 22. Die Scheibe 24b ist senkrecht zur
Achse S des Kolbens 17, welche eine axiale Bewegung des Körpers 21 relativ
zu der Kupplung 22 verhindert. Demzufolge wird eine Trennung
des Körpers 21 von der
Kupplung 22 verhindert, wenn die Haftung zwischen dem Körper 21 und
der Kupplung 22 geschwächt
ist, was den Betrieb des Kompressors aufrechterhält.
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Weitere
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nun mit Konzentration auf die Unterschiede
von der ersten Ausführungsform
in 1–4 beschrieben.
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5(a) zeigt den Anker 24 in Bezug auf eine
zweiten Ausführungsform.
Nuten 24c sind auf der Umfangsfläche der Scheibe 24b des
Ankers 24 durch ein Rändelwerkzeug
gebildet. Die Nuten 24c können erstens axial ausdehnende
Nuten und zweitens umlaufend ausdehnende Nuten einschließen.
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5(b) zeigt den Anker 24 in Bezug auf eine
dritte Ausführungsform.
Eine gewundene, um die Achse S zentrierte Nut 24d wird
in der Umfangsfläche
der Scheibe 24b gebildet.
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5(c) zeigt den Anker 24 in Bezug auf eine
vierte Ausführungsform.
Vorsprünge 24e sind
in der Umfangsfläche
der Scheibe 24b gebildet. Aussparungen können anstatt
der Vorsprünge 24e gebildet
sein.
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Die
in 5(a)–5(c) gezeigte
Scheibe 24b begrenzt die Drehung des Körpers 21 relativ zu der
Kupplung 22. Demzufolge ist die Haftung zwischen dem Körper 21 und
der Kupplung stabiler.
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Das
Material zur Herstellung des Körpers 21 kann
Molybdändisulfid
enthalten, was als Feststoffschmiermittel dient. Dies verringert
die Reibung durch Reibung zwischen dem Körper 21 und der Oberfläche der
Zylinderbohrung 12a.
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Beispiele
für duroplastische
Harze, die in der Formung benutzt werden können, sind ein Epoxyharz, ein
ungestättigter
Polyester, ein Polyamidimidharz, ein Harnstoffharz, ein Melaminharz,
ein Alydharz, ein Siliconharz, ein Urethanharz und ein Furanharz.
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Beipiele
für Verstärkungsmaterialien
außer Glasfasern,
die dem Harz zugesetzt werden können, sind
Metallfasern, ein Aluminiumoxid, Kohlefasern, Holzpulver, eine a-Zellulose,
Muschelpulver, Knochenpulver und Eierschalenpulver. Kombinationen dieser
Materialien können
ebenfalls zu dem Harzmaterial für
den Körper 21 zugesetzt
werden.
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Die
Formung des Körpers 21 ist
nicht auf das Spritzgießen
beschränkt.
Der Körper 21 kann
durch Erweichung eines Korn- oder Pulverharzmaterials in einer Form
gebildet werden. In diesem Fall wird die Kupplung in das Harzmaterial
eingefügt
und mit dem Körper 21 verbunden.
In anderen Worten kann der Körper 21 durch
Formpressen gebildet werden.
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Die
vorliegende Erfindung kann auf einen doppelköpfigen Kolben für einen
doppelköpfigen
Kolbenkompressor angewendet werden. In diesem Fall sind Kolbenkörper aus
Duroplastharz jeweils mit beiden Endflächen einer Metallkupplung verbunden.
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Die
vorliegende Erfindung kann ferner auf einen Kolben für Nockenwellenkompressoren
angewendet werden. In diesem Fall bildet eine Nockenwelle, die als
Mitnehmerscheibe dient, ein kolbenantreibendes Teil.
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Die
vorliegende Erfindung kann ferner in anderen Fluidgeräte wie Ölpumpen
und Luftpumpen ausgeführt
sein.