DE9417852U1 - Kolben-Zylinder-Einheit - Google Patents

Kolben-Zylinder-Einheit

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Description

Anmelder: Kuhnke GmbH
Lütjenburger Straße 101
23714 Malente
Kolben-Zylinder-Einheit
Die Erfindung geht aus von einer Kolben-Zylinder-Einheit, enthaltend einen beidseitig mit Druckluft beaufschlagbaren Kolben, eine damit verbundene Kolbenstange und einen aus einem inneren und einem äußeren Zylinderrohr bestehenden Zylinderaufbau mit zwei an seinen Enden vorgesehenen Deckeln, wobei der eine Deckel einen axialen Durchgang für die Kolbenstange aufweist und wobei beide Deckel verbindungsmittelfrei an den Enden des inneren Zylinderrohres anliegen und mit dem äußeren Zylinderrohr fest verbunden sind.
Eine derartige Kolben-Zylinder-Einheit ist in der DE-OS-42 26 180 beschrieben. Bei dieser vorrangig für Stoßdämpferkonstruktionen verwendeten Einheit ist zwischen den beiden koaxial zueinander angeordneten Zylinderrohren ein ringförmiger Zwischenraum vorgesehen, über den ein Fluidaustausch von der einen Seite des Kolbens zu dessen anderer Seite möglich ist. Der im inneren Zylinderrohr axial bewegliche Kolben besitzt an seinem Umfang einen elastischen Dichtungsring, der seinerseits dichtend am inneren Zylinderrohr anliegt. Diejenige Zylinderdekkelkonstruktion, durch welche sich die Kolbenstange erstreckt, weist ebenfalls elastische Dichtungsmittel auf, die an der Kolbenstange dichtend anliegen und den entsprechenden Zylinderraum
• ·
nach außen dichtend abschließen. Für den durchschnittlichen Einsatz dieser Einheiten sind das Reibverschleißverhalten und die Lebensdauer der verwendeten elastischen Dichtungen und damit der Einheit zufriedenstellend. Werden jedoch extrem hohe KoI-bengeschwindigkeiten und eine extrem hohe Kolbenhubspielzahl als Funktion der Lebensdauer erwartet, dann ist die vorstehend beschriebene Kolben-Zylinder-Einheit in ihrem Einsatzbereich stark eingeschränkt. Dies gilt insbesondere für den Einsatz dieser Einheit in stark staubhaltiger Umgebung. Für einen solchen Einsatz sind zusätzliche Bauelemente erforderlich, wie beispielsweise ein Faltenbalg, der die Lagerung der Kolbenstange in dem Zylinderdeckel über den gesamten Kolbenhub staubdicht abdeckt. Alternativ ist ein elastischer Abstreifring erforderlich, der die Kolbenstange eng umgreift und eventuell an ihr anhaftende Schmutzpartikel mechanisch abstreift. Ferner ist nachteilig, daß dem Faltenbalg hinsichtlich des Kolbenhubes, der Kolbenhubfrequenzen, der Lebensdauer und der Einbauverhältnisse verhältnismäßig enge Einsatzgrenzen auferlegt sind. Der Abstreifring ist ebenfalls ein verschleißbehaftetes Bauteil, das mit hoher erreichter Kolbenhubzahl zunehmend verschleißbehaftet ist und aufgrund des engen Umgreifens der Kolbenstange und dadurch bewirkter Reibung auch entsprechende Wirkungsgradverluste des Zylinders ergibt. Weiterhin bewirken sowohl die elastische Kolbenstangendichtung als auch der elastische Abstreifring eine negative Beeinflussung der tribologischen Eigenschaften der Kolbenstange in ihrer Lagerung im Zylinderdeckel, indem beispielsweise der Öl- oder Initialfettfilm durch die Vorspannung der Dichtung und des Abstreifringes zusätzlich extrem stark beansprucht wird.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Kolben-Zylinder-Einheit der einleitend angeführten Art, mit der gegenüber den bekannten Einheiten eine extrem hohe Schaltfre-
quenz (Kolbenhubzahl pro Sekunde) erreicht wird und die insbesondere in staubhaltiger Umgebung eine erheblich gesteigerte Lebensdauer aufweist.
Die Lösung dieser Aufgabe geht aus von einer Kolben-Zylinder-Einheit der einleitend angeführten Art und kennzeichnet sich durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruches 1.
Die Kolben-Zylinder-Einheit nach dieser Lösung weist eine erheblieh gesteigerte Lebensdauer auf, die beispielsweise eine Kolbenhubzahl von 50 &khgr; 106 und darüber erreicht. Hauptsächlich wird diese Leistung dadurch erzielt, daß der Reibverschleiß der Einheit auf ein Minimum herabgesetzt ist. Hierzu wird bei der lösungsgemäßen Einheit auf jedwedes elastische Dichtungsmittel zwischen Kolben und Zylinderwand und innerhalb der Kolbenstangenführung verzichtet. Während die Kolbenstange mit großem Spiel und Druckluftströmung in ihrer Lagerung geführt ist, wobei das Lagerspiel zwischen Kolbenstange und Zylinderdeckel mit Ein- und Ausströmen von Druckluft ausgefüllt ist, so daß in diesem Bereich praktisch keine Reibung stattfindet, ist im Bereich des Kolbens aufgrund der aneinanderliegenden, eingeschliffenen, harten Gleitpartner eine gegenüber elastischen Dichtungskonstruktionen erheblich minimierte Reibung gegeben. Die so herabgesetzte Reibung wird weiter dadurch minimiert, daß die von den Kolbenend-Seiten her gespeisten Vertiefungen in der Mantelfläche des Kolbens mit einem Anteil der jeweils in das innere Zylinderrohr einströmenden Druckluft gefüllt werden, wobei die auf diese Weise in die Vertiefungen gelangende Druckluft den Kolben von der Innenwandfläche des inneren Zylinderrohres wegzudrücken sucht, was sich für den Kolben anlageentlastend und damit reibungsmindernd auswirkt.
Aufgrund der lösungsgemäßen, besonders reibungsarm konstruierten Kolben-Zylinder-Einheit ist es des weiteren möglich, diese Einheit mit einer hohen Schaltfrequenz zu betreiben, indem Druckluft mit einem entsprechend hohen Druckwert angewendet werden kann. Auf diese Weise wird eine Kolbenhubzahl pro Sekunde von wenigstens 5 erzielt. Hierdurch ist es möglich, daß Maschinenteile, die mit sehr hoher Frequenz betrieben werden müssen, mit dieser Einheit angetrieben werden können. Ein weiterer Hauptvorteil besteht darin, daß die vorgeschlagene Einheit auch in staubhaltiger Umgebung eingesetzt werden kann, ohne daß dadurch die Lebensdauer der Einheit merklich herabgesetzt wird. Dies ist darauf zurückzuführen, daß ein Teilluftstrom von dem zum Kolben strömenden Hauptdruckluftstrom abgezweigt wird und über den axialen Durchgang des die Kolbenstange führenden Zylinderdeckels nach außen strömt. Dadurch können keine Schmutzpartikel, die sich auf der Kolbenstange abgesetzt haben, bei deren Einwärtsbewegung in das Zylinderinnere gelangen, weil sie von dem Teilluftstrom zurückgehalten bzw. weggeblasen werden. Insgesamt ist die lösungsgemäße Kolben-Zylinder-Einheit ferner wartungsarm und weist einen einfachen Aufbau auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die anlageentlastenden Vertiefungen in der Mantelfläche des Kolbens in Form einer oder mehrerer Wendelnuten ausgebildet, wobei von jeder Kolbenendfläche wenigstens eine Wendelnut ausgeht. Die oder jede, jeweils von der einen Endfläche des Kolbens ausgehende Wendelnut endet kurz vor der anderen Endfläche des Kolbens. Die wendelnuten weisen im wesentlichen gleiche Steigungen auf. Hierdurch wird erreicht, daß der Kolben auf seiner gesamten Umfangsfläche gleichmäßig mit einer entlastenden Kraft ausgestattet wird, die ihn von der Innenwandfläche des inneren Zyiinderrohres wegzudrük-
ken sucht und ihm eine zentrierende und reibungsgeminderte Lage in dem inneren Zylinderrohr aufzwingt.
Weitere Vorteile der lösungsgemäßen Kolben-Zylinder-Einheit ergeben sich aus den Merkmalen der weiteren Unteransprüche.
Die Erfindung ist nachstehend anhand eines in den anliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert. Es zeigen:
10
Fig. 1 einen Axialschnitt durch das Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 einen teilweisen und stark vergrößerten Axialschnitt
aus der Darstellung nach Fig. 1,
15
Fig. 3 einen anderen teilweisen, stark vergrößerten Axial
schnitt aus dem Ausführungsbeipiel nach Fig. 1.
Die Kolben-Zylinder-Einheit nach Fig. 1 umfaßt einen Zylinderaufbau 1, der aus einem inneren Zylinderrohr 2 und aus einem äußeren Zylinderrohr 3 besteht, zwei Zylinderdeckel 4 und 5, die an den Enden des Zylinderaufbaues befestigt sind, und einen Kolben 6 mit einer Kolbenstange 7, die sich durch einen axialen Durchgang 8 des einen Zylinderdeckels 4 hindurch nach außen erstreckt. Die Zylinderdeckel 4 und 5 besitzen innere Anlageschultern 9 und 10, an denen das innere Zylinderrohr mit seinen Enden anliegt. Für die Anlage des inneren Zylinderrohres an den Deckeln 4, 5 sind keine besonderen Verbindungsmittel vorgesehen; falls es jedoch gewünscht wird, können Dichtungsmittel an diesen Endbereichen des inneren Zylinderrohres gegenüber den Zylinderdeckeln vorgesehen sein. Wie es Fig. 1 zeigt, ist das innere Zylinderrohr 2 mit einem gewissen Abstand koaxial von
• · · · ca
dem äußeren Zylinderrohr 3 umgeben. Es entsteht so ein Zwischenraum 11 zwischen den beiden Zylinderrohren, der vorzugsweise als Zu- und Ableitungsweg für ein Druckluftmedium verwendet wird, mit dem der Kolben 6 beaufschlagt und betätigt wird, wie noch klar wird. Das äußere Zylinderrohr 3 ist mit den Zylinderdeckeln 4 und 5 fest verbunden, und zwar vorzugsweise durch eine Schweißverbindung, die mit den Ziffern 12 und 13 angedeutet ist.
Der Kolben 6, der an seinem Umfang keinerlei besondere Dichtungsmittel aufweist, ist mit einer engen Spielpassung, die etwa 10 &mgr; beträgt, in das Zylinderrohr 2 eingepaßt. Hierzu weisen der Kolben und das innere Zylinderrohr eine harte Oberfläche auf, wobei beide Oberflächen als Gleitpartner wirken. Sowohl der Kolben 6 als auch das Zylinderrohr 2 brauchen hierzu nur an der Oberfläche gehärtet zu sein. Es ist aber auch möglich, daß ein Teil oder beide Teile aus durchgehend hartem oder gehärtetem Material bestehen. Des weiteren können beide Teile auch aus gleich festem Material bestehen. Dabei kann insbesondere das innere Zylinderrohr 2 aus einem Keramikmaterial bestehen. Auf diese Weise besteht zwischen dem sich in dem Zylinderrohr 2 hin und her bewegenden Kolben 6 eine erheblich verringerte Reibung mit ausreichender Dichtigkeit.
Das Material des äußeren Zylinderrohres 3 hat gegenüber dem Material des inneren Zylinderrohres 2 eine geringere Festigkeit. Hierdurch wird das innere Zylinderrohr von Zugbelastungen befreit, die auf die Zylinderdeckel 4, 5 wirken, wenn der Kolben 6 mit Druckluft beaufschlagt wird. Diese von den Zylinderdeckeln ausgehenden Zugkräfte wirken daher nur auf das äußere Zylinderrohr 3, welches diese Kräfte schonend aufnehmen kann, wodurch der Zy linder aufbau 1 geschont wird.
Die Tatsache, daß die bei der Bewegung des Kolbens auf die Zylinderdeckel 4, 5 wirkenden Kräfte von dem äußeren Zylinderrohr 3 aufgefangen werden, ermöglicht es, daß das äußere Zylinderrohr und die Zylinderdeckel auch aus einem Kunststoffmaterial bestehen können. Das Material für den Kolben 6 und das innere Zylinderrohr 2 muß in jedem Fall geeignet sein, eine harte bzw. solche Oberfläche zur Verfügung zu stellen, um die angestrebte minimierte Reibung zwischen diesen Reibpartnern bei ausreichender Dichtigkeit zu erreichen. Gegebenenfalls ist es dafür möglich, daß der Kolben 6 und das innere Zylinderrohr 2 mit einer entsprechend harten Oberflächenbeschichtung versehen sind.
Um zu erreichen, daß die Reibung zwischen dem Kolben 6 und dem inneren Zylinderrohr 2 noch weiter minimiert wird, und um eine extrem hohe Kolbengeschwindigkeit zu begünstigen, ist der Kolben auf seiner den Kolbenumfang darstellenden Mantelfläche mit Vertiefungen 14 versehen, die von den beiden Kolbenendflächen her mit Druckluft gespeist werden. Diese Vertiefungen können beispielsweise in Form einer oder mehrerer Wendelnuten ausgebildet sein, wobei wenigstens eine Wendelnut von jeder Kolbenendfläche ausgeht. Auf diese Weise gelangt ein Anteil der in das innere Zylinderrohr 2 einströmenden Druckluft in Bereiche der Mantelfläche des Kolbens, wodurch dieser durch die Druckluft in den Vertiefungen bzw. Wendelnuten von dem inneren Zylinderrohr 2 weggedrückt wird. Auf diese Weise wirken die Vertiefungen 14 bzw. Wendelnuten anlageentlastend, d. h. die Anlagekraft des Kolbens am Zylinderrohr wird dadurch verringert.
Um eine gleichmäßige und möglichst vollständige Beaufschlagung der Mantelfläche des Kolbens mit Druckluft aus den Wendelnuten 14 zu erreichen, kann vorgesehen sein, daß die von den Kolben-
endflächen ausgehenden Wendelnuten im wesentlichen die gleiche Steigung aufweisen und daß die oder jede, jeweils von der einen Kolbenfläche ausgehende Wendelnut kurz vor der anderen Kolbenendfläche endet. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß die in der oder den Wendelnuten befindliche Druckluft nicht aus dem anderen Kolbenende austritt und daher gezwungen wird, im wesentlichen vollständig gegen die innere Oberfläche des inneren Zylinderrohres 2 anlageentlastend zu wirken. Dies ist besonders deutlich aus den Fig. 1 und 2 zu erkennen.
Der axiale Durchgang 8 in dem einen Zylinderdeckel 4, durch den sich die Kolbenstange 7 hindurcherstreckt, weist im Verhältnis zum Durchmesser der Kolbenstange einen relativ großen Innendurchmesser auf, und zwar wenigstens auf der Seite, die dem Kolben 6 zugekehrt ist, wie es deutlich aus Fig. 1 zu erkennen ist. Hierdurch entsteht insgesamt ein Ringraum 15, der einerseits ein sehr großes Spiel zwischen der Kolbenstange 7 und dem Zylinderdeckel 4 erlaubt und andererseits als Zu- und Ableitungsweg für Druckluft verwendet werden kann. Die Spaltbreite des Ringraumes 15 im größeren abgesetzten Abschnitt zwischen Kolbenstange und Zylinderdeckel kann beispielsweise 1 mm betragen.
Der Zylinderdeckel 4 besitzt ferner zwei Anschlüsse 16 und 17 für die Zu- und Ableitung von Druckluft. Der Anschluß 16 steht über eine Querbohrung 18 mit dem axialen Durchgang 8 bzw. mit dem größeren abgesetzten Abschnitt des Ringraumes 15 in Verbindung, so daß Druckluft über diese Gangausbildung auf die eine Endfläche des Kolbens 6 geleitet wird. Der andere Anschluß 17 steht über eine Axialbohrung 19 mit dem Zwischenraum 11 zwischen den beiden Zylinderrohren 2, 3 in Verbindung. Der andere Zylinderdeckel 5 weist einen Leitungsweg 20 auf, von dem Druckluft vom Zwischenraum 11 auf die andere Kolbenendfläche geleitet werden kann. Es ist klar, daß durch abwechselnde Versorgung
der entsprechenden Gangausbildungen mit Druckluft der Kolben 6 in bekannter Weise hin und her bewegt wird.
Um zu vermeiden, daß bei eventueller Anlage der Kolbenstange 7 am Zylinderdeckel 4 die Reibung zwischen diesen Teilen erheblich vergrößert wird, ist der axiale Durchgang 8 des Zylinderdekkels in seinem dem Kolben 6 abgewandten Abschnitt, also in dem Bereich, der den im Durchmesser kleineren Abschnitt des Ringraumes 15 darstellt und somit eine Art Luftlager bildet, mit einer Spaltbreite von etwa 0,3 - 0,5 mm, mit wenigstens einer umfangsmäßigen Entlastungsnut 21 versehen. Hierdurch wird die Kolbenstange 7 mit Druckluft umströmt, so daß dadurch auch an dieser Stelle eine Anlageentlastung der Kolbenstange eintritt.
Wie aus Fig. 1 zu erkennen ist, erstreckt sich der axiale Durchgang 8 bzw. der Ringraum 15 durch den gesamten Zylinderdeckel 4. Bei Beaufschlagung der beschriebenen Kolben-Zylinder-Einheit über die Gangausbildung 16, 18 mit Druckluft tritt daher auch Druckluft über den in der Zeichnung linken Abschnitt des Ringraumes 15 nach außen aus. Dadurch ist der Vorteil gegeben, daß Schmutzpartikel, die sich auf der Kolbenstange 7 abgesetzt haben, bei deren Einwärtsbewegung von dem nach außen ausströmenden Teilluftstrom weggeblasen werden. Auf diese Weise wird eine Verschmutzung im Inneren des inneren Zylinderrohres 2 und damit ein vorzeitiger Ausfall der Kolben-Zylinder-Einheit vermieden.
Um diesen Effekt noch zu steigern, ist der dem Kolben 6 ab gewandte Endbereich des axialen Durchganges 8 bzw. Ringraumes 15 mit einer den Querschnitt dieses Ringraumes noch weiter verengenden Ausbildung 22 versehen, wie es Fig. 3 deutlich zeigt. Hierdurch ist in dem so verengten Austrittsquerschnitt des Rin-
graumes 15 eine erhöhte Geschwindigkeit des ausströmenden Druckluftanteiles gegeben, so daß die die Schmutzpartikel von der Kolbenstange 7 abblasende Kraft des ausströmenden Druckluftanteiles erhöht ist. Dadurch ist die reinigende Wirkung des austretenden Druckluftanteiles erhöht und eine längere Betriebssicherheit der Kolben-Zylinder-Einheit gesichert.
Vorzugsweise ist die querschnittsverengende Ausbildung 22 in ihrer der Kolbenstange 7 zugekehrten Kontur und im Axialschnitt betrachtet als bogenförmige Krümmung ausgestaltet, deren Scheitelpunkt 25 zu der Kolbenstange am nächsten liegt (Fig. 3). Hierdurch ist ein laminarer oder nur leicht verwirbelter Strömungsvorgang begünstigt, so daß ein kontrollierter, d. h. im wesentlichen beruhigter Austritt des Druckluftanteiles gegeben ist. Aus fertigungstechnischen Gründen ist die Ausbildung 22 an einem separaten Bauteil 23 vorgesehen, welches z. B. in einen entsprechenden Rezeß 24 des Zylinderdeckels 4 eingesetzt ist.
Die vorstehend beschriebene Kolben-Zylinder-Einheit hat aufgrund ihrer reibungsarmen und verschleißarmen Gestaltung eine sehr hohe Lebensdauer, die eine Kolbenhubzahl von 50 &khgr; &Igr;&Ogr;6 und darüber erreichen kann. In Verbindung damit wird auch erreicht, daß der Kolben 6 mit einer sehr hohen Frequenz betrieben werden kann, die fünf Kolbenhübe pro Sekunde und darüber hinaus beträgt. Damit ist der Einsatzbereich der beschriebenen Einheit wesentlich erweitert, und zwar für Maschinenteile, die schnell und mit hoher Frequenz betrieben werden müssen. In besonderer Ausgestaltung ist der Einsatz der Einheit auch in staubhaltiger Umgebung möglich.

Claims (9)

Ansprüche
1. Kolben-Zylinder-Einheit, enthaltend einen beidseitig mit Druckluft beaufschlagbaren Kolben, eine damit verbundene KoI-benstange und einen aus einem inneren und einem äußeren Zylinderrohr bestehenden Zylinderaufbau mit zwei an seinen Enden vorgesehenen Deckeln, wobei der eine Deckel einen axialen Durchgang für die Kolbenstange aufweist und wobei beide Deckel verbindungsmittelfrei an den Enden des inneren Zylinderrohres anliegen und mit dem äußeren Zylinderrohr fest verbunden sind, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kolben (6) mit seiner harten Mantelfläche dichtungsmittelfrei an der harten Innenwandfläche des inneren Zylinderrohres (2) mit engem Spiel anliegt,
daß die Mantelfläche des Kolbens (6) mit von dessen Endflächen aus mit Druckluft gespeisten anlageentlastenden Vertiefungen (14) versehen ist,
- daß der axiale Durchgang (8) des einen Zylinderdeckels (4) zur Bildung eines Druckluft führenden und reibungsarmen Ringraumes (15) entlang des gesamten Durchganges einen gegenüber dem Durchmesser der Kolbenstange (7) relativ großen, den Druckluftstrom hauptsächlich zum Kolben (6) hin leitenden Durchmesser aufweist
12 "
und daß das äußere Zylinderrohr (2) aus einem weicheren Material besteht als das innere Zylinderrohr (3).
2. Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die anlageentlastenden Vertiefungen (14) in der Mantelfläche des Kolbens (6) in Form einer oder mehrerer Wendelnuten ausgebildet sind und daß von jeder Kolbenendfläche wenigstens eine Wendelnut (14) ausgeht.
3. Einheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die oder jede jeweils von der einen Kolbenendfläche ausgehende Wendelnut (14) kurz vor der anderen Kolbenendfläche endet.
4. Einheit nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendelnuten (14) im wesentlichen gleiche Steigungen aufweisen.
5. Einheit nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die beiden Zylinderrohre zur Ausbildung eines Druckluft führenden Zwischenraumes (11) einen Abstand voneinander aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß der den axialen Durchgang (8) aufweisende Zylinderdeckel (4) mit zwei Druckluft führenden Gängen (16, 18; 17, 19) versehen ist, daß der eine dieser Gänge (17, 19) mit dem Zwischenraum (11) kommuniziert, um Druckluft von dort auf die kolbenstangenfreie Endfläche des Kolbens zu leiten, und daß der andere Gang (16, 18) mit dem axialen Durchgang (8) kommuniziert, um über diesen Druckluft zu der anderen Endfläche des Kolbens (6) zu leiten.
6. Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Kolben (6) abgewandte Endbereich des axialen Durchganges (8) des Zylinderdeckels (4) mit einer den
Querschnitt des Ringraumes (15) für die sich durch diesen Deckel erstreckende Kolbenstange (7) verengenden Ausbildung (22) versehen ist.
7. Einheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die der Kolbenstange (7) zugekehrte Kontur der querschnittsverengenden Ausbildung (22) - im Axialschnitt betrachtet - als bogenförmige Krümmung gestaltet ist, deren Scheitelpunkt (25) zu der Kolbenstange (7) am nächsten liegt.
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8. Einheit nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der querschnittsverengende die Ausbildung (22) aufweisende Endbereich des Zylinderdeckels (4) als separates Bauteil ausgebildet ist.
9. Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Durchgang (8) des Zylinderdeckel (4) vorzugsweise in seinem dem Kolben (6) abgewandten Endbereich mit wenigstens einer umfangsmäßigen Entlastungsnut (21) versehen ist.
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