EP1082534A1 - Kolben-zylinder-anordnung - Google Patents

Kolben-zylinder-anordnung

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Publication number
EP1082534A1
EP1082534A1 EP99917969A EP99917969A EP1082534A1 EP 1082534 A1 EP1082534 A1 EP 1082534A1 EP 99917969 A EP99917969 A EP 99917969A EP 99917969 A EP99917969 A EP 99917969A EP 1082534 A1 EP1082534 A1 EP 1082534A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
arrangement according
cylinder
guide
parts
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP99917969A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Werner Jahn
Robert Marschall
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Uti Holding and Management AG
Original Assignee
Uti Holding and Management AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE1998115989 external-priority patent/DE19815989A1/de
Priority claimed from DE1998115988 external-priority patent/DE19815988C1/de
Application filed by Uti Holding and Management AG filed Critical Uti Holding and Management AG
Publication of EP1082534A1 publication Critical patent/EP1082534A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F16J9/00—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction
    • F16J9/28—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction of non-metals
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/0084—Pistons  the pistons being constructed from specific materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
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    • F05C2203/08—Ceramics; Oxides
    • F05C2203/0865—Oxide ceramics
    • F05C2203/0882—Carbon, e.g. graphite

Definitions

  • the invention relates to a piston-cylinder arrangement according to the preamble of claim 1, comprising a cylinder, along the inner bore formed as a piston guide surface a sliding portion of a piston is axially displaceable, and a piston to which a connecting rod can be articulated by means of a bolt, wherein at least two cylindrical and circumferential sliding sections delimiting the piston radially for support against the guide surface of the cylinder, which are detachably arranged on the piston by two parts of the piston, at least one of which penetrates a central opening in the sliding sections.
  • the invention further relates to a guide arrangement according to the preamble of claim 16, comprising a first part and a second part, along the surface of which is designed as a guide surface and facing the first part, a sliding section of the first part can be displaced.
  • PRIOR ART DE-A-29 12 786 shows a piston for internal combustion engines and a method for producing such a piston which is formed from carbon produced by pyrolysis.
  • the carbon is penetrated by a large number of carbon fibers, which in this way form a matrix for the whole of the piston.
  • the production of the known piston by pyrolysis is complex, because shrinking processes during production must be taken into account when dimensioning the raw piston (blank).
  • the carbon fibers which are indispensable for stability and strength, are to be laid in such a complicated manner that openings such as bores and the like, which are provided in the pistons by subsequent machining, do not damage the carbon fiber matrix, since this means a dramatic loss in strength.
  • the known piston is provided on the combustion side with a protective layer made of silicon carbide, which has to be manufactured in a complex manner by plasma application.
  • This pairing of materials is problematic in terms of production technology and In particular with regard to the running surface of the cylinder due to the differences in hardness of SiC and carbon, it is unsuitable because the piston has sliding surfaces of different hardness, as a result of which undesired wear is generated in the sliding surfaces.
  • the piston pin arranged in the piston for the articulation of a connecting rod is also made of carbon, whereby this material can only be subjected to a small load for the tensile loads occurring in the articulation of connecting rods, in contrast to pressure loads.
  • DE-A-30 01 921 shows a piston which corresponds to the aforementioned known piston and which is produced with the aid of a negatively reworked mold.
  • This piston also has a completely cylindrical outer wall which has a piston pin bore perpendicular to the main axis of the piston for fixing the piston pin and is formed in the region of the piston head with three piston ring grooves for receiving piston rings.
  • US-A-2,792,265 describes a piston-cylinder arrangement which is used in compressors and pumps and in which the two graphite elements arranged on the core, which define the sliding surfaces on their radial outer surfaces, are detachably arranged.
  • the core is formed in two parts, which two parts are mutually braced by a screw.
  • the two graphite elements surround radially cylindrical sections of the core with different outer diameters, so that the inner diameter of the two graphite elements is also different.
  • the shoulders in the core do not fix the graphite elements axially, rather spring elements are provided for this purpose, which due to their inherent tension prevent axial slipping as long as the lubrication in the cylinder prevents the occurrence of higher forces due to relative movements.
  • the known structure is therefore not suitable for piston-cylinder arrangements which run as provided in the invention without lubricants, for example for air compressors.
  • the decoupling of the two rings by means of a spring also causes radial play 3
  • piston pin 2 is arranged eccentrically, so that pulling and pushing movements are transmitted non-uniformly to the sliding sections. This results in a disadvantageous tilting moment of the piston in the cylinder during the return stroke, as a result of which the proximal sliding section wears out more quickly than the distal sliding section, which can result in sealing problems and thus an uneven running.
  • DE-C-41 22 090 shows a graphite piston for an internal combustion engine made of a binder-free carbon (mesophase), the piston crown of which is coated with a protective layer of combustion residues.
  • the known piston has several ring-like recesses, such that only narrow webs come into abutment against the circumferential surface of the cylinder.
  • This graphite piston is only suitable for a small number of materials or coatings on the inside of the cylinder.
  • the piston crown must be covered in a complex manner with a protective layer in applications without combustion.
  • the narrow webs affect the tilting stability of the piston in the cylinder.
  • US-A-1, 467.255 shows the use of pistons made of amorphous "monolithic" carbon graphite, the bottom surface and adjacent peripheral surfaces of which are sealed against oxidation by electrolytic application of a thin metal layer. Furthermore, the carbon graphite can be solidified by introducing molten metal into the porous structure.
  • the manufacture of such a piston is complex, expensive and not suitable for modern high-performance piston-cylinder arrangements. It is also proposed to surround the region of the articulation of the connecting rod on the piston pin with a metallic sleeve such that the inner surface of the piston is shielded from the connecting rod, but not the piston pin. This construction requires complex lubrication and is also difficult to manufacture in terms of production technology. In addition, a large part of the piston must be replaced in order to adapt to a cylinder running surface in order to be able to use the linkage to the connecting rod for another piston material in adaptation to the cylinder sliding surfaces.
  • EP-B-0 258 330 shows a piston-cylinder arrangement of a piston engine with a piston made of carbon, which has at least one piston ring which projects radially over the circumferential surface of the piston.
  • the piston ring is constructed in several parts, with an expansion element that is in contact with supports a compression spring against the inner wall of the piston ring groove, prestresses two essentially semicircular piston half rings in the direction of the running surface.
  • the production of such compression springs is complex and prone to defects in use.
  • the end of the expansion element facing away from the spring or the end of the piston half abutting against its conical surface abuts against the running surface of the surrounding cylinder or a cylinder liner, so that a mechanical extension that is selective due to the axial displacement of the piston to a line Load on the tread results, which leads to the formation of grooves and increased wear on the tread or the piston ring, ultimately leading to leakage.
  • the carbon proposed for use is of low strength, which is why it is proposed to reinforce it with carbon fibers or to use additives to form a modified carbon.
  • DE-A-34 06 479 shows a multi-part piston, the components of which consist of fiber-reinforced carbon.
  • the known piston has a first piston part which is essentially hollow cylindrical and which extends over the entire length of the piston and circumferentially defined a single sliding surface.
  • the second piston part is a plug-in part which is inserted into the first piston part, the two piston parts being designed to form a positive fit and being held against one another by a concentric piston pin bore through which a piston pin can be inserted. Because of the large sliding surface, the forces for the piston are high and the susceptibility to wear of the known piston is significant.
  • DE-A-30 40 125 shows a multi-part piston for reciprocating piston engines, which is partly made of fiber-reinforced plastic and which comprises a piston crown, a piston skirt and piston pin eyes as separately manufactured components.
  • DE-A-44 37 558 shows a method for producing a high-strength isotropic graphite, the flexural strength of which permits use for pistons in gasoline engines.
  • the one material of the pairing of the sliding section-guide surface is selected from the group comprising polycrystalline diamond, amorphous hydrocarbon, tetragonally coordinated carbon and metal-containing hydrocarbon, and that other pairing material is selected from the group consisting of mesophase graphite and ultra fine grain graphite.
  • the piston-cylinder arrangement creates a piston, which is supported with its sliding sections, which are preferably designed as closed rings, against the guide surface of the cylinder.
  • the two ring areas are arranged at a distance from one another, the distance between the ring areas preferably making up at least half the axial extent of the narrower of the two ring sections and advantageously being twice that of the two rings larger in axial extent.
  • the two ring-shaped sliding sections prevent the piston from tilting in the guide surface of the cylinder, which improves the smooth running of the piston-cylinder arrangement and reduces the noise generated when running. At the same time, the cylinder is sealed against the piston. 7
  • the two sliding sections can optionally be connected to one another in one piece, in that the distance between the sliding sections is provided by a recess in the peripheral wall of the ring or a constriction in the case of archetypal shapes.
  • the sliding sections are provided on two different rings each, which have the same outer diameter and which are held at a predetermined distance from one another by a separate spacer or in the axial continuation of at least one ring. It is possible to split the rings or to split them, e.g. to form from two or three ring segments which form the ring when assembled, the piston parts also fixing these ring parts by axial clamping, so that installation in a cylinder is possible without problems.
  • the material of the rings defining the sliding sections is expediently a material of high flexural strength, for example of more than 95 N / mm 2 and in particular of more than 120 N / mm 2 , ideally even of more than 140 N / mm 2 , which have also been manufactured to the associated cylinder dimension with high surface accuracy, for example by external cylindrical grinding. It is understood that the spacer need not be manufactured cost-effectively with the same dimensional accuracy and surface quality, which is why a piece with a smaller outside diameter that is different from the rings is advantageously provided. This spacer can always be made of the same material for a modular piston production, while the rings having the sliding sections are provided from a material selected to match the guide surface of the cylinder or its material. This makes the piston much more versatile than a one-piece piston.
  • the two rings having the sliding sections and the spacer preferably have the same inner diameter, so that they can be mounted on one another on a shaft with the corresponding outer diameter so as to be axially displaceable.
  • the rings having the sliding sections preferably lie essentially in the region of the axial ends of the piston, as a result of which good guidance of the piston in the cylinder is achieved.
  • the ring opening of the sliding sections is penetrated by at least one piston part in at least one area of the axial extent. 8th
  • this piston part also has a receiving space for a piston pin and a pivoting space for a connecting rod articulated around the piston pin.
  • the second piston part which can be connected to the first piston part, constitutes an end boundary of the piston.
  • the connection is preferably releasable, for example in the manner of a bayonet catch or a screw connection. This makes the piston-cylinder arrangement particularly easy to repair by making it possible to replace sliding sections.
  • the piston parts are preferably connected by plugging or by means of an interference fit, so that fast production times are achieved.
  • a particularly powerful piston-cylinder arrangement is achieved in that, according to the invention, the one material of the pairing of the sliding section guide surface is selected from the group comprising polycrystalline diamond, amorphous hydrocarbon, tetragonally coordinated carbon dioxide and metal-containing hydrocarbon, and the other material of the pairing is formed from mesophase graphite or from ultra-fine grain graphite.
  • Ultrafine-grain graphite for example, is supplied by POCO in the market.
  • this arrangement is thus virtually infinite, so that it can be used in locations that are no longer readily accessible, e.g. due to radioactive, chemical or bacterial contamination.
  • This primary shaping step is expediently followed by a grinding step, but advantageously only the sliding sections have to be subjected to it, while the other piston parts, which do not come into engagement with the piston guide surface of the cylinder, have already been completed. It is also possible to carry out this grinding step in the cylinder and thus to use the hardness of the material of the piston guide surface in addition to the seal for surface treatment.
  • the flexural strength of the mesophase graphite exceeds 120 N / mm 2 and advantageously enables the creation of a single phase Materials.
  • Fig. 1 shows a longitudinal sectional view of a first embodiment of a piston-cylinder arrangement according to the invention, in which the cylinder and piston are shown pulled apart.
  • FIG. 2 shows a top view of the piston from FIG. 1 from the direction of arrow II.
  • FIG. 3 shows the piston from FIG. 1 in an exploded longitudinal section.
  • FIG. 4 shows a longitudinal sectional view of the piston-cylinder arrangement from FIG. 1 in the assembled state with piston pin and connecting rod.
  • FIG. 5 shows a cross-sectional illustration of the piston-cylinder arrangement from FIG. 4 along the axially offset line V-V.
  • Fig. 6 shows a longitudinal sectional view of a second embodiment of a piston-cylinder arrangement according to the invention, in which the cylinder and piston are shown pulled apart.
  • FIG. 7 shows the piston from FIG. 6 in an exploded longitudinal sectional view.
  • FIG. 1 The components of a piston-cylinder arrangement 1 are shown in longitudinal section in FIG. 1, the piston 2 being separated from the interior of the cylinder 3 for better illustration.
  • the piston-cylinder arrangement is used in a compressor.
  • the cylinder 3 is a hollow cylinder, for example made of metal or a ceramic, the inner bore 4 of which partially or preferably completely forms a piston guide surface 5 for the axial displacement of the piston 2.
  • the piston guide surface or the corresponding section of the inner circumference of the bore 4 of the cylinder is designated by the reference number 5. It 10
  • section which is designed as a guide surface 5 is essentially axially limited by the piston stroke.
  • bore 4 of cylinder 3 is coated with a hard layer 6, which forms guide surface 5.
  • This layer is a few tenths of a millimeter or even micrometers thick and is therefore only indicated as a line.
  • hard materials come into consideration as the applied layer 6, that is to say carbides, oxides, nitrides and diamond coatings and compounds from the groups mentioned above. It is advantageously possible to select the layer from the same material as the material of the cylinder 3 and to harden the layer by infiltrating foreign atoms, by radiation, by CVD or PVD methods, chemical or electrochemical deposition or by other suitable methods or means .
  • the bore 4 in the cylinder 3 may be expedient to first prefabricate the bore 4 in the cylinder 3 very precisely to size, for example by lapping or grooving, and then to further process it.
  • the blank for the cylinder 3 is manufactured close to the final shape and finished covering the areas not to be coated or tempered to form the layer 6 in a process step subsequent to the production. This advantageously makes it possible for small and medium-sized series of cylinders 3 to be produced while maintaining the highest tolerances, in particular with regard to the bore 4.
  • the method outlined above also makes it possible to adapt the type of layer 6 in the separate method step to the specific use, in particular to a fluid to be conveyed and its chemical properties and reactivity, without this resulting in any significant disadvantages in terms of cost.
  • the piston 2 is a multi-part modular unit, which can be seen particularly well in FIG. 3.
  • the piston 2 comprises an end part 7 and a connecting part 8 made of titanium, which respectively define the piston head 7a and the connecting rod side. It is alternatively possible to select other suitable materials, in particular aluminum, steel or in particular graphite, instead of titanium.
  • the piston 2 further comprises a proximal, closed ring 9 and a distal, closed ring 10, the closed cylindrical circumference of which defines a sliding section 9a or 10a of the piston. Between the two rings 9 and 10 is also a ring 1 1
  • Spacer 11 is provided with a hollow cylindrical structure, the proximal and distal end faces of which abut the proximal ring 10 or the distal ring 9 and whose cylinder diameter is smaller than that of the two rings 9, 10. Also the end part 7 or the connecting part 8 have smaller outer diameters than the rings 9, 10.
  • the distal sliding section 9a or the proximal sliding section 10a of the distal ring 9 or the proximal ring 10 define the outer surface of the piston 2 which is supported against the guide surface 5 of the cylinder 3, as can also be seen better in FIG. 4.
  • the front part 7 has in its piston crown 7a two blind holes 12 (well shown in FIG. 2) which are intended for the engagement of a clamping tool, not shown. However, it is possible to replace the blind holes 12 with other cutouts or profiles suitable for the engagement of clamping tools, or even to omit them entirely.
  • the end part 7 On the side facing the piston crown 7a, the end part 7 has a hollow cylindrical section 7b which is flanged to it and has an annular cross-section, the outer surface of which is provided with an external thread 7c.
  • the inside of the flanged hollow cylinder is formed on the inside proximally with a phase of 45 °.
  • the blind bores 12 are expediently arranged in the extension of the one-piece flange section 7b, in order to be able to transmit torques in the case of screw connections at low cost.
  • the end part 7 has, on the side of the disk facing away from the piston crown 7a, an annular groove 13 which is concentric with the disk and is suitable for receiving a sealing ring (not shown).
  • the end part 7 functioning as a piston cover is a one-piece part made of titanium. It is alternatively possible to design the front part 7 from aluminum or from ceramics, metallic materials having the advantage that they have high tensile strength and, moreover, the toothing can be easily produced using known means.
  • the connecting part 8 is advantageously made from the same material as the end part 7.
  • the connecting part 8 defines a piston base body which has an internal thread 8c adapted to the external thread 7c of the end part 7.
  • the threads 7c and 8c are cut in such a way that outside the thread pair 7c, 8c there are no contacts between the parts 7, 8, so that the thread pairing creates a positive and preferably also non-positive connection transition.
  • Connection piece 8 thus defines an axial annular gap 14 or a gap 15, the axial extent of the gap 15 being essentially the same as that of the gap 14 (cf. FIG. 1). It is also possible to provide only one of the two gaps 14, 15 and otherwise provide a contact between the two parts 8, 9 or even to eliminate both gaps 14 and 15. Especially with metallic materials, however, it is advantageous if the gaps 14, 15 as a space for expansion of the material due to thermal expansion or the like and as a game for tolerances of the other parts of the piston 3, as will be explained below, between the front part and Connection part 8 are clamped.
  • the connecting part 8 has a cylindrical basic shape, the proximal end of which protrudes circumferentially in the manner of a collar 16 over the circumference of the cylinder.
  • the forwardly facing annular surface 16a of the collar 16 serves as a stop for the proximal edge surface 10c of the proximal ring 10 when it overlaps the cylindrical peripheral wall 8d of the connecting part 8.
  • the connecting part 8 is constructed as a hollow cylinder, with the central bore 8d coaxial with the entire part being penetrated in the middle by two extension pieces 17a, 17b, the mutually facing surfaces 18a, 18b of the extension pieces 17a, 17b running essentially parallel to one another.
  • the extension pieces 17a, 17b are penetrated by a cylinder bore extending transversely to the main axis of the connecting part 8 in such a way that the surfaces 18a, 18b of the extension pieces 17a, 17b are penetrated essentially in the center normal to their surfaces 18a, 18b.
  • the bore 19 cut out of the extension pieces 17a, 17b and the connecting part 8, the axis 19a of which is shown in broken lines, forms a receptacle for a cylindrical piston pin 20 which is shown in FIGS. 4 and 5 is shown.
  • circumferential recesses 21a-21d are provided in pairs in the shaft extension 8a of the connecting part 8.
  • the punctures 21a to 21d serve to accommodate seals, preferably made of an elastomer material, which, because of their pretensioning, permit better centering of the ring parts seated on the shaft 8a.
  • the ring walls delimiting the slots are designed to be as long as possible and with the formation of corresponding labyrinth-like bends so as not to impair the sealing of the piston chamber.
  • the prestressing of the seal causes the ring components to be readjusted continuously.
  • the front part 7 is screwed to the connecting part 8 and the proximal ring 10, the spacer 11 and the distal ring 9 are thrown over the shaft section 8a in the order mentioned.
  • the parts 7 to 11 mentioned are axially clamped, the shaft section 8a of the connecting part 8 being connected to the inner bores 10b, 11b, 9b of the rings 10, 11, 9 essentially without play, so that the five components of the piston 3 are aligned coaxially with respect to the piston axis 3a.
  • the outer circumferential wall 11a of the spacer 11 jumps back a little in relation to the outer circumferential surfaces of the rings 9, 10, which are designed as a distal sliding section 9a and as a proximal sliding section 10a, so that it contacts the guide surface 5 of the cylinder 3 even when thermally induced Expansion does not come into contact.
  • the effective area of the sliding sections is kept small in order to reduce friction, and on the other hand, due to the spaced design of the two sliding sections 9a, 10a, increased tilting stability and guidance accuracy are achieved.
  • the axial extension of the spacer 11 is preferably approximately twice as large as that of the larger of the two rings 9, 10.
  • the spacer 11 As an alternative to the three-part construction with rings 9 and 10 and with spacer 11, it is possible to form these three parts in one piece, either the material of the one-piece part being the ring material or the material of the sliding sections, or in the area of the sliding sections on the one-piece part corresponding coatings are made.
  • the particular advantage of the separate configuration of the spacer 11 is twofold: on the one hand, through the suitable choice of material for the spacer 11 in adaptation to the thermal expansion and the dimensions of the rings 9, 10 on the one hand and of the front part 7, connecting part 8, on the other hand, a particularly advantageous one Corrective created under thermal stress, which makes it possible to reduce thermally induced stresses.
  • the spacer 11 - as can be seen particularly well on the left in FIG. 5 - frames the piston pin 20 at a maximum of two precise points, 14
  • the piston pin 20 is not only floating in its circumference through the bore 19, but also in its axial extent within the limitation by the spacer 11.
  • the piston pin 20 is made of steel, for example, and is advantageously hollow-drilled.
  • a connecting rod 22 articulated on the piston pin 20 is fixed by means of a needle bearing or bush 23, slide bearing or ball bearing, which is not shown in the drawing, and accordingly the stroke of the piston 3 in the cylinder 2 is extremely precise.
  • the connecting rod 22 is shown schematically in FIGS. 4 and 5.
  • the assembly of the piston 2 with the articulated connecting rod 22 now takes place in that the piston pin 20 is first inserted through the bore 19 into the connecting part 8, through the bore 8d of which a connecting rod end 22 with the connecting rod eye has been inserted.
  • the piston pin 20, which extends through the connecting rod eye is preferably made to measure or even as a press fit, so that, depending on the design, the piston pin 20 is connected in a rotationally fixed manner to the connecting rod end 22 and / or to the connecting piece 8. Then the proximal ring 10, then the spacer 11 and finally the distal ring 9 are then thrown over the shaft piece 8a of the connecting piece 8 with the articulated connecting rod 22, the spacer 11 completely closing the bore 19 with the inserted piston pin 20.
  • the front part 7 is then screwed onto the connection part 8 in the manner of a cover, the fixing or the force transmission to the connection part 8 in the direction of rotation, e.g. can be carried out with the aid of the connecting rod and the fixing or power transmission to the end part 7 with a clamping tool, not shown, by means of the blind holes 12.
  • the finished piston 2 can then be inserted into the cylinder 3 to form the piston-cylinder arrangement 1 according to the invention.
  • a particular advantage of the piston-cylinder arrangement 1 according to the invention is that the modularly constructed piston 2 is in the simplest way to the media that are to be conveyed with the piston-cylinder arrangement 1 or to the material of the guide surfaces 5 of the cylinder 3 can be adjusted.
  • the series lengths can be increased and the manufacturing costs can be advantageously reduced. Installation is extremely simple and easy to maintain. 15
  • the distal ring 9 of the piston 2 is circumferentially formed on its distal surface with a projection 9c which completely surrounds the peripheral surface of the disk of the end part 7, as a result of which the clearance of the piston-cylinder arrangement is created 1 is not enlarged unnecessarily.
  • the disk of the end part 7 it is alternatively possible to design the disk of the end part 7 to be somewhat larger in diameter, although this may not be larger or equal to the diameter of the ring 9.
  • a particular advantage of the construction of the piston 2 according to the invention is that the piston head is essentially influenced by the material selection of the end part 7, so that materials susceptible to oxidation for the ring may only have to be treated or coated along a small area.
  • the piston 2 according to the invention is also particularly suitable for internal combustion engines.
  • FIGS. 6 and 7 A further exemplary embodiment of a piston-cylinder arrangement according to the invention is described with reference to FIGS. 6 and 7. Parts that are comparable in the previous exemplary embodiment are denoted by the same reference symbols.
  • the piston-cylinder arrangement V in turn consists of a cylinder 3 and a piston 2, the cylinder 3 being unchanged from the exemplary embodiment in FIGS. 1 to 5 and therefore having the same reference numerals.
  • the piston 2 in turn has an end part 7 and a connecting part 8 which axially penetrate the sections of the piston on which the cylindrical and circumferential sliding sections 9a, 10a are arranged.
  • the structure of the end part 7 or the connecting part 8 is essentially the same as in the previous embodiment, which is why the same reference numerals designate the same parts and a more detailed description can be omitted.
  • a bore 19 is provided for receiving a piston pin 20, which is inserted essentially coaxially to the axis 19a of the bore 19.
  • grooves or recesses 21 can be provided as in the previous exemplary embodiment, but these are not provided in the present embodiment. It is also possible to provide blind holes in the manner of blind holes 12 in the previous exemplary embodiment in order to screw the end part 7 with its external thread 7c to the internal thread 8c of the connecting part 8 in order to produce an axial tension.
  • the connecting part 8 also has a collar 16, the inward shoulder 16a of which tension together with the corresponding counterpart of the end part 7th 16
  • the piston crown 7a and the connecting part 8 are made, for example, from the same materials as in the previous exemplary embodiment, and the sleeve 23 can also be made from the same material as the distal ring 9 and the proximal ring 10 in the previous example.
  • the sleeve 23 has a distal one Sliding section 9a and a proximal sliding section 10a, which also have a ring cross section and which are circumferentially designed to come into sliding contact with the guide surface 5 of the cylinder 3.
  • a spacer ring 24 is formed in one piece with the two rings which carry the sliding sections 9a, 10a.
  • the sliding sections 9a, 10a are separated from a spacer section 11a of the spacer ring 24 by a step in the outer surface, which is provided with reference number 25 and is circumferential. This ensures that the contact is made only by the sliding sections 9a, 10a with the guide surface 5 of the cylinder 3, whereby the cylindricity and the coaxiality of the two ring surfaces to one another is better than with multi-part sleeves. It is also possible to enlarge the sealing and guide sections, which improves the service life and increases the tightness. Finally, the number of contacting interfaces is reduced from 8 to 4, so the manufacturing tolerances have less negative effects on smoothness, temperature increases and reliability.
  • each of the two sliding sections 9a, 10a is located exclusively on the one hand and on the other hand the axis 19a of the bore 19 for the piston pin 20, so that the forces and moments transmitted via the connecting rod 22, which is not shown here, are uniform provided on both sides of the axis 19a 17
  • the mesophase graphite consists of a binder-free carbon, a so-called mesophase.
  • the raw material on which the mesophase graphite is based can preferably be obtained from coal and petroleum residues in pitches which remain, for example, as an intermediate product in the liquid phase pyrolysis of hydrocarbons. It consists essentially of polyaromatics.
  • the polyaromatics can be formed by carbonization and graphitization into mesophase spherulites, which represent the grains of a phase of the material (grain size between 0.1 and 10 ⁇ m).
  • mesophase spherulites are binder-free and are therefore far superior to common graphite types such as pressed or electrographite in their field properties, particularly in their bending compressive strength.
  • bending strengths of over 150 MPa can be achieved.
  • the manufacture of the rings 9, 10 can advantageously - starting from spherulites - by injection molding as a so-called near-net 18th
  • shape components take place, with a sintering step following a shaping step which also permits complicated geometries.
  • the component manufactured in this way here a ring, consists of an isotropic material.
  • corresponding counter-forms in particular bushes and / or mandrels, are used for the shaping.
  • Subsequent machining can then be carried out to achieve preferred surface properties or predetermined dimensional accuracy, for example by grinding, grooving, lapping. Due to the favorable strength properties of the rings, subsequent surface treatment is generally not necessary.
  • open or closed porosities between 0.05 and 30% can be achieved.
  • the guide surface 6 in the cylinder 3 consists of a coating of polycrystalline diamond (PCD).
  • PCD polycrystalline diamond
  • DLC - Diamond like Carbon diamond-like carbon coatings
  • metal-containing hydrocarbon Mo: CH
  • amorphous hydrocarbon a: CH
  • tetragonally coordinated carbon a: C
  • piston-cylinder arrangement 1 is thus advantageously suitable as a dry runner.
  • Another advantage of the piston-cylinder arrangement 1 according to the invention is that piston rings, which are always difficult to assemble due to their slotted design, can be dispensed with.
  • the rings out of the mesographite after the primary shaping step e.g. to grind with a diamond-coated grinding wheel.
  • This grinding step is expediently effected, however, by the rings in the cylinder 3 being displaced back and forth against the diamond coating, as a result of which no mechanical removal takes place after a running-in phase and a particularly tight piston-cylinder unit is created.
  • the counter forms of the rings are also diamond coated.
  • a one-piece part comprising the two rings 9, 10 and a spacer 24 can also be produced in the manner described. It also goes without saying that, in the same way described, only the distal or the proximal sliding sections can be applied to a substrate ring, for example made of ceramic or another material, for example to a continuous ring of the thickness of the spacer 11. It also goes without saying that the freedom left for the selection of the suitable material combination is available for the optimization with regard to the intended use (medium).
  • proximal components 8, 10 and the distal components 7, 9 can each be formed in pairs as one-piece components in a piston according to the invention, and then preferably in the manner described above. 20th
  • the piston-cylinder arrangement according to the invention is advantageously used as a reciprocating piston machine, compressor, internal combustion engine or the like.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Führungsanordnung, insbesondere Kolben-Zylinder-Anordnung, umfassend einen Zylinder (3), entlang dessen als Kolbenführungsfläche (6) ausgebildeter innerer Bohrung (5) ein Gleitabschnitt eines Kolbens (2) axial verlagerbar ist, und einen Kolben (2), an dem ein Pleuel mittels eines Bolzens anlenkbar ist, wobei wenigstens zwei den Kolben (2) radial begrenzende, zylindrische und umlaufende Gleitabschnitte (9a, 10a) zur Abstützung gegen die Führungsfläche (6) des Zylinders (3), die lösbar durch zwei Teile (7, 8) des Kolbens (2), von denen wenigstens eines einen zentralen Durchbruch der Gleitabschnitte (9a, 10a) durchsetzt, auf dem Kolben (2) angeordnet sind. Die Kräfte und Momente werden gleichmässig auf wenigstens zwei Gleitabschnitte dadurch verteilt, dass in axialer Erstreckung des Kolbens (2), die Gleitabschnitte ausserhalb der Achse des Bolzens angeordnet sind und mindestens einer (9a) der wenigstens zwei Gleitabschnitte (9a, 10a) vollständig einerseits und mindestens ein anderer (10a) der wenigstens zwei Gleitabschnitte (9a, 10a) vollständig andererseits der Achse des Bolzens (20) angeordnet ist, dass die Gleitabschnitte (9a, 10a) in einem festen gegenseitigen axialen Abstand (11) zueinander festgelegt sind, und dass die Kraftübertragung von dem Bolzen auf die Gleitabschnitte (9a, 10a) ausschliesslich mittelbar über die zentralen Teile (7, 8) des Kolbens (2) vorgesehen ist. Ferner wird eine günstige tribologische Paarung dadurch erzielt, dass das eine Material der Paarung Gleitabschnitt (9a, 10a) - Führungsfläche (6) aus der Gruppe umfassend polykristalliner Diamant, amorpher Kohlenwasserstoff, tetragonal koordinierter Kohlenstoff und metallhaltiger Kohlenwasserstoff ausgewählt ist, und das andere Material der Paarung aus der Gruppe umfassend mesophasiger Graphit und Ultrafeinkorn-Graphit ausgewählt ist.

Description

TITEL DER ERFINDUNG Kolben-Zylinder-Anordnung
BESCHREIBUNG
TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft eine Kolben-Zylinder-Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , umfassend einen Zylinder, entlang dessen als Kolbenführungsfläche ausgebildeter innerer Bohrung ein Gleitabschnitt eines Kolbens axial verlagerbar ist, und einen Kolben, an dem ein Pleuel mittels eines Bolzens anlenkbar ist, wobei wenigstens zwei den Kolben radial begrenzende, zylindrische und umlaufende Gleitabschnitte zur Abstützung gegen die Führungsfläche des Zylinders, die lösbar durch zwei Teile des Kolbens, von denen wenigstens eines einen zentralen Durchbruch der Gleitabschnitte durchsetzt, auf dem Kolben angeordnet sind.
Die Erfindung betrifft ferner eine Führungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 16, umfassend ein erstes Teil und ein zweites Teil, entlang dessen als Führungsfläche ausgebildeter, dem ersten Teil zugewandten Oberfläche ein Gleitabschnitt des ersten Teils verlagerbar ist.
STAND DER TECHNIK DE-A-29 12 786 zeigt einen Kolben für Brennkraftmaschinen sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kolbens, der aus durch Pyrolyse hergestellten Kohlenstoff gebildet ist. Der Kohlenstoff wird zur Erlangung einer ausreichenden Stabilität von einer Vielzahl von Kohlen- stoffasern durchsetzt, die auf diese Weise eine Matrix für die Gesamtheit des Kolbens bilden. Die Herstellung des bekannten Kolbens durch Pyrolyse ist aufwendig, denn Schrumpfungsprozesse bei der Herstellung müssen bei der Dimensionierung der Rohkolben (Rohling) Berücksichtigung finden. Ferner sind die für die Stabilität und Festigkeit unverzichtbaren Kohlenstoffasern derart in komplizierter Weise zu verlegen, daß Durchbrechungen wie Bohrungen und dergleichen, die durch nachfolgende spanende Fertigung in den Kolben vorgesehen sind, die Kohlenstoffasermatrix nicht verletzen, da dies eine dramatische Einbuße an Festigkeit bedeutet. Der bekannte Kolben ist auf der verbrennungsseitigen Stirnseite mit einer Schutzschicht aus Siliziumcarbid versehen, die durch Plasmaauftrag in aufwendiger Weise gefertigt werden muß. Diese Werkstoffpaarung ist fertigungstechnisch problematisch und insbesondere im Hinblick auf die Lauffläche des Zylinders aufgrund der Härteunterschiede von SiC und Kohlenstoff unzweckmäßig, da der Kolben Gleitoberflächen unterschiedlicher Härte aufweist, wodurch ein unerwünschter Verschleiß in den Gleitflächen erzeugt wird. Der in dem Kolben zum Anlenken eines Pleuels angeordneter Kolbenbolzen ist ebenfalls aus Kohlenstoff ausgebildet, wobei dieser Werkstoff für die bei der Anlenkung von Pleueien auftretenden Zugbelastungen - anders als bei Druckbelastungen- nur gering belastbar ist. Ferner ist eine aufwendige Fertigung des Kolbenbolzens durch Pyrolyse erforderlich, um Spiel in der entsprechenden Querbohrung des Kolbens zu unterbinden, da eine Spielbehaftung des Kolbenbolzens zu einer unerwünschten Berührung von Lauffläche des Zylinders und Kolbenbolzen führen kann. Die Fertigung von Sacklochbohrungen für den Kolbenbolzen ist aber technisch aufwendig und ermöglicht nicht ohne weiteres das Einsetzen und örtliche Fixieren von Kolbenbolzen.
DE-A-30 01 921 zeigt einen Kolben, der dem vorerwähnten bekannten Kolben entspricht und der mit Hilfe einer negativ nachgearbeiteten Form hergestellt wird. Auch dieser Kolben weist eine vollständig zylindrische Außenwand auf, die eine Kolbenbolzenbohrung senkrecht zu der Hauptachse des Kolbens zur Fixierung des Kolbenbolzens aufweist auf und ist im Bereich des Kolbenbodens mit drei Kolbenringnuten zur Aufnahme von Kolbenringen ausgebildet.
US-A-2,792,265 beschreibt eine Kolben-Zylinder-Anordnung, die in Kompressoren und Pumpen eingesetzt wird und bei der die beiden auf dem Kern angeordneten Graphitelemente, die an ihren radialen Außenflächen die Gleitflächen definieren, lösbar angeordnet sind. Der Kern ist hierzu zweiteilig ausgebildet, welche beiden Teile durch eine Schraube gegenseitig verspannt werden. Die beiden Graphitelemente umgreifen radial zylindrische Abschnitte des Kerns mit unterschiedlichem Außendurchmesser, so daß auch der Innendurchmesser der beiden Graphitelemente unterschiedlich ist. Die Schultern in dem Kern legen die Graphitelemente jedoch nicht axial fest, vielmehr sind hierzu Federelemente vorgesehen, die aufgrund ihrer Eigenspannung ein axiales Verrutschen verhindern, solange die Schmierung im Zylinder das Auftreten von höheren Kräften aufgrund von Relativbewegungen verhindert. Der bekannte Aufbau eignet sich mithin nicht für solche Kolben-Zylinder- Anordnungen, die wie in der Erfindung vorgesehen schmiermittelfrei laufen, beispielsweise für Luftkompressoren. Darüberhinaus bewirkt die Entkoppelung der beiden Ringe durch eine Feder auch ein radiales Spiel, das bei 3
demontierbaren Kolben unerwünscht ist. Des weiteren ist der Kolbenbolzen 2 exzentrisch angeordnet, so daß Zug- und Druckbewegungen ungleichförmig auf die Gleitabschnitte übertragen werden. Dies hat ein nachteiliges Kippmoment des Kolbens im Zylinder beim Rückhub zur Folge, durch das der proximale Gleitabschnitt gegenüber dem distalen Gleitabschnitt schneller verschleißt, wodurch Dichtigkeitsprobleme und damit ein unruhiger Lauf folgen können.
DE-C-41 22 090 zeigt einen Graphitkolben für eine Brennkraftmaschine aus einem bindemittelfreien Kohlenstoff (Mesophase), dessen Kolbenboden mit einer Schutzschicht aus Verbrennungsrückständen überzogen ist. Der bekannte Kolben weist mehrere ringartige Rücksprünge auf, derart, daß lediglich schmale Stege umfangsmäßig in Anlage gegen die Führungsfläche eines Zylinders gelangen. Dieser Graphitkolben ist nur für eine geringe Anzahl von Materialien bzw. Beschichtungen der Zylinderinnenseite geeignet. Ferner muß der Kolbenboden bei Anwendungen ohne Verbrennung dennoch auf aufwendige Weise mit einer Schutzschicht überzogen werden. Schließlich beeinträchtigen die schmalen Stege die Kippstabilität des Kolbens im Zylinder.
US-A-1 ,467,255 zeigt den Einsatz von Kolben aus amorphem "monolithischem" Kohlenstoffgraphit, dessen Bodenfläche sowie angrenzende Umfangsflächen gegen Oxidation durch elektrolytischen Auftrag einer dünnen Metallschicht abgeschottet sind. Ferner kann der Kohlenstoffgraphit durch Einbringen von geschmolzenem Metall in das poröse Gefüge verfestigt werden. Die Herstellung eines solchen Kolbens ist aufwendig, teuer und nicht geeignet für moderne Hochleistungs-Kolben-Zylinder-Anordnungen. Ferner wird vorgeschlagen, den Bereich der Anlenkung des Pleuels am Kolbenbolzen mit einer metallischen Hülse derart zu umgeben, daß die Innenfläche des Kolbens vom Pleuel abgeschirmt ist, nicht jedoch der Kolbenbolzen. Diese Konstruktion erfordert eine aufwendige Schmierung und ist darüber hinaus fertigungstechnisch schwer herstellbar. Außerdem muß zur Anpassung an eine Zylinderlauffläche ein Großteil des Kolbens ausgewechselt werden, um die Anlenkung an das Pleuel für einen anderen Kolbenwerkstoff in Anpassung an die Zylindergleitflächen nutzen zu können.
EP-B-0 258 330 zeigt eine Kolben-Zylinder-Anordnung eines Kolbenmotors mit einem Kolben aus Kohlenstoff, der wenigstens einen Kolbenring aufweist, der radial über die Umfangsfläche des Kolbens vorsteht. Der Kolbenring ist mehrteilig ausgebildet, wobei ein Spreizelement, das sich mit einer Druckfeder gegen die Innenwandlung der Kolbenringnut abstützt, zwei im wesentlichen halbkreisförmige Kolbenhalbringe in Richtung auf die Lauffläche vorspannt. Die Herstellung derartiger Druckfedern ist aufwendig und im Einsatz anfällig für Defekte. Ferner stößt das der Feder abgewandte Ende des Spreizelementes oder aber die gegen dessen konische Fläche stoßende Stirnseite des Kolbenhalbriπges gegen die Lauffläche des umgebenden Zylinders bzw. einer Laufbüchse des Zylinders, so daß sich eine punktuelle, durch die axiale Verlagerung des Kolbens zu einer Linie verlängernde mechanische Belastung der Lauffläche ergibt, die zur Rillenbildung und erhöhtem Verschleiß der Lauffläche oder des Kolbenrings, letztlich sogar zur Undichtigkeit führt. Des weiteren ist der zum Einsatz vorgeschlagene Kohlenstoff von geringer Festigkeit, weshalb eine Verstärkung mit Kohlenstoffasern oder die Verwendung von Additiven zur Bildung eines modifizierten Kohlenstoffes vorgeschlagen wird. Zwar läßt sich die Festigkeit und die Biegefestigkeit von Kohlenstoff durch das Einbringen von Oxyd-, Carbid-, Nitrit-Keramik- Einlagerungen gemäß der bekannten Korrelation von Gefüge und Feldeigenschaften erhöhen, jedoch setzt dies fertigungstechnisch aufwendige Dotierungsvorgänge voraus, die noch nicht vollständig beherrscht werden und daher bei Formteilen zu einer inakzeptabel hohen Ausschußquote führen. Auch im Hinblick auf die Unterdrückung von unerwünschten Reaktionen, z.B. die Bildung von Eutektika bei überraschender Druck- und/oder Temperaturbeanspruchung, sind derartige Werkstoffe aus mehreren Phasen unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung, insbesondere im Hinblick auf das Material der Lauffläche des Zylinders, unzweckmäßig. Die unterschiedlichen Härten der zum Einsatz gelangenden Phasen sowie die Beanspruchung durch Biegemomente führen ferner zu einer Reliefbildung der aktiven Oberfläche des Kolbens, insbesondere dann, wenn die Lauffläche des Zylinders nicht die selbe ist wie die Arbeitsfläche des Kolbens. Bei Verbrennungsmotoren ist die Beaufschlagungsfläche des bekannten Kolbens in separater Weise zu vergüten, wodurch die Kosten der Herstellung unvorteilhaft erhöht werden. Schließlich ist die Qualitätsprüfung der bekannten Kolben nur zerstörend möglich, d.h. selbst bei kleinsten Fehlern in sonst nicht beanspruchungsintensiven Zonen des Kolbens wird der gesamte Kolben zerstört.
DE-A-34 06 479 zeigt einen mehrteiligen Kolben, dessen Bestandteile aus faserverstärktem Kohlenstoff bestehen. Der bekannte Kolben weist einen ersten Kolbenteil auf, der im wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet ist und der sich über die gesamte Kolbenlänge erstreckt und umfangsmäßig eine einzige Gleitfläche definiert. Das zweite Kolbenteil ist ein Steckteil, das in das erste Kolbenteil eingefügt wird, wobei die beiden Kolbenteile zur Bildung eines Formschlusses ausgebildet sind und durch eine konzentrische Kolbenbolzenbohrung, durch die ein Kolbenbolzen einsteckbar ist, gegenseitig gehalten werden. Wegen der großen Gleitfläche sind die Kräfte für den Kolben hoch und die Verschleißanfälligkeit des bekannten Kolbens bedeutend.
DE-A-30 40 125 zeigt einen mehrteiligen Kolben für Hubkolbenmaschinen, der teilweise aus faserverstärktem Kunststoff gebildet ist und der als separat gefertigte Bestandteile einen Kolbenboden, einen Kolbenschaft und Kolbenbolzenaugen umfaßt.
DE-A-44 37 558 zeigt ein Verfahren zum Herstellen eines hochfesten isotropen Graphits, dessen Biegefestigkeit die Verwendung für Kolben in Ottomotoren zuläßt.
Bei den in der Praxis eingesetzten Kolben-Zylinder-Anordnungen mit einer Graphitkomponente, insbesondere Elektrographit, bei denen auf Schmierstoffe verzichtet wird, wird die sogenannte Selbstschmierung im wesentlichen damit "erkauft", daß der Graphit aufgrund seiner sogenannten inthnsischen Schmierungseigenschaften schnell verschleißt. Dies wird durch ungeeignete Kolbenführungsflächen und Oberflächenbehandlungen, z.B. wenn der Graphit durch Verbrennungsrückstände überzogen wird, die aufgrund des Verschleißes immer wieder aufbrechen, noch verstärkt. Besonders ungünstig sind z.B. Zylinder aus Materialien, in denen Kohlenstoff unterstöchiometrisch gelöst ist, also auch für die im Kraftfahrzeugbau typischerweise verwendeten Zylinder aus Stahl.
Ein weiterer Nachteil des Einsatzes konventioneller Graphitsorten besteht darin, daß die Bereitstellung des Graphits aufwendig ist. So müssen die Rohlinge für längere Zeitdauer auf Temperaturen von ca. 2000°C gehalten werden. Die Endbearbeitung erfordert eine spanabhebende Bearbeitung quasi aller Flächen, mit der Folge hoher Materialverluste durch den Abtrag sowie der beschränkten Anzahl zur Verfügung stehender Gestalten, die mit dem Material Graphit spanabhebend technisch und wirtschaftlich gefertigt werden können.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Kolben-Zylinder-Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, die Kräfte und Momente gleichmäßig auf mindestens zwei Gleitabschnitte verteilt und so einen ruhigen Lauf gewährleistet.
Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Kolben-Zylinder- Anordnung erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß, in axialer Erstreckung des Kolbens, die Gleitabschnitte außerhalb der Achse des Bolzens angeordnet sind und mindestens einer der wenigstens zwei Gleitabschnitte vollständig einerseits und mindestens ein anderer der wenigstens zwei Gleitabschnitte vollständig andererseits der Achse des Bolzens angeordnet ist, daß die Gleitabschnitte in einem festen gegenseitigen axialen Abstand zueinander festgelegt sind, und daß die Kraftübertragung von dem Bolzen auf die Gleitabschnitte ausschließlich mittelbar über die zentralen Teile des Kolbens vorgesehen ist.
Es ist ferner die Aufgabe der Erfindung, eine Führungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 16 zu schaffen, die ein besonders günstiges Zusammenarbeiten der beiden Teile schafft, insbesondere eine günstige tribologische Paarung angibt.
Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Führungsanordnung erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 16 dadurch gelöst, daß das eine Material der Paarung Gleitabschnitt-Führungsfläche aus der Gruppe umfassend polykristalliner Diamant, amorpher Kohlenwasserstoff, tetragonal koordinierter Kohlenstoff und metallhaltiger Kohlenwasserstoff ausgewählt ist, und daß das andere Material der Paarung aus der Gruppe umfassend mesophasiger Graphit und Ultrafeinkorn-Graphit ausgewählt ist.
Die erfindungsgemäße Kolben-Zylinder-Anordnung schafft einen Kolben, der sich mit seinen Gleitabschnitten, die vorzugsweise als geschlossene Ringe ausgebildet sind, gegen die Führungsfläche des Zylinders abstützt. Die beiden Ringbereiche sind im Abstand zueinander angeordnet, wobei der Abstand zwischen den Ringbereichen vorzugsweise wenigstens die Hälfte der axialen Erstreckung des schmaleren der beiden Ringabschnitte ausmacht und vorteilhafterweise das doppelte des in axialer Erstreckung größeren der beiden Ringe ausmacht. Die beiden ringförmigen Gleitabschnitte verhindern ein Verkanten des Kolbens in der Führungsfläche des Zylinders, wodurch die Leichtläufigkeit der Kolben-Zylinder-Anordnung verbessert und die Geräuschentwicklung beim Laufen herabgedämpft wird. Zugleich erfolgt eine günstige Abdichtung des Zylinders gegen den Kolben. 7
Die beiden Gleitabschnitte können wahlweise einstückig miteinander verbunden sein, indem der Abstand zwischen den Gleitabschnitten durch einen Einstich in der Umfangswand des Rings oder einer Einschnürung bei Urformen der Formgebung vorgesehen wird.
Es ist alternativ möglich, daß die Gleitabschnitte an jeweils zwei verschiedenen Ringen vorgesehen sind, die den selben Außendurchmesser aufweisen und die durch ein separates oder in der axialen Fortsetzung wenigstens des einen Ringes angeordnetes Abstandsstück in einem vorbestimmten Abstand gegenseitig gehalten sind. Es ist möglich, die Ringe auch geschlitzt oder auch mehrteilig, z.B. aus zwei oder drei Ringsegmenten, die im Zusammenbau den Ring bilden, auszubilden, wobei die Kolbenteile auch diese Ringteile durch axiales Einspannen fixieren, so daß der Einbau in einen Zylinder ohne Probleme ermöglicht ist.
Zweckmäßigerweise handelt es sich bei dem Material der die Gleitabschnitte definierenden Ringe um ein Material hoher Biegefestigkeit, beispielsweise von mehr als 95 N/mm2 und insbesondere von mehr als 120 N/mm2, am besten sogar von mehr als 140 N/mm2, die ferner in hoher Oberflächengenauigkeit, beispielsweise durch Außenrundschleifen, auf das zugehörige Zylindermaß gefertigt worden sind. Es versteht sich, daß das Abstandsstück kostengünstigerweise bei weitem nicht mit der selben Maßhaltigkeit und Oberflächengüte gefertigt werden muß, weshalb vorteilhafterweise ein von den Ringen verschiedenes Stück mit einem geringerem Außendurchmesser vorgesehen ist. Dieses Abstandsstück kann für eine modulare Kolbenfertigung stets aus dem selben Material hergestellt sein, während die die Gleitabschnitte aufweisenden Ringe aus einem in Anpassung an die Führungsfläche des Zylinders bzw. dessen Material ausgewählten Werkstoff vorgesehen werden. Hierdurch ist der Kolben wesentlich vielseitiger einsetzbar als ein einstückig hergestellter Kolben.
Die beiden die Gleitabschnitte aufweisenden Ringe und das Abstandsstück weisen vorzugsweise denselben Innendurchmesser auf, so daß sie aufeinander gesteckt auf einen Schaft mit dem entsprechenden Außendurchmesser axial verschieblich montierbar sind. Vorzugsweise liegen die die Gleitabschnitte aufweisenden Ringe im wesentlichen im Bereich der axialen Enden des Kolbens, wodurch eine gute Führung des Kolbens im Zylinder erreicht wird.
Der Ringdurchbruch der Gleitabschnitte wird von wenigstens einem Kolbenteil in wenigstens einem Bereich der axialen Erstreckung durch- 8
setzt, wobei dieses Kolbenteil ferner einen Aufnahmeraum für einen Kolbenbolzen aufweist sowie einen Schwenkraum für ein um den Kolbenbolzen angelenktes Pleuel. Das zweite Kolbenteil, das mit dem ersten Kolbenteil verbindbar ist, stellt eine stirnseitige Begrenzung des Kolbens dar. Vorzugsweise ist die Verbindung lösbar, beispielsweise in der Art eines Bajonettverschlusses oder einer Verschraubung. Hierdurch ist die Kolben-Zylinder- Anordnung besonders reparaturfreundlich, indem das Auswechseln von Gleitabschnitten ermöglicht ist. Für die Serienfertigung werden die Kolbenteile vorzugsweise durch Stecken oder mittels Preßpassung verbunden, so daß schnelle Fertigungszeiten erzielt werden.
Eine besonders leistungsfähige Kolben-Zylinder-Anordnung wird dadurch erzielt, daß erfindungsgemäß das eine Material der Paarung Gleitabschnitt-Führungsfläche aus der Gruppe, umfassend polykristalliner Diamant, amorpher Kohlenwasserstoff, tetragonal koordinierter Kohlensoff und metallhaltiger Kohlenwasserstoff, ausgewählt ist, und daß das andere Material der Paarung aus mesophasigem Graphit oder aus Ultrafeinkorn Graphit ausgebildet ist. Ultrafeinkorngraphit wird beispielsweise von der Firma POCO im Markst geliefert. Diese Paarung ist von äußerst günstiger tribologischer Leistungsfähigkeit, und ermöglicht einen trockenen, als schmiermittelzugabe- freien, Betrieb der Kolben-Zylinder-Anordnung, der spätestens nach einer Einlaufzeit im Zylinder auch - bei entsprechendem tribologischem Belastungskollektiv - keinerlei Verschleiß des Graphits zeigt. Die Lebensdauer dieser Anordnung ist somit quasi unendlich, so daß sich ihr Einsatz an später nicht mehr ohne weiteres zugänglichen Orten, z.B. infolge radioaktiver, chemischer oder bakterieller Kontamination, anbietet. Aufgrund der für die Verarbeitung der Materialien zur Verfügung stehenden Verfahren ist es zweckmäßig, die Gleitabschnitte aus mesophasigem Graphit zu formen, vorzugsweise in einem near-net-shape (nahe der Endkontur) Urformschritt. An diesen Urformschritt schließt sich zweckmäßigerweise ein Schleifschritt an, dem aber vorteilhafterweise nur die Gleitabschnitte unterzogen werden müssen, während die anderen Kolbenpartien, die nicht in Eingriff mit der Kolbenführungsfläche des Zylinders gelangen, bereits fertiggestellt sind. Es ist möglich, diesen Schleifschritt auch in dem Zylinder auszuführen und somit die Härte des Materials der Kolbenführungsfläche neben der Abdichtung auch noch zur Oberflächenbearbeitung zu nutzen.
Die Biegebruchfestigkeit des mesophasigen Graphits übersteigt 120 N/mm2 und ermöglicht vorteilhaft die Schaffung eines einphasigen Materials. Das Problem des Ausbrechens von Verstärkungsfasern, das im Stand der Technik vor allem bei kurzen Fasern problematisch ist, stellt dann für die Fertigung der Formteile keine konstruktive Restriktion mehr dar.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Fig. 1 zeigt eine Längsschnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder-Anordnung, bei der Zylinder und Kolben auseinandergezogen dargestellt sind.
Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf den Kolben aus Fig. 1 aus Richtung des Pfeils II.
Fig. 3 zeigt den Kolben aus Fig. 1 in explodierter Längsschnittdarstellung.
Fig. 4 zeigt eine Längsschnittdarstellung der Kolben-Zylinder- Anordnung aus Fig. 1 in zusammengebautem Zustand mit Kolbenbolzen und Pleuel.
Fig. 5 zeigt eine Querschnittsdarstellung der Kolben-Zylinder- Anordnung aus Fig. 4 in entlang der axial versetzten Linie V-V.
Fig. 6 zeigt eine Längsschnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder-Anordnung, bei der Zylinder und Kolben auseinandergezogen dargestellt sind.
Fig. 7 zeigt den Kolben aus Fig. 6 in explodierter Längsschnittdarstellung.
BESTER WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG In Fig. 1 sind die Bestandteile einer Kolben-Zylinder-Anordnung 1 im Längsschnitt dargestellt, wobei der Kolben 2 aus dem Inneren des Zylinders 3 zur besseren Illustration getrennt ist. Die Kolben-Zylinder-Anordnung findet in einem Verdichter Verwendung.
Der Zylinder 3 ist ein Hohlzylinder z.B. aus Metall oder einer Keramik, dessen innere Bohrung 4 teilweise oder bevorzugt vollständig eine Kolbenführungsfläche 5 für die axiale Verlagerung des Kolbens 2 bildet. Die Kolbenführungsfläche bzw. der entsprechende Abschnitt des inneren Umfangs der Bohrung 4 des Zylinders wird mit dem Bezugszeichen 5 bezeichnet. Es 10
versteht sich, daß der Abschnitt, der als Führungsfläche 5 ausgebildet ist, im wesentlichen durch den Kolbenhub axial begrenzt ist.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist Bohrung 4 des Zylinders 3, wie weiter unten noch ausgeführt, mit einer harten Schicht 6 beschichtet, die die Führungsfläche 5 bildet. Diese Schicht ist wenige Zehntel Millimeter oder gar Mikrometer dick und ist daher nur als Linie angedeutet. Insbesondere harte Materialien kommen als aufgebrachte Schicht 6 in Betracht, also Carbide, Oxyde, Nitride sowie Diamantbeschichtungen sowie Verbindungen aus den vorstehend genannten Gruppen. Es ist vorteilhaft möglich, die Schicht aus demselben Material auszuwählen wie das Material des Zylinders 3 und das Härten der Schicht durch Infiltrieren von Fremdatomen, durch Bestrahlung, durch CVD- oder PVD-Verfahren, chemische oder elektrochemische Abscheidung oder durch andere geeignete Verfahren oder Mittel vorzusehen. Hierfür kann es zweckmäßig sein, die Bohrung 4 im Zylinder 3 zunächst sehr genau auf Maß vorzufertigen, beispielsweise durch Läppen oder Höhnen, und anschließend weiterzubearbeiten. Zweckmäßigerweise wird jedoch insbesondere im Falle keramischer Werkstoffe der Rohling für den Zylinder 3 nahe an der Endform gefertigt und unter Abdeckung der nicht zu beschichtenden oder vergütenden Bereiche zur Bildung der Schicht 6 in einem an die Herstellung anschließenden Verfahrensschritt zu Ende gefertigt. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, daß unter Einhaltung höchster Toleranzen, insbesondere hinsichtlich der Bohrung 4, kleine und mittlere Serien von Zylindern 3 hergestellt werden. Das vorstehend skizzierte Verfahren ermöglicht es aber ferner, die Gattung der Schicht 6 in dem separaten Verfahrensschritt auf die spezielle Verwendung, insbesondere auf ein zu förderndes Fluid und dessen chemische Eigenschaften und Reaktivität, abzustimmen, ohne daß hierdurch nennenswerte kostenmäßige Nachteile entstehen. Auch ist eine flexible Anpassung der Materialpaarung an den Kolben 2 gegeben.
Der Kolben 2 ist eine mehrteilig aufgebaute modulare Einheit, die insbesondere in Fig. 3 gut zu erkennen ist. Der Kolben 2 umfaßt ein Stirnteil 7 und ein Anschlußteil 8 aus Titan, die respektive den Kolbenboden 7a bzw. die Pleuelseite definieren. Es ist alternativ möglich, anstelle von Titan auch andere geeignete Werkstoffe, insbesondere Aluminium, Stahl oder auch insbesondere Graphit auszuwählen. Ferner umfaßt der Kolben 2 einen proximalen, geschlossenen Ring 9 und einen distalen, geschlossenen Ring 10, deren geschlossener zylindrischer Umfang jeweils einen Gleitabschnitt 9a bzw. 10a des Kolbens definiert. Zwischen den beiden Ringen 9 und 10 ist ein ebenfalls ringförmiges 1 1
Abstandshaltestück 11 mit hohlem zylindrischen Aufbau vorgesehen, dessen proximale und distale Stirnseiten an den proximalen Ring 10 bzw. an den distalen Ring 9 stoßen und dessen Zylinderdurchmesser geringer ist, als der der beiden Ringe 9, 10. Auch das Stirnteil 7 bzw. das Anschlußteil 8 weisen gegenüber den Ringen 9, 10 kleinere Außendurchmesser auf. Somit definieren der distale Gleitabschnitt 9a bzw. der proximale Gleitabschnitt 10a des distalen Rings 9 bzw. des proximalen Rings 10 die sich gegen die Führungsfläche 5 des Zylinders 3 abstützende Mantelfläche des Kolbens 2, wie auch in Fig. 4 besser zu sehen.
Das Stirnteil 7 weist in seinem Kolbenboden 7a zwei (in Fig. 2 gut dargestellte) Sacklochbohrungen 12 auf, die für den Eingriff eines nicht dargestellten Spannwerkzeugs bestimmt sind. Es ist aber möglich, die Sacklochbohrungen 12 durch andere, für den Eingriff von Spannwerkzeugen geeignete Aussparungen oder Profile zu ersetzen oder ggf. sogar ganz wegzulassen. Auf der dem Kolbenboden 7a angewandten Seite weist das Stirnteil 7 einen hierzu koaxialen angeflanschten Hohlzylinderabschnitt 7b mit ringförmigen Querschnitt auf, dessen Umfangsmantel außenseitig mit einem Außengewinde 7c versehen ist. Die Innenseite des angeflanschten Hohl- zylinders ist innenseitig proximal mit einer Phase von 45° ausgebildet. Zweckmäßigerweise sind die Sacklochbohrungen 12 in der Verlängerung der einstückig ausgebildeten Flanschpartie 7b angeordnet, um Drehmomente bei Verschraubungen günstig übertragen zu können. Nahe dem Umfang weist das Stirnteil 7 auf der dem Kolbenboden 7a abgewandten Seite der Scheibe eine zur Scheibe konzentrische Ringnut 13 auf, die zur Aufnahme eines nicht dargestellten Dichtrings geeignet ist. Das als Kolbendeckel funktionierende Stirnteil 7 ist ein einstückiges Teil aus Titan. Es ist alternativ möglich, das Stirnteil 7 aus Aluminium oder aus Keramiken zu gestalten, wobei metallische Werkstoffe den Vorzug haben, daß sie eine hohe Zugfestigkeit aufweisen und darüber hinaus die Verzahnung mit bekannten Mitteln leicht herstellbar ist.
Aus vorteilhafterweise demselben Material wie das Stirnteil 7 ist das Anschlußteil 8 hergestellt. Das Anschlußteil 8 definiert einen Kolbengrundkörper, das ein auf das Außengewinde 7c des Stirnteils 7 angepaßtes Innengewinde 8c aufweist. Die Gewinde 7c und 8c sind derart geschnitten, daß außerhalb des Gewindepaars 7c, 8c keine Berührungen zwischen den Teilen 7, 8 bestehen, so daß die Gewindepaarung einen formschlüssigen und vorzugsweise auch kraftschlüssigen Verbindungsübergang schafft. In der axialen Verlängerung des Flanschteils 7b bzw. in der axialen Verlängerung des 12
Anschlußstücks 8 werden somit ein axialer Ringspalt 14 bzw. ein Spalt 15 definiert, wobei die axiale Erstreckung des Spalts 15 im wesentlichen dieselbe ist wie die des Spalts 14 (vgl. Fig. 1 ). Es ist auch möglich, nur einen der beiden Spalte 14, 15 vorzusehen und im übrigen eine Berührung der beiden Teile 8, 9 vorzusehen oder aber sogar beide Spalte 14 und 15 zu eliminieren. Gerade bei metallischen Werkstoffen ist es jedoch vorteilhaft, wenn die Spalte 14, 15 als Ausweichraum für Ausdehnungen des Materials infolge thermischer Ausdehnung oder dergleichen sowie als Spiel für Toleranzen der anderen Teile des Kolbens 3, wie weiter unten noch erläutert werden wird, die zwischen Stirnteil und Anschlußteil 8 eingespannt werden.
Das Anschlußteil 8 weist eine zylindrische Grundform auf, deren proximales Ende umfangsmäßig in der Art eines Kragens 16 über den Umfang des Zylinders hinausragt. Die nach vorne weisende Ringfläche 16a des Kragens 16 dient als Anschlag für die proximale Randfläche 10c des proximalen Rings 10, wenn dieser die zylindrische Umfangswand 8d des Anschlußteils 8 übergreift.
Das Anschlußteil 8 ist hohlzylindrisch aufgebaut, wobei die zentrale mit dem gesamten Teil koaxiale Bohrung 8d in der Mitte von zwei Fortsatzstücken 17a, 17b durchsetzt wird, wobei die einander zugekehrten Oberflächen 18a, 18b der Fortsatzstücke 17a, 17b zueinander im wesentlichen parallel verlaufen. Die Fortsatzstücke 17a, 17b werden von einer quer zur Hauptachse des Anschlußteils 8 verlaufenden Zylinderbohrung derart durchsetzt, daß die Oberflächen 18a, 18b der Fortsatzstücke 17a, 17b im wesentlichen mittig normal zu deren Oberflächen 18a, 18b durchstoßen sind. Die aus den Fortsatzstücken 17a, 17b und dem Anschlußteil 8 herausgeschnittene Bohrung 19, deren Achse 19a strichpunktiert dargestellt ist, bildet eine Aufnahme für einen zylindrischen Kolbenbolzen 20, der in den Fign. 4 und 5 dargestellt ist.
Beiderseits der Bohrung 19 sind umlaufende Einstiche 21a - 21 d jeweils paarweise in der Schaftverlängerung 8a des Anschlußteils 8 vorgesehen. Die Einstiche 21a bis 21 d dienen zur Aufnahme von Dichtungen, vorzugsweise aus einem Elastomerwerkstoff, die aufgrund ihrer Vorspannung eine bessere Zentrierung der auf den Schaft 8a sitzenden Ringteile zulassen. Es ist aber auch möglich, die Einstiche 21a bis 21 d ganz oder teilweise fortzulassen. Hierdurch wird die Fertigung des Anschlußteils 8 vereinfacht. Wenn alternativ geschlitzte oder mehrteilige Ringe vorgesehen werden, sorgt diese Vorspannung für eine gleichmäßige Anlage an den Zylinder 3. In diesem 13
Fall sind die die Schlitze begrenzenden Ringwandungen möglichst lang und unter Ausbildung entsprechender labyrinthartiger Abwinkelungen ausgebildet, um die Abdichtung des Kolbenraums nicht zu beeinträchtigen. Die Vorspannung der Dichtung bewirkt ein kontinuierliches Nachstellen der Ringbestandteile.
Zur Herstellung des Kolbens wird das Stirnteil 7 mit dem Anschlußteil 8 verschraubt und der proximale Ring 10, das Abstandsstück 11 und der distale Ring 9 in der genannten Reihenfolge über den Schaftabschnitt 8a übergeworfen. Durch die Verschraubung mittels der Gewinde 7c, 8c werden die genannten Teile 7 bis 11 axial verspannt, wobei der Schaftabschnitt 8a des Anschlußteils 8 mit den Innenbohrungen 10b, 11 b, 9b der Ringe 10, 11 , 9 im wesentlichen spielfrei in Verbindung steht, so daß die fünf Bestandteile des Kolbens 3 koaxial ausgefluchtet sind mit Bezug auf die Kolbenachse 3a.
Die äußere Umfangswand 11a des Abstandstücks 11 springt gegenüber den Mantelumfangsflächen der Ringe 9, 10, die als distaler Gleitabschnitt 9a und als proximaler Gleitabschnitt 10a ausgebildet sind, etwas zurück, so daß es bei der Berührung mit der Führungsfläche 5 des Zylinders 3 selbst bei thermisch induzierter Ausdehnung nicht zur Berührung kommt. Dadurch wird zum einen die wirksame Fläche der Gleitabschnitte zwecks Reduzierung von Reibung gering gehalten, zum anderen jedoch aufgrund der beabstandeten Ausbildung der beiden Gleitabschnitte 9a, 10a eine erhöhte Kippstabilität und Führungsgenauigkeit herbeigeführt. Vorzugsweise ist die axiale Erstreckung des Abstandsstücks 11 etwa doppelt so groß wie die des größeren der beiden Ringe 9, 10.
Es ist alternativ zu der dreiteiligen Konstruktion mit Ring 9 und 10 sowie mit Abstandsstück 11 möglich, diese drei Teile einstückig auszubilden, wobei entweder das Material des einstückigen Teils das Ringmaterial bzw. das Material der Gleitabschnitte ist, oder aber indem im Bereich der Gleitabschnitte auf das einstückige Teil entsprechende Beschichtungen vorgenommen werden. Der besondere Vorteil der separaten Ausgestaltung des Abstandstück 11 ist ein doppelter: Zum einen kann durch die geeignete Materialauswahl des Abstandsstückes 11 in Anpassung an die thermische Ausdehnung und die Dimensionen der Ringe 9, 10 einerseits und von Stirnteil 7, Anschlußteil 8, andererseits ein besonders vorteilhaftes Korrektiv bei thermischer Beanspruchung geschaffen sein, das es ermöglicht, thermisch induzierte Spannungen herabzusetzen. Zum anderen faßt das Abstandsstück 11 - wie in Fig. 5 besonders gut auf der linken Seite zu sehen - den Kolbenbolzen 20 an maximal zwei genau Punkten ein, 14
wodurch der Kolbenbolzen 20 nicht nur in seinem Umfang durch die Bohrung 19, sondern auch in seiner axialen Erstreckung innerhalb der Begrenzung durch das Abstandsstück 11 schwimmend eigefaßt ist. Der Kolbenbolzen 20 besteht beispielsweise aus Stahl und ist vorteilhafterweise hohlgebohrt. Ein an den Kolbenbolzen 20 angelenktes Pleuel 22 wird vermittels einer zeichnerisch nicht näher dargestellten Nadellager bzw. -büchse 23, Gleitlager oder Kugellager fixiert und dementsprechend ist der Hubweg des Kolbens 3 im Zylinder 2 äußerst präzise. Das Pleuel 22 ist in den Figuren 4 und 5 schematisch dargestellt.
Der Zusammenbau des Kolbens 2 mit angelenktem Pleuel 22 erfolgt nun dadurch, daß zunächst der Kolbenbolzen 20 durch die Bohrung 19 in das Anschlußteil 8 eingesteckt wird, durch dessen Bohrung 8d ein Pleuelende 22 mit dem Pleuelauge eingeführt worden ist. Der Kolbenbolzen 20, der durch das Pleuelauge hindurch reicht, ist vorzugsweise auf Maß oder sogar als Preßpassung ausgebildet, so daß je nach Ausgestaltung der Kolbenbolzen 20 mit dem Pleuelende 22 und/oder mit dem Anschlußstück 8 drehfest verbunden ist. Über das Schaftstück 8a des Anschlußstücks 8 mit angelenktem Pleuel 22 werden sodann zunächst der proximale Ring 10, dann das Abstandsstück 11 und schließlich der distale Ring 9 übergeworfen, wobei das Abstandsstück 11 die Bohrung 19 mit eingeführtem Kolbenbolzen 20 vollständig verschließt. Anschließend wird das Stirnteil 7 in der Art eines Deckels auf das Anschlußteil 8 aufgeschraubt, wobei die Fixierung bzw. die Kraftübertragung auf das Anschlußteil 8 in Drehrichtung z.B. mit Hilfe des Pleuels erfolgen kann und die Fixierung bzw. Kraftübertragung auf das Stirnteil 7 mit einem nicht dargestellten Spannwerkzeug mittels der Sacklochbohrungen 12. Der fertige Kolben 2 kann dann in den Zylinder 3 zur Bildung der erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder-Anordnung 1 eingeführt werden.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder- Anordnung 1 besteht darin, daß der modular aufgebaute Kolben 2 auf einfachste Weise an die Medien, die mit der Kolben-Zylinder-Anordnung 1 gefördert werden sollen bzw. an das Material der Führungsflächen 5 des Zylinders 3 angepaßt werden kann. Hierzu ist es lediglich notwendig - anders als bei bekannten Kolben - den distalen Ring 9 und den proximalen Ring 10 aus einem anderen Material auszuwählen, während die übrigen Teile des Kolbens 3 standardgemäß aufgebaute Bauteile sind. Hierdurch können die Serienlängen vergrößert und die Herstellungskosten vorteilhaft herabgesetzt werden. Die Montage ist äußerst einfach und wartungsgerecht. 15
Wie in Fig. 1 und 3 zu sehen, ist der distale Ring 9 des Kolbens 2 an seiner distalen Fläche umfangsmäßig mit einem Vorsprung 9c ausgebildet, der die Umfangsfläche der Scheibe des Stirnteils 7 seitlich vollständig umgibt, wodurch der Schadraum der Kolben-Zylinder-Anordnung 1 nicht unnötig vergrößert wird. Es ist alternativ möglich, die Scheibe des Stirnteils 7 etwas größer im Durchmesser auszubilden, wobei diese jedoch nicht größer oder gleich dem Durchmesser des Rings 9 sein darf. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Aufbaus des Kolbens 2 besteht darin, daß der Kolbenboden im wesentlichen durch die Materialauswahl des Stirnteils 7 beeinflußt wird, so daß ggf. oxidationsanfällige Werkstoffe für den Ring lediglich entlang einer kleinen Fläche behandelt bzw. beschichtet werden müssen. Hierdurch eignet sich der erfindungsgemäße Kolben 2 auch insbesondere für Verbrennungsmaschinen.
Anhand von Fig. 6 und 7 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder-Anordnung beschrieben. Mit in dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel vergleichbare Teile werden dabei mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Die Kolben-Zylinder-Anordnung V besteht wiederum aus einem Zylinder 3 und einem Kolben 2, wobei der Zylinder 3 gegenüber dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 5 unverändert ist und daher dieselben Bezugszeichen aufweist. Der Kolben 2 weist wiederum ein Stirnteil 7 und ein Anschlußteil 8 auf, die Abschnitte des Kolbens, an denen die zylindrischen und umlaufenden Gleitabschnitte 9a, 10a angeordnet sind, axial durchsetzen. Der Aufbau des Stirnteils 7 bzw. des Anschlußteils 8 ist im wesentlichen derselbe wie bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel, weshalb dieselben Bezugszeichen dieselben Teile bezeichnen und eine ausführlichere Beschreibung entfallen kann. Insbesondere ist eine Bohrung 19 für die Aufnahme eines Kolbenbolzens 20 vorgesehen, wobei dieser im wesentlichen koaxial zur Achse 19a der Bohrung 19 eingesetzt ist. Ferner können Nuten oder Einstiche 21 wie in dem vorherigen Ausführungsbeispiel vorgesehen sein, jedoch sind diese bei der vorliegenden Ausführungsform nicht vorgesehen. Ebenso ist es möglich, Sacklochbohrungen in der Art der Sacklochbohrungen 12 des vorherigen Ausführungsbeispiels vorzusehen, um das Stirnteil 7 mit seinem Außengewinde 7c mit dem Innengewinde 8c des Anschlußteils 8 zur Herstellung einer axialen Spannung zu verschrauben. Auch das Anschlußteil 8 weist einen Kragen 16 auf, dessen einwärts gerichtete Schulter 16a die Spannung gemeinsam mit dem entsprechenden Gegenstück des Stirnteils 7 16
auf die aus Graphit gefertigte und mit Bezugszeichen 23 bezeichnete Hülse aufbringt.
Der Kolbenboden 7a und das Anschlußteil 8 sind beispielsweise aus denselben Materialien gefertigt wie in dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel, auch ebenso kann die Hülse 23 aus demselben Material gefertigt sein wie im vorherigen Beispiel der distale Ring 9 und der proximale Ring 10. Die Hülse 23 weist einen distalen Gleitabschnitt 9a und einen proximalen Gleitabschnitt 10a auf, welche ebenfalls einen Ringquerschnitt aufweisen und welche umlaufend dazu bestimmt sind, mit der Führungsfläche 5 des Zylinders 3 in Gleitkontakt zu gelangen. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 5 ist anstelle eines Abstandsstückes 11 , das die beiden Ringe 9, 10 trennt, ein Distanzring 24 einstückig mit den beiden die Gleitabschnitte 9a, 10a tragenden Ringen ausgebildet. Hierdurch ist einerseits der Zusammenbau des Kolbens 2 einfacher, da nicht mehr drei Stücke, sondern nur ein einziges Stück auf die Teile 7, 8 aufzustülpen ist. Zudem ergeben sich keine Maßhaltigkeitsprobleme im Hinblick auf die unterschiedliche Ausdehnung der inneren Bohrung der Hülse 23, deren Abschnitte mit den Bezugszeichen 9b, 10b, 11 b bezeichnet sind, da diese sich gleichmäßig ausdehnen. Es ist mithin einfacher, das etwas längere Hülsenstück 23 in einem Arbeitsgang endzubearbeiten.
Die Gleitabschnitte 9a, 10a sind von einem Distanzabschnitt 11a des Distanzringes 24 über eine Abstufung in der äußeren Fläche getrennt, welche mit Bezugszeichen 25 versehen ist und umlaufend ausgebildet ist. Damit ist sichergestellt, daß der Berührungskontakt nur durch die Gleitabschnitte 9a, 10a mit der Führungsfläche 5 des Zylinders 3 erfolgt, wodurch die Zylindrizität und die Koaxialität der beiden Ringflächen zueinander besser ist als bei mehrteiligen Hülsen. Zudem ist es möglich, die Dicht- und Führungsabschnitte zu vergrößern, wodurch die Lebensdauer verbessert wird und die Dichtheit erhöht wird. Schließlich wird die Anzahl der sich berührenden Zwischenflächen von 8 auf 4 verringert, somit wirken sich die Fertigungstoleranzen weniger negativ auf Laufruhe, Temperaturerhöhungen und Zuverlässigkeit aus.
Insgesamt ist aber festzuhalten, daß jeder der beiden Gleitabschnitte 9a, 10a sich ausschließlich einerseits bzw. andererseits der Achse 19a der Bohrung 19 für den Kolbenbolzen 20 befindet, so daß die über das Pleuel 22, das vorliegend nicht dargestellt ist, übertragenen Kräfte und Momente gleichmäßig auf die beiderseits der Achse 19a vorgesehenen 17
Gleitabschnitte 9a, 10a übertragen wird und der Verschleiß beiderseits dieser Achse gleichmäßig erfolgt. Hierdurch wird wirkungsvoll verhindert, daß durch Verkanten des Kolbens 2 in der Bohrung 4 des Zylinders 3 ein einseitiger Verschleiß von Koben und/oder Zylinder eintritt, so daß die Lebensdauer der erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder-Anordnung vorteilhaft erhöht und die damit einhergehenden Kosten herabgesetzt werden.
Zudem ist darauf hinzuweisen, daß gemäß einem besonders vorteilhaften Merkmal der Erfindung die von dem Pleuel 22 über den Kolbenbolzen 20 auf den Kolben 2 übertragene Momente, die in einer Relativbewegung von den Gleitflächen 9a, 10a gegenüber der Führungsfläche 5 des Zylinders 3 in der durch die dargestellte Kolben-Zylinder-Anordnung realisierte Führungsanordnung ihren Niederschlag findet, ein besonders vorteilhaftes indirektes Aufbringen der Kräfte auf das Material, aus dem die Hülse 23 bzw. die Ringe 9, 10 gefertigt sind, ermöglicht, wodurch die Kraftübertragung im wesentlichen axial und frei von radialen Schlägen erfolgt, so daß die Lebensdauer der erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder-Anordnung deutlich verbessert wird.
Ganz besonders hervorragende Ergebnisse konnten mit der erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder-Anordnung 1 erzielt werden, wenn die Ringe 9, 10 aus mesophasigem Kohlenstoff im Wege des Urformens hergestellt wurden. Der mesophasige Graphit besteht aus einem bindemittelfreiem Kohlenstoff, einer sogenannten Mesophase. Der dem mesophasigen Graphit zugrundeliegende Rohstoff ist vorzugsweise aus Kohle- und Erdölrückständen in Pechen gewinnbar, die beispielsweise als Zwischenprodukt der Flüssigphasepyrolyse von Kohlenwasserstoffen verbleiben. Er besteht im wesentlichen aus Polyaromaten. Die Polyaromate können durch Carbonisieren und Graphitisieren zu Mesophasensphärolithen geformt werden, die die Körner einer Phase des Werkstoffes darstellen (Körnung zwischen 0,1 und 10 μm). Diese Mesophasensphärolithe sind bindemittelfrei und sind daher in ihren Feldeigenschaften, insbesondere in ihrer Biegedruckfestigkeit, gängigen Graphitsorten wie Preß- oder Elektrographit weit überlegen. Insbesondere sind Biegedruckfestigkeiten von über 150 MPa (N/mm2) erzielbar. Hierdurch ist es auch in besonders vorteilhafter Weise möglich, auch die sonst oft zur Erzielung einer ausreichenden Festigkeit erforderlichen Verstärkungen durch Kohlen- stoffasem oder durch eine andere Matrix zu verzichten.
Die Herstellung der Ringe 9, 10 kann vorteilhaft - ausgehend von Sphärolithen - im Wege der Spritzguß-Fertigung als sogenannte near-net- 18
shape Bauteile erfolgen, wobei nach einem Formgebungs-Schritt, der auch komplizierte Geometrien zuläßt, ein Sinterschritt folgt. Das derart gefertigte Bauteil, hier ein Ring, besteht aus einem isotropen Werkstoff. Es versteht sich, daß für die Formgebung entsprechende Gegenformen, insbesondere Büchsen und/oder Dorne, eingesetzt werden. Anschließend kann eine spanabhebende Nachbearbeitung zur Erzielung bevorzugter Oberflächeneigenschaften oder vorbestimmter Maßhaltigkeiten durchgeführt werden, beispielsweise durch Schleifen, Höhnen, Läppen. Aufgrund der günstigen Festigkeitseigenschaften der Ringe ist eine anschließende Vergütung der Oberfläche in der Regel nicht erforderlich. Je nach Auswahl des Sinterschritts lassen sich offene oder geschlossene Porositäten zwischen 0,05 und 30% realisieren.
Die Führungsfläche 6 im Zylinder 3 besteht aus eine Beschichtung aus polykristallinem Diamant (PKD). Alternativ ist es möglich, diamantähnliche Kohlenstoffbeschichtungen (DLC - Diamond like Carbon) vorzusehen, beispielsweise metallhaltiger Kohlenwasserstoff (Me:CH) (wobei als metallische Dotierung z.B. Titan, Wolfram, Bor bzw. deren besonders harte Carbidphase in Betracht kommen, die zugleich eine günstige Affinität zum Kohlenstoff aufweist), amorpher Kohlenwasserstoff (a:CH) oder tetragonal koordinierter Kohlenstoff (a:C). Zusammen mit dem Gleitabschnitt 9a/10a ergibt sich eine besonders vorteilhafte Werkstoffpaarung. Diese Werkstoffpaarungen hat sich insbesondere deswegen als zweckmäßig erwiesen, weil sie einerseits kostengünstig herstellbar sind und andererseits im Betrieb selbstschmierend, d.h. ohne Hinzufügen eines Schmierstoffes bei hohen Standzeiten funktionstüchtig sind. Die Kolben-Zylinder-Anordnung 1 ist somit vorteilhaft als Trockenläufer geeignet. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder- Anordnung 1 liegt darin, daß auf Kolbenringe, die aufgrund ihrer geschlitzten Ausbildung stets schwer zu montieren sind, verzichtet werden kann.
Wird für die erfindungsgemäße Kolben-Zylinder-Anordnung eine der vorstehenden Werkstoffpaarungen ausgewählt, wird überraschenderweise ein unvehofft günstiges, quasi verschleißfreies Laufen des Kolbens auf dem Zylinder ermöglicht, wodurch ein hervorragendes tribologisches Verhalten ohne Verlust von Mesographitmolekülen oder -körnern erreicht wird. Als besonders günstig hat sich eine Porosität der bevorzugten Mesophasengraphit-Ringe zwischen 1 und 10 Gew.% erwiesen.
Die sogenannten inthnsischen Reibungseigenschaften konventioneller Kohle- oder Graphitmaterialien dagegen, die eine Reibung durch ein Scheren oder Umkippen der Gitterebenen, insbesondere induziert durch 19
Leerstellen und Fehlstellen sowie Einlagerungsatome, auslösen, führen durch Wanderungen von Defekten ein- und zweidimensionaler Natur zur Stufenbildung oder zu Schraubenversetzungen, wodurch die Oberfläche des Materials bei mechanischer Beanspruchung zu abrasivem Verschleiß neigt. Hierdurch ist im Stand der Technik z.B. auch nicht zweckmäßig, vollständig geschlossene Ringe mit den Gleitabschnitten zur Abdichtung des Kolbenraums vorzusehen, vielmehr sind stets geschlitzte Kolbenringe erforderlich, die den Materialabtrag durch Nachstellen ausgleichen. Dies induziert eine zusätzliche "pressende" Reibung, die einen erhöhten Energieaufwand bedeutet. Dies gilt insbesondere im Lastwechselbetrieb.
Es ist möglich, die Ringe aus dem Mesographit im Anschluß an den Urformschritt z.B. mit einer diamantbesetzten Schleifscheibe zu schleifen. Zweckmäßigerweise wird dieser Schleifschritt jedoch dadurch bewirkt, daß die Ringe im Zylinder 3 gegen die Diamantbeschichtung hin und her verlagert werden, wodurch im Anschluß an eine Einlaufphase kein mechanischer Abtrag mehr erfolgt und eine besonders dichte Kolben-Zylinder-Einheit geschaffen wird. Eine weitere vorteilhafte Variante besteht darin, daß die Gegenformen der Ringe ebenfalls diamantbeschichtet sind.
Vorstehend ist die Herstellung von besonders bevorzugten Ringen aus einem einphasigen Material beschrieben worden. Es versteht sich, daß die vorstehend genannten Materialien, insbesondere die Graphitkörper, ferner Verstärkungen oder Einlagerungen aus anderen Zusammensetzungen umfassen können, z.B. Aramidfasem oder dergl., ohne ihre genannten , insbesondere die tribologischen, Eigenschaften herabzusetzen.
Es versteht sich auch, daß auch ein einstückiges Teil, daß die beiden Ringe 9,10 und ein Distanzstück 24 umfaßt, auf die beschriebene Weise hergestellt werden kann. Es versteht sich ferner, daß auch auf dieselbe beschriebene Weise nur die distale bzw. die proximale Gleitabschnitte auf einen Substratring, beispielsweise aus Keramik oder einem anderen Material, aufgebracht werden können, beispielsweise auf einen durchgehenden Ring der Stärke des Abstandsstücks 11. Es versteht sich auch, daß die für die Auswahl der geeigneten Werkstoff-Kombination verbliebenen Freiheiten für die Optimierung in Bezug auf den beabsichtigten Einsatz (Medium) zur Verfügung stehen.
Schließlich ist dem Fachmann auch ohne weiteres verständlich, daß bei einem erfindungsgemäßen Kolben die proximalen Bestandteile 8, 10 und die distalen Bauteile 7, 9 jeweils paarweise als einstückige Bauteile ausgebildet sein können, und dann vorzugsweise in der vorstehend beschrie- 20
benen near-net-shape Technologie in einem Stück aus mesophasigem Graphit urgeformt sind. Auch diese beiden Bauteile (Kolbenhälften) können wieder als einstückiger Kolbenkorpus ausgebildet sein, wodurch selbstredend die Sicherung für den Kolbenbolzen durch ein nachträglich aufgebrachtes Ringteil, das vorzugsweise auf den Kolbenkorpus aufgebracht ist. Dieses mag geschlitzt sein, hat aber anders als ein Kolbenring keinerlei Dichtfunktion, da es nicht in Anlage mit der Zylinderwand gelangt.
Die Erfindung ist vorstehend anhand von zwei bevorzugten Ausführungsbeispielen erläutert worden, wobei darauf hinzuweisen ist, daß die den Ausführungsbeispielen zugrundeliegenden Bauformen der beiden Ausführungsbeispiele beliebig miteinander kombiniert werden können, was sich insbesondere dem Fachmann dadurch aufdrängt, daß es sich teilweise um dieselben Teile handelt. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, daß nicht nur die Gleitabschnitte 9a bzw. 10a koaxial und in einer Zylinderebene angeordnet sind, sondern auch die innen verlaufenden Bohrungsgrenzflächen 9b, 10b, 11 b, wodurch auch bei Fertigung mehrteiliger Ringe für die Gleitabschnitte diese von einem Vollmaterial abgelängt werden können.
Die erfindungsgemäße Kolben-Zylinder-Anordnung findet vorteilhaft Verwendung als Hubkolbenmaschine, Verdichter, Verbrennungmotor oder dergl.

Claims

21PATENTANSPRÜCHE
1. Kolben-Zylinder-Anordnung, umfassend einen Zylinder (3), entlang dessen als Kolbenführungsfläche (6) ausgebildeter innerer Bohrung (5) ein Gleitabschnitt eines Kolbens (2) axial verlagerbar ist, und einen Kolben (2), an dem ein Pleuel (22) mittels eines Bolzens (20) anlenkbar ist, wobei wenigstens zwei den Kolben (2) radial begrenzende, zylindrische und umlaufende Gleitabschnitte (9a, 10a) zur AbStützung gegen die Führungsfläche (6) des Zylinders (3), die lösbar durch zwei Teile (7, 8) des Kolbens (2), von denen wenigstens eines einen zentralen Durchbruch der Gleitabschnitte (9a, 10a) durchsetzt, auf dem Kolben (2) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß, in axialer Erstreckung des Kolbens (2), die Gleitabschnitte außerhalb der Achse des Bolzens (20) angeordnet sind und mindestens einer (9a) der wenigstens zwei Gleitabschnitte (9a, 10a) vollständig einerseits und mindestens ein anderer (10a) der wenigstens zwei Gleitabschnitte (9a, 10a) vollständig andererseits der Achse des Bolzens (20) angeordnet ist, daß die Gleitabschnitte (9a, 10a) in einem festen gegenseitigen axialen Abstand (11) zueinander festgelegt sind, und daß die Kraftübertragung von dem Bolzen (20) auf die Gleitabschnitte (9a, 10a) ausschließlich mittelbar über die zentralen Teile (7, 8) des Kolbens (2) vorgesehen ist.
2. Kolben-Zylinder-Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Gleitabschnitte am Umfang eines gemeinsamen Hohlzylinders vorgesehen sind.
3. Kolben-Zylinder-Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitabschnitte (9a, 10a) die vollständige äußere Umfangsfläche von wenigstens zwei verschiedenen Ringen (9, 10) mit übereinstimmenden Durchmessern umfaßt.
4. Kolben-Zylinder-Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Gleitabschnitten (9a, 10a) durch ein hohl- 22
zylindrisches Abstandshaltestück (11 ) vorgegeben ist, dessen Innendurchmesser mit demjenigen der Ringe (9, 10) übereinstimmt.
5. Kolben-Zylinder-Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstandshaltestück (11) einen Kolbenbolzen (22) im Inneren des Kolbens (2) fixiert.
6. Kolben-Zylinder-Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstandshaltestück (11) und die Teile (7, 8) des Kolbens (2) aus demselben Material bestehen.
7. Kolben-Zylinder-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens zwei Gleitabschnitte (9a, 10a) lösbar durch eines der zwei Teile (7, 8) auf dem Kolben (2) radial fixiert sind.
8. Kolben-Zylinder-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teile (7, 8) des Kolbens (2) gegenseitig axial form- und/oder kraftschlüssig verspannbar sind.
9. Kolben-Zylinder-Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teile (7, 8) des Kolbens (2) durch Verschraubung verspannbar sind.
10. Kolben-Zylinder-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitabschnitte (9a, 10a) durch die radiale Umfangsfläche wenigstens eines Hohlzylinders (9, 10) definiert sind, der durch Sintern in seiner endgültigen Gestalt erstellt ist.
11. Kolben-Zylinder-Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangsfläche durch Schleifen oberflächenbearbeitet ist.
12. Kolben-Zylinder-Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangsfläche durch axiale Verlagerung in dem Zylinder (3) oberflächenbearbeitet ist. 23
13. Kolben-Zylinder-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitabschnitte (9a, 10a) aus einem Graphit mit einer Biegebruchfestigkeit von über 120 N/mm2 bestehen.
14. Kolben-Zylinder-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Teile (7, 8) des Kolbens (2) aus der Gruppe umfassend Titan, austenitischer Stahl, Invarstahl, Aluminium, SiC und Si3N4 sowie Verbindungen hieraus ausgewählt ist.
15. Kolben-Zylinder-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitabschnitte (9a; 10a) des Kolbens (2) mehrteilig sind und daß diese Teile gemeinsam wenigstens einen Ring bilden.
16. Führungsanordnung, insbesondere Kolben-Zylinder-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, umfassend ein erstes Teil (2) und ein zweites Teil (3), entlang dessen als Führungsfläche (6) ausgebildeter, dem ersten Teil zugewandten Oberfläche (5) ein Gleitabschnitt des ersten Teils (2) verlagerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Material der Paarung Gleitabschnitt (9a, 10a) -
Führungsfläche (6) aus der Gruppe umfassend polykristalliner Diamant, amorpher Kohlenwasserstoff, tetragonal koordinierter Kohlenstoff und metallhaltiger Kohlenwasserstoff ausgewählt ist, und daß das andere Material der Paarung aus der Gruppe umfassend mesophasiger Graphit und Ultrafeinkorn-Graphit ausgewählt ist.
17. Führungsanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Gleitabschnitts (9a, 10a) aus mesophasigem Graphit oder Ultrafeinkorn-Graphit besteht.
18. Führungsanordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleitabschnitt (9a, 10a) durch die Oberfläche wenigstens eines Formteils (9, 10) definiert ist, der durch Sintern in seiner endgültigen Gestalt erstellt ist. 24
19. Führungsanordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil (9, 10) durch Schleifen oberflächenbearbeitet ist.
20. Führungsanordnung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil (9, 10) durch axiale Verlagerung in dem zweiten Teil (3) oberflächenbearbeitet ist.
21. Führungsanordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleitabschnitt (9a, 10a) aus einem Graphit mit einer Biegebruchfestigkeit von über 120 N/mm2 besteht.
22. Führungsanordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, daß das erste Teil ein Kolben (2) und das zweite Teil ein Zylinder (3) einer Kolben-Zylinder-Anordnung (1) ist, wobei die innere Bohrung (5) des Zylinders (3) die Kolbenführungsfläche (6) definiert, die einen Gleitabschnitt des Kolbens (2) führt.
23. Führungsanordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitabschnitte (9a; 10a) des Kolbens (2) mehrteilig sind und daß diese Teile gemeinsam wenigstens einen Ring bilden.
24. Führungsanordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleitabschnitt (9a; 10a) des Kolbens (2) einstückig mit dem Kolben (2) hergestellt ist.
25. Führungsanordnung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei den Kolben (2) radial begrenzende, zylindrische und umlaufende Gleitabschnitte (9a, 10a) zur Abstützung gegen die Führungsfläche (6) des Zylinders (3) im gegenseitigen axialen Abstand (11) zueinander vorgesehen sind.
26. Führungsanordnung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens zwei Gleitabschnitte (9a, 10a) einen kreiszylindrischen Querschnitt aufweisen. 25
27. Führungsanordnung nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens zwei Gleitabschnitte (9a, 10a) lösbar durch zwei Teile (7, 8) des Kolbens (2), von denen wenigstens eines einen zentralen Durchbruch der Gleitabschnitte (9a, 10a) durchsetzt, auf dem Kolben (2) axial fixiert sind.
28. Führungsanordnung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitabschnitte (9a, 10a) an demselben hohlzylindrischen Teil vorgesehen sind.
29. Führungsanordnung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitabschnitte (9a, 10a) die Umfangsfläche von wenigstens zwei verschiedenen Ringen (9, 10) umfaßt.
30. Führungsanordnung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Gleitabschnitten durch ein hohizylindrisches Abstandshaltestück (11) vorgegeben ist.
31. Führungsanordnung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstandshaltestück (11) einen Kolbenbolzen (22) im Inneren des Kolbens (2) fixiert.
32. Führungsanordnung nach Anspruch 30 oder 31 , dadurch gekennzeichnet, daß das Abstandshaltestück (11) und die Teile (7, 8) des Kolbens (2) aus demselben Material bestehen.
33. Führungsanordnung nach einem der Ansprüche 27 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Teile (7, 8) des Kolbens (2) aus der Gruppe umfassend Titan, austenitischer Stahl, Invarstahl, Aluminium, SiC und Si3N4 sowie Verbindungen hieraus ausgewählt ist.
34. Führungsanordnung nach einem der Ansprüche 27 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teile (7, 8) des Kolbens (2) gegenseitig axial form- und/oder kraftschlüssig verspannbar sind.
35. Führungsanordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teile (2, 3) eine Gleitführung definieren. 26
36. Führungsanordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teile (2, 3) eine Linearführung definieren.
37. Führungsanordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teile (2, 3) eine Gleitringdichtung definieren.
38. Führungsanordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teile (2, 3) eine translatorische Geradführung bilden.
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