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Die Erfindung betrifft das Gebiet der Mechanik und der Hydraulik und betrifft spezieller eine hydrostatische Rotationsmaschine.
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Die hydrostatischen Rotationsmaschinen sind drehende Maschinen, die einen mit einem Rotor gekoppelten Stator aufweisen, der allgemein mit einem drehenden Antriebselement wie einem Rad, einem Ritzel oder einer beliebigen Übertragungsvorrichtung verbunden ist.
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Eine solche hydrostatische Maschine kann als Hydraulikmotor verwendet werden. Sie wird dann mit einem Druckhydraulikfluid gespeist und treibt als Reaktion das drehende Antriebselement an.
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Die hydrostatische Maschine kann ebenfalls als Hydraulikpumpe verwendet werden. Sie empfängt dann ein vom drehenden Antriebselement übertragenes Drehmoment und verdichtet als Reaktion das Hydraulikfluid.
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STAND DER TECHNIK
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Die Patentanmeldung
WO2020008145 beschreibt eine hydrostatische Rotationsmaschine, die enthält:
- - einen Rotor, der einen Zylinderblock enthält, der mit radial beweglichen Kolben versehene und umfangsmäßig verteilte Zylinder aufweist;
- - einen eine Nockenbahn enthaltenden Stator; wobei die Kolben geeignet sind, mit der Nockenbahn in mit der Rotation des Rotors bezüglich des Stators koordinierter Weise zusammenzuwirken;
- - einen hydraulischen Verteiler, der geeignet ist, die Zylinder dank einer Synchronisationsverbindung selektiv an einen ein Hydraulikfluid verwendenden Hydraulikkreis anzuschließen, die eine Drehkupplung zwischen dem Rotor und dem Stator bildet.
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Eine solche hydrostatische Maschine kann bezüglich ihrer Arbeitsleistung verbessert werden.
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DARLEGUNG DER ERFINDUNG
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Die Erfindung hat zum Ziel, die hydrostatischen Rotationsmaschinen des Stands der Technik zu verbessern.
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Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung eine hydrostatische Rotationsmaschine mit Radialkolben, die enthält:
- - ein inneres Element und ein äußeres Element, die koaxial und um eine Rotationsachse zueinander drehend montiert sind, wobei eines dieser Elemente ein Rotor und das andere dieser Elemente ein Stator ist; wobei das innere Element einen Zylinderblock enthält, der mit radial beweglichen Kolben versehene und umfangsmäßig verteilte Zylinder aufweist; wobei das äußere Element eine Nockenbahn enthält; wobei die Kolben geeignet sind, mit der Nockenbahn in mit der Rotation des Rotors bezüglich des Stators koordinierter Weise zusammenzuwirken;
- - einen hydraulischen Verteiler, der geeignet ist, die Zylinder dank einer Synchronisationsverbindung selektiv an einen ein Hydraulikfluid verwendenden Hydraulikkreis anzuschließen, die eine Drehkupplung zwischen dem Rotor und dem Stator bildet.
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Diese hydrostatische Rotationsmaschine enthält einen Dränagekreis, der für mindestens einen Zylinder eine die Wand des Zylinders durchquerende Einspritzleitung umfasst, wobei die Einspritzleitung über eines ihrer Enden durch ein Langloch in den Zylinder mündet, und über das andere ihrer Enden ausgehend vom Zylinderblock in einen Dränageraum mündet, der mit Hydraulikfluid gespeist wird.
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Vorzugsweise enthalten alle Zylinder des Zylinderblocks eine solche Einspritzleitung.
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Die Erfindung ermöglicht es, die Arbeitsleistung der hydrostatischen Maschine zu verbessern, indem sie Maßnahmen kombiniert, von denen bekannt ist, dass sie unvereinbar sind:
- - die Gestaltung einer hydrostatischen Maschine mit einem reduzierten Spiel zwischen den Kolben und den Zylindern, was eine Erhöhung der Leistung der Maschine bei gleichem Hubraum ermöglicht;
- - eine Erhöhung der Zuverlässigkeit und der Lebensdauer dank eines geringeren Verschleißes der Kolben und der Zylinder.
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Im Stand der Technik garantiert ein großes Betriebsspiel zwischen den Kolben und den Zylindern die Abwesenheit von Heißstellen und von Verschleiß. Das Hydraulikfluidleck durch dieses Betriebsspiel wird außerdem über den Dränagekreis abgeführt. Beträchtliche Leistungsverluste sind aber das Ergebnis dieser Zuverlässigkeit, aufgrund der Größe dieses zwischen den Zylindern und den Kolben erzeugten Lecks. Selbst wenn dieses Betriebsspiel reduziert wird, stoßen diese Motoren an eine Leistungsgrenze.
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Dank der Erfindung kann das Betriebsspiel zwischen den Kolben und den Zylindern ggf. reduziert werden, ohne negative Gegenleistungen, aber eine solche hydrostatische Maschine verschiebt in jedem Fall die typischen Leistungsgrenzen, auf die man normalerweise bei gleichem Hubraum trifft, dank einer verbesserten Arbeit im Bereich der Zusammenwirkung der Kolben in den Zylindern. Eine Leistungsverstärkung von mindestens 30 % bei gleichem Hubraum ist durch die Anwendung der Erfindung vorstellbar.
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Die hydrostatische Maschine bleibt außerdem kompakt, da die Einrichtung der vorgeschlagenen Dränagefunktion mit wenig Änderungen und ohne Erhöhung des Platzbedarfs erfolgt.
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So wird eine signifikante Leistungserhöhung ohne bemerkenswerte Erhöhung der Produktionskosten erhalten. So können Hydraulikmotoren produziert werden, die leistungsfähiger oder bei gleicher Leistung von geringerer Größe sind.
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Die Erfindung erlaubt viele Varianten bei der Einrichtung des Dränagekreises. Insbesondere besonders vorteilhafte Varianten, bei denen eine Druckkammer axial gegenüber dem hydraulischen Verteiler erzeugt wird, so dass diese Druckkammer den von der Arbeitszylinderfunktion des hydraulischen Verteilers erzeugten Schub kompensiert und so den Druck auf die Wälzlager entlastet, die die Rotation des Rotors bezüglich des Stators ermöglichen, was eine deutliche Verlängerung der Lebensdauer oder eine Möglichkeit des Korrigierens der Dimensionierung der Wälzlager nach unten, mit der damit verbundenen Kosten- und Gewichtsersparnis, verschafft.
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Die hydrostatische Maschine gemäß der Erfindung kann die folgenden zusätzlichen Merkmale alleine oder in Kombination aufweisen:
- - das Langloch bildet eine Öffnung in der Wand des Zylinders, die sich im Wesentlichen gemäß der axialen Richtung erstreckt;
- - die Einspritzleitung und das Langloch werden von einem gleichen Bohrungsprofil des Zylinderblocks im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse und tangential zum Zylinder geformt;
- - das Langloch ist auf dem Hub des Kolbens angeordnet;
- - das Langloch ist freigelegt, wenn der Kolben am unteren Totpunkt ist, und das Langloch wird vom Kolben bei seinem Hub verdeckt;
- - der Kolben enthält eine zwischen dem Kolben und dem Zylinder angeordnete Dichtung, wobei diese Dichtung einen Hub aufweist, der sich radial unter oder über dem Langloch befindet;
- - der Dränageraum enthält eine Druckkammer, die mit Hydraulikfluid gespeist wird und mit den Einspritzleitungen in Fluidkontakt steht;
- - die Druckkammer wird zwischen einer Drehdichtung, die eine Verbindung zwischen dem Rotor und dem Stator hermetisch verschließt, und einer Ringdichtung gebildet, die zwischen dem äußeren Element und dem Zylinderblock angeordnet ist;
- - der Zylinderblock enthält einen zylindrischen Bund, der koaxial mit der Rotationsachse vorsteht, wobei die Einspritzleitungen sich axial in diesem zylindrischen Bund erstrecken und über den Rand des zylindrischen Bunds münden;
- - die Ringdichtung ist zwischen dem äußeren Element und dem zylindrischen Bund angeordnet;
- - der Zylinderblock enthält zwei Kragen, die zu beiden Seiten der Zylinder angeordnet sind, mit einem Wälzlager, das zwischen jedem Kragen und dem äußeren Element montiert ist, wobei der zylindrische Bund von einem dieser Kragen vorsteht;
- - die Druckkammer und der hydraulische Verteiler befinden sich axial zu beiden Seiten des Zylinderblocks;
- - die Maschine enthält: eine auf die Rotationsachse zentrierte und mit Hydraulikfluid gespeiste axiale Kammer und eine radiale Dränageleitung, die sich zwischen der axialen Kammer und der Druckkammer erstreckt;
- - die Synchronisationsverbindung steht mit der axialen Kammer in Verbindung, wobei das Betriebsleck an der Synchronisationsverbindung die axiale Kammer mit Hydraulikfluid speist;
- - die Maschine enthält ein in der axialen Kammer angeordnetes hydrostatisches Ventil, das mit dem hydraulischen Verteiler verbunden und geeignet ist, die axiale Kammer mit Hydraulikfluid zu speisen;
- - der Dränagekreis enthält einen Dräneingang, der auf dem äußeren Element angeordnet ist und mit der Druckkammer in Fluidverbindung steht;
- - der Dräneingang ist mit der Druckkammer über eine Dränageleitung verbunden, die sich axial in der Dicke der Wand des äußeren Elements erstreckt;
- - der Dräneingang wird ausgehend von einem auf dem Hydraulikkreis angeordneten Kühler mit Hydraulikfluid gespeist;
- - das Langloch ist der Anwendung der Antriebskräfte bei der Rotation in der normalen Drehrichtung diametral entgegengesetzt positioniert.
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DARSTELLUNG DER FIGUREN
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden, nicht einschränkenden Beschreibung unter Bezug auf die beiliegenden Figuren hervor, in denen:
- - 1 eine axiale Schnittansicht einer hydrostatischen Maschine gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist;
- - 2 in Perspektive den Zylinderblock der hydrostatischen Maschine veranschaulicht;
- - 3 eine schematische Draufsicht des Zylinderblocks der hydrostatischen Maschine ist;
- - 4 und 5 einen Kolben der hydrostatischen Maschine in seinem Zylinder an seinem unteren Totpunkt bzw. oberen Totpunkt veranschaulichen;
- - 6 eine zweite Ausführungsform der hydrostatischen Maschine gemäß der Erfindung veranschaulicht;
- - 7 schematisch ein hydrostatisches Ventil der hydrostatischen Maschine aus 6 veranschaulicht;
- - 8 ein Axialschnitt einer hydrostatischen Maschine gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung ist;
- - 9 eine schematische Ansicht ist, die den Dränagekreis der hydrostatischen Maschine veranschaulicht.
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Die gleichen und den verschiedenen Ausführungsformen gemeinsamen Elemente tragen die gleichen Verweisnummern in den Figuren.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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1 veranschaulicht eine hydrostatische Rotationsmaschine gemäß der Erfindung im Schnitt entlang einer Ebene, die sich gemäß ihrer Rotationsachse R erstreckt.
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Diese hydrostatische Maschine ist entweder ein Hydraulikmotor, der ein Element ausgehend von einem Druckhydraulikfluid in Rotation versetzt, oder eine Hydraulikpumpe, die geeignet ist, ein Hydraulikfluid ausgehend von der Rotation eines Elements unter Druck zu setzen.
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Die hydrostatische Rotationsmaschine enthält ein inneres Element 1 und ein äußeres Element 2, die durch Wälzlager 14, 15 um die Rotationsachse R zueinander drehend montiert sind.
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Im vorliegenden veranschaulichenden Beispiel ist die hydrostatische Maschine ein Hydraulikmotor, und das innere Element 1 ist fest mit einem Antriebselement verbunden, das hier aus einer Keilwelle 3 besteht.
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Von dem inneren Element 1 und dem äußeren Element 2 ist eines dieser Elemente ein Rotor, während das andere dieser Elemente ein Stator ist. Im vorliegenden Beispiel ist das äußere Element 2 ein Stator und ist mit einem Gestell wie einer ortsfesten oder an Bord eines Fahrzeugs befindlichen Struktur verbunden, während das innere Element 1 ein Rotor ist, und die Keilwelle 3 ist zum Beispiel mit einem Rad oder einem Ritzel verbunden. Gemäß einer Anwendung, für die die Erfindung besonders vorteilhaft ist, ist das äußere Element 2 auf das Fahrgestell eines Fahrzeugs montiert, und die Keilwelle ist mit einem Rad verbunden, dessen Felge die hydrostatische Maschine umgibt. Die hydrostatische Maschine ist in diesem Fall ein Motor, der in der Nabe eines Antriebsrads untergebracht ist.
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Das äußere Element 2 enthält ein ringförmiges Gehäuse 5, das hier die allgemeine Form eines Rings aufweist, mit einem ersten Deckel 6, der eine der Öffnungen (rechts in 1) dieses ringförmigen Gehäuses 5 hermetisch verschließt, und einem zweiten Deckel 7, der die gegenüberliegende Öffnung (links in 1) hermetisch verschließt. Der zweite Deckel 7 enthält an seiner Grenzfläche mit der Keilwelle 3 eine Drehdichtung 37.
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Das äußere Element 2 enthält außerdem eine Nockenbahn 8, die für hydrostatische Maschinen mit Radialkolben charakteristisch ist. In bekannter Weise weist diese Nockenbahn 8 eine innere Umfangsform auf, mit einem von Vertiefungen und Erhebungen geformten Verlauf, der einen zyklischen Verlauf mit einer Folge von zunehmenden und abnehmenden Radien bildet, die mit der Eingangs- und Ausgangsbewegung der Radialkolben synchronisiert ist.
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In diesem Beispiel wird die Nockenbahn 8 optional von einem Nockenring 9 getragen, der auf eine Innenseite des ringförmigen Gehäuses 5 montiert ist, mit den gleichen Vorteilen wie denjenigen, die in der Patentanmeldung
WO2020008145 beschrieben sind. Insbesondere kann der Nockenring 9 ausgehend von einer „Stahl für Wälzlager“, oder „Kohlenstoffstahl“ genannten Stahlsorte hergestellt werden, die einen großen Anteil von Kohlenstoff, eine große Verschleiß- und Ermüdungsfestigkeit aufweist, jedoch stoßempfindlich ist. Die Schwäche des Nockenrings gegenüber Stößen wird durch seine Montage in das ringförmige Gehäuse 5 kompensiert, das duktil ist. Die hohe Leistungsfähigkeit eines kontaktdruck- und ermüdungsfesten Materials kann so für die Nockenbahn 9 vorteilhaft sein, ohne unter den normalerweise mit dieser Art Material verbundenen Nachteilen zu leiden.
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Das innere Element 1 enthält einen Zylinderblock 10, der ebenfalls für die hydrostatischen Maschinen mit Radialkolben spezifisch ist. Dieser Zylinderblock 10 ist mit Zylindern 11 versehen, in die in bekannter Weise radial bewegliche Kolben 12 montiert sind.
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In bekannter Weise sind die Zylinder 11 Radialzylinder, die sich auf dem ganzen Umfang des Zylinderblocks 10 erstrecken, winkelmäßig gleichmäßig um die Rotationsachse R verteilt, und die Kolben 12 weisen jeweils auf ihrem zur Nockenbahn 8 gerichteten Ende eine Rolle 13 auf, die das Rollen ohne Rutschen auf der Nockenbahn 8 erlaubt.
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Die Nockenbahnen für eine hydrostatische Maschine, die Zusammenwirkung mit den Radialkolben 12 und die Synchronisationsverfahren durch selektive Verbindung der Zylinder mit dem Hydraulikfluidkreis sind außerdem bekannt und werden hier nicht ausführlicher beschrieben.
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Das innere Element 1 und das äußere Element 2 sind zueinander drehend montiert, in diesem Beispiel dank einem ersten Wälzlager 14 und einem zweiten Wälzlager 15, die direkt zwischen dem inneren Element 1 und dem äußeren Element 2 montiert sind. Diese Wälzlager 14, 15 sind in das ringförmige Gehäuse 5 zu beiden Seiten des Nockenrings 9 eingefügt. Das Beispiel der 1 veranschaulicht zwei mögliche Montagen der Wälzlager 14, 15 im ringförmigen Gehäuse 5: eine direkte Montage des Wälzlagers mit seinem äußeren Ring in Kontakt mit dem ringförmigen Gehäuse 5 (das ist beim ersten Wälzlager 14 der Fall); und eine Montage des Wälzlagers im Gehäuse mit einem Zwischenstützring (das ist beim zweiten Wälzlager 15 der Fall), und im vorliegenden Beispiel ist dieser Stützring ein Bund 46, der Teil des zweiten Deckels 7 ist.
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Der Zylinderblock 10 enthält zwei Kragen 16, 17, die zu beiden Seiten der Zylinder 11 angeordnet sind, mit einem Wälzlager 14, 15, das zwischen jedem Kragen 16, 17 und dem äußeren Element 2 montiert ist, wobei der innere Ring jedes Wälzlagers 14, 15 direkt auf den entsprechenden Kragen 16, 17 montiert ist.
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So wird eine Wälzlagermontage erhalten, die einfach ist und reduzierte Seitenketten erzeugt, mit dem Nockenring 9 in das ringförmige Gehäuse 5 montiert und den Wälzlagern 14, 15 zu beiden Seiten dieses Nockenrings 9 angeordnet, indem sie die direkte Grenzfläche zwischen dem inneren Element 1 und dem äußeren Element 2 bilden.
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Die hydrostatische Maschine enthält außerdem Einrichtungen zur Verteilung und Synchronisation des Hydraulikfluids. Diese Einrichtungen enthalten einen hydraulischen Verteiler 18 und einen Verteilersockel 4.
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Der Verteilersockel 4 enthält einen Fluideingang 19 und einen Fluidausgang 20, die in typischer Weise an den Hochdruckteil und den Niederdruckteil eines Hydraulikkreises angeschlossen sind.
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Der Verteilersockel 4 ist fest mit dem äußeren Element 2 verbunden. In diesem Beispiel ist der Verteilersockel 4 fest mit dem ersten Deckel 6 verbunden.
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Der hydraulische Verteiler 18 ist auf den Verteilersockel 4 montiert, indem er bezüglich dieses letzteren axial beweglich ist, wobei die zwei Bauteile zum Beispiel mit Hilfe von Zapfen rotationsgekoppelt sind, die das axiale Gleiten erlauben.
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Der hydraulische Verteiler 18 des vorliegenden Beispiels enthält eine zentrale Kammer 22 und eine periphere Kammer 23, die je mit dem Fluideingang 19 oder dem Fluidausgang 20 verbunden sind. 1 veranschaulicht den Anschluss der Kammern 22, 23 an die Fluideingänge/-ausgänge 19, 20 gemäß dem vorliegenden Beispiel.
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Dichtungen erlauben die hermetische Abschottung der Kammern 22, 23, während sie gleichzeitig die axiale Bewegung des hydraulischen Verteilers 18 auf dem Verteilersockel 4 erlauben. In bekannter Weise haben diese Dichtungen unterschiedliche Durchmesser mit dem Ziel, eine Axialzylinderfunktion für den hydraulischen Verteiler 18 zu erzeugen. Diese Axialzylinderfunktion ermöglicht es, den hydraulischen Verteiler 18 im Bereich einer Synchronisationsverbindung 40 gegen den Zylinderblock 10 zu halten, indem sie sich den bei der Durchführung der Synchronisation, d.h. der selektiven Druckbeaufschlagung der Zylinder 11, erzeugten Kräften widersetzt.
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Der hydraulische Verteiler 18 wirkt im Haupt-Hydraulikkreis und ermöglicht es, gemäß der Rotation des Rotors bezüglich des Stators die Hoch- und Niederdruckkreise selektiv mit Kanälen 32 in Fluidverbindung zu versetzen, die je mit einem Zylinder 11 verbunden sind.
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Der so vom hydraulischen Verteiler 18 erzeugte Arbeitszylinder hat zur Wirkung, der in der Synchronisationsverbindung 40 zwischen dem hydraulischen Verteiler 18 und dem Zylinderblock 10 ausgeübten Abstoßkraft entgegenzuwirken. Diese Arbeitszylinderfunktion des hydraulischen Verteilers 18 bewirkt außerdem eine axiale Beanspruchung auf den Wälzlagern 14, 15.
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Die hydrostatische Maschine enthält außerdem einen Dränagekreis, der es ermöglicht, das den Innenraum der hydrostatischen Maschine umspülende Hydraulikfluid zu erneuern, und das Hydraulikfluid dräniert, das von den Betriebslecks, die insbesondere im Bereich des hydraulischen Verteilers 18 und genauer der Synchronisationsverbindung 40 entstehen, erzeugt wird.
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Der Dränagekreis enthält einen Dränausgang 24, der mit dem äußeren Hydraulikkreis verbunden ist und über den das Hydraulikfluid in der Dränagefunktion mit relativ reduzierter Durchflussmenge abgeführt wird.
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Das an dieser Dränagefunktion beteiligte Hydraulikfluid wird in der Hydraulikmaschine selbst von den erwähnten Betriebslecks insbesondere am hydraulischen Verteiler 18 und ggf. durch einen äußeren Dräneingang geliefert, der für die Dränagefunktion bestimmt ist, wie weiter unten in einer Variante dargelegt wird.
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Im Dränagekreis wird das Hydraulikfluid veranlasst, von einem Innenraum der hydrostatischen Maschine zum anderen überzugehen, abhängig von den Möglichkeiten einer Fluidverbindung, bis es über den Dränausgang 24 austritt.
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Der Dränagekreis ist hier eingerichtet, um eine zusätzliche Funktion der Unterstützung der Arbeit der Kolben in den Zylindern auszuüben. Im Dränagekreis wird das Hydraulikfluid so veranlasst, außerdem die Wand des Zylinderblocks 10 zu durchqueren und in die Zylinder 11 zu münden.
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Von den zwei Kragen 16, 17 des Zylinderblocks 10 ist der Kragen 17 derjenige, der dem hydraulischen Verteiler 18 und dem Dränausgang 24 gegenüberliegend angeordnet ist. Dieser Kragen 17 und der Verteiler 18 sind so axial zu beiden Seiten der Zylinder 11 platziert. Dieser Kragen 17 enthält einen von einem Zylinder gebildeten Bund 25, der vom Kragen 17 in Richtung des zweiten Deckels 7 vorsteht und auf die Rotationsachse R zentriert ist. Der Bund 25 und der Rotor sind so koaxial.
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2 ist eine perspektivische Halbschnittansicht des Zylinderblocks 10 und der Keilwelle 3, mit der er fest verbunden ist. 2 macht diesen Bund 25 sichtbar.
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Unter Bezug auf die 1 und 2 enthält der Dränagekreis für jeden Zylinder 11 eine Einspritzleitung 26, die in der Dicke der Wand des Bunds 25 angebracht ist, den Zylinderblock 10 durchquert und in den entsprechenden Zylinder 11 mündet.
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1 veranschaulicht schematisch gestrichelt den Weg dieser Einspritzleitung 26 in der Dicke der Wand des Bunds 25 und im Material des Zylinderblocks 10. Dieser Weg der Einspritzleitung 26 ist gestrichelt dargestellt, da er im Material verläuft: in 1 geht die Winkelposition der Schnittebene nicht durch eine der Einspritzleitungen 26.
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2 macht drei der Einspritzleitungen 26 auf der Seite sichtbar, wo sie über den Rand des Bunds 25 münden. Die Einspritzleitungen 26 erstrecken sich im Material des Zylinderblocks 10 und münden je durch ein Langloch 27 in einen Zylinder 11.
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Die Einspritzleitungen 26 können jede geeignete Form aufweisen, bis sie zum Langloch 27 gelangen. Aufgrund von Fertigungsverfahren wie der Formguss oder die additive Fertigung sind viele Formen möglich.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform, die ein schnelles und kostengünstiges Verfahren erlaubt, ist aber jede Einspritzleitung 26 eine geradlinige Bohrung, die durch Bohren in einem einzigen Arbeitsgang erhalten wird und winkelmäßig positioniert ist, um direkt tangential in den Zylinder 11 zu münden, indem sie dadurch das Langloch 27 bildet.
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3 ist eine schematische Ansicht, die den Zylinderblock 10 von oben gesehen mit einem Zylinder 11 in der Mitte von oben gesehen veranschaulicht. Ein Bohrungsprofil 28, gestrichelt begrenzt, stellt schematisch die Bohrung dar, die ein Bohrer erzeugt, der geeignet ist, in einem einzigen Durchgang die Einspritzleitung 26 und das Langloch 27 zu bilden, indem sie in den Zylinder 11 mündet.
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Diese Elemente werden so zu geringeren Kosten mit einem einzigen Bohrvorgang geformt, vorzugsweise vervollständigt durch einen einfachen Vorgang des Abgratens oder des Anfasens der scharfen Ränder des so erzeugten Langlochs 27.
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In jedem Zylinder 11 bildet das Langloch 27 eine Öffnung in der Wand des Zylinders 11, Öffnung, die sich im Wesentlichen gemäß der axialen Richtung erstreckt. Anders gesagt, das Langloch 27 erstreckt sich lotrecht zum Hub des Kolbens 12 entlang einem winkelmäßigen Teil der Innenwand des Zylinders 11. So kann in der Größenordnung von 1/4 oder 1/3, sogar 1/2, des Umfangs der Innenwand des Zylinders von diesem Langloch 27 eingenommen werden.
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Jede Einspritzleitung 26 mündet also über eines ihrer Enden in einen Zylinder 11. Über das andere ihrer Enden mündet sie vom Zylinderblock 10 (in diesem Beispiel mündet die Einspritzleitung 26 vom Rand des Bunds 25 des Zylinderblocks 10) in einen Dränageraum 55.
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Der Dränageraum 55 bezeichnet hier präzise einen inneren Hohlraum der Hydraulikmaschine, der mit Dränage-Hydraulikfluid gespeist wird, d.h. mit einem Fluid, das am Rand der Leistungsfunktion fließt. Wenn das Hydraulikfluid im Hochdruckkreis ist, um an die Zylinder geliefert zu werden und die Rotation des Rotors bezüglich des Stators zu bewirken (im Beispiel eines Hydraulikmotors), ist es auf einem Druck in der Größenordnung von 400 Bar. Wenn dieses Fluid im Dränagekreis ist (nachdem es in Form eines Lecks zum Beispiel an der Synchronisationsverbindung 40 ausgetreten ist), ist es auf einem Druck in der Größenordnung von 20 Bar. Dieses Hydraulikfluid fließt dann in den Dränageräumen, bis es über den Dränausgang 24 abgeführt wird und in den allgemeinen Hydraulikkreis zurückkehrt.
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Der Dränageraum 55 steht so mit einer Zuführung von Hydraulikfluid vom Dränagekreis in Fluidverbindung.
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Da die Einspritzleitung 26 in diesen Dränageraum 55 mündet, und dieser Raum außerdem gleichmäßig mit Hydraulikfluid gespeist wird, wird das Hydraulikfluid also veranlasst, durch den Rand des Bunds 25 in die Einspritzleitung 26 einzutreten, den Bund 25 und die Wand des Zylinderblocks 10 zu durchqueren, indem es diese Einspritzleitung 26 durchfließt, und anschließend durch das Langloch 27 in den Zylinder 11 zu münden.
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Die Höhe des Langlochs 27, d.h. die Position des Langlochs 27 gemäß der Achse des entsprechenden Zylinders 11, wird vorzugsweise so gewählt, dass das Langloch 27 auf dem Hub des Kolbens 12 ist. Das Langloch 27 wird so vom Kolben 12 überstrichen. Eine Freilegungsstelle des Langlochs 27 durch den Kolben kann auch vorgesehen werden, damit das Hydraulikfluid über oder unter dem Kolben 12 münden kann.
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Die 4 und 5 sind Teilansichten des Zylinderblocks 10 im Radialschnitt, die einen Zylinder 11 mit seinem Kolben 12 sowie den entsprechenden Teil der Nockenbahn 8 sichtbar machen. Der Spalt 54 zwischen dem Kolben 12 und seiner Rolle 13 ist für eine Lagerschale bestimmt. Im Fall eines Hydraulikmotors wird der Kolben 12 bei seinem Ausgangshub in Richtung der Nockenbahn 9 geschoben, und die Rolle 13 rollt auf der Erhebung 29, indem sie die Rotation des Rotors antreibt.
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Der Kolben 12 wird von einem Körper gebildet, der eine zylindrische Außenfläche aufweist, die dazu bestimmt ist, im Zylinder 11 zu gleiten. Der Kolben 12 ist mit einer Dichtung 31 versehen, die in diesem Beispiel ein Dichtheitssegment ist, um die Betriebslecks zu begrenzen, wenn der Kolben 12 vom durch den Kanal 32 ankommenden, unter Hochdruck stehenden Öl zu seinem oberen Totpunkt geschoben wird.
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Die zwei folgenden Positionen sind veranschaulicht:
- - Kolben 12 am unteren Totpunkt (4);
- - Kolben 12 am oberen Totpunkt (5).
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Im veranschaulichten Beispiel ist die Drehrichtung des Zylinderblocks 10 (der in diesem Beispiel Teil des Rotors ist) durch den Pfeil 33 angezeigt.
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Die Positionen der 4 und 5 entsprechen dem Durchgang der Rolle über eine Erhebung 29 der Nockenbahn 8 bzw. in einer Vertiefung 30 der Nockenbahn 8.
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Wenn im vorliegenden Beispiel der Kolben 12 am unteren Totpunkt ist (4), geht die zylindrische Außenfläche des Kolbens unter dem Langloch 27 durch, und letzteres wird also freigelegt. Das Hydraulikfluid des Dränagekreises, das in der Einspritzleitung 26 fließt, tritt dann frei durch das Langloch 27 aus und verteilt sich im Zylinder 10 über den ganzen Umfang des Kopfes des Kolbens 12. Dieses Hydraulikfluid schmiert und kühlt den Kopf des Kolbens 12 sowie das Betriebsspiel zwischen dem Kolben und dem Zylinder auf den ersten Millimetern des Kolbenkopfes, wobei diese Zone bezüglich der Beanspruchungen und der Gefahr der Bildung von Heißstellen die kritischste ist.
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Während seines Hubs vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt überstreicht der Kolben 12 anschließend das Langloch 27, wobei seine zylindrische Außenfläche den Zylinder 11 überstreicht, indem sie dieses Langloch 27 bedeckt. Das Langloch 27 findet sich so zwischen dem Zylinder 11 und dem Kolben 12 gegenüber der Spaltzone positioniert, die das Betriebsspiel zwischen diesen beiden in Bewegung befindlichen Bauteilen bildet.
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Die Position des Langlochs 27 und die Gestaltung des Kolbens 12 werden ebenfalls so gewählt, dass die Dichtung 31 zu keinem Zeitpunkt das Langloch 27 überstreicht. In diesem Beispiel befindet sich die Dichtung 31 am oberen Totpunkt des Kolbens 12 (5) direkt unter dem Langloch 27.
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Allgemein ist die Dichtung 31 konzipiert, um einen Hub zu erfahren, der entweder radial unter oder radial über dem Langloch 27 ist, ohne es aber zu überstreichen.
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Während des Hubs des Kolbens 12, während dessen letzterer eine große Kraft auf die Nockenbahn 8 ausübt, die den Rotor bezüglich des Stators in Rotation versetzt, bildet das Langloch 27 so einen Druckölfilm im Spalt zwischen dem Kolben 12 und dem Zylinder 12.
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Die von den Pfeilen 33 in den 4 und 5 angezeigte Drehrichtung zeigt die normale Drehrichtung des Zylinderblocks 10 an. Die normale Drehrichtung bezeichnet die einzige Drehrichtung im Fall einer hydrostatischen Maschine mit nur einer Drehrichtung, und bezeichnet die am meisten verwendete Drehrichtung im Fall einer hydrostatischen Maschine mit zwei Drehrichtungen, aber mit einer bevorzugten Drehrichtung, die während der Lebensdauer der Maschine hauptsächlich angewendet wird (das ist zum Beispiel der Fall eines Motors mit zwei Drehrichtungen für den Vorwärtsgang und den Rückwärtsgang eines Fahrzeugs).
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Die hydrostatische Maschine ist vorzugsweise für die normale Drehrichtung geeignet, und das Langloch 27 ist daher positioniert, um die Arbeit der Kolben 12 bei der normalen Drehrichtung zu begünstigen. In jedem Zylinder 11 ist das Langloch 27 bei der Rotation in der normalen Drehrichtung der Anwendung der Antriebskräfte diametral entgegengesetzt positioniert.
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Wenn der Kolben 12 sich unter der Wirkung des Hochdruck-Hydraulikkreises in seinem Hub in Richtung seines oberen Totpunkts befindet, und die Rolle 13 eine große Kraft auf die Nockenbahn 8 ausübt, ist die Reaktionskraft der Nockenbahn eine Schrägkraft. Zum Beispiel in 5, wenn die Rolle 13 durch den in der Figur veranschaulichten Punkt 34 geht, ist diese Reaktionskraft am Punkt 34 (beim Kontakt zwischen der Rolle 13 und der Nockenbahn 8) eine Schrägkraft F, die den Kolben 12 mit einer maximalen Beanspruchung im Bereich der Zone gegen den Zylinder 11 zurückschiebt, in der das Langloch 27 angeordnet ist.
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Der vom Langloch 27 erzeugte Druckhydraulikfluidfilm befindet sich so im Bereich der kritischsten Zone für die Arbeit des Kolbens 12 im Zylinder 11.
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Bei der Gestaltung der hydrostatischen Maschine begünstigt diese Anordnung weiter die Möglichkeit, das Zylinder/Kolben-Spiel zu reduzieren, indem im Fall eines zu geringen Spiels der kritischste Punkt behandelt wird, der normalerweise eine Zone von Beanspruchungen, von Erwärmung, sogar des Klemmens ist.
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Das Hydraulikfluid des Dränagekreises wird so genutzt, um die Kolben/Zylinder-Arbeit zu unterstützen. Nach seinem Übergang in die Zylinder 11 setzt dieses Fluid seinen Weg durch den Dränagekreis fort. In diesem Beispiel geht es zwischen den Kugeln des Wälzlagers 14 in Richtung des ersten Deckels 6 hindurch und wird durch den Dränausgang 24 abgeführt.
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Um den Dränageraum 55 zu speisen und das Fließen des Hydraulikfluids in der Einspritzleitung 26 zu erlauben, sind mehrere Lösungen möglich. Jede Gestaltungslösung des Dränagekreises, die einen ausreichenden Druck des Hydraulikfluids erlaubt, um es durch die Einspritzleitungen 26 fließen zu lassen, ist geeignet. Zum Beispiel kann eine ausreichend ergiebige Betriebsleckquelle, die sich in der Nähe des Dränageraums 55 befindet, dort kanalisiert werden.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform der Speisung des Dränageraums 55, unter Bezug auf 1, enthält der Dränageraum 55 eine Druckkammer 35, die dazu bestimmt ist, einen ausreichenden Druck zu erzeugen, damit das Hydraulikfluid dahin tendiert, durch die Einspritzleitung 26 zu fließen. Es handelt sich nicht um einen mit demjenigen des Hochdruck-Hydraulikkreises vergleichbaren Hochdruck, sondern um einen eher mit demjenigen des Niederdruckkreises vergleichbaren Druck. Grundsätzlich reicht ein Druck von einigen Bar.
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Vorteilhafterweise wird diese Druckkammer 35 von einer einfachen Ringdichtung 36 erzeugt, die zwischen dem äußeren Element 2 und dem zweiten Deckel 7 angeordnet ist, und genauer wird in diesem Beispiel die Druckkammer 35 zwischen dem Bund 25, der die Einspritzleitungen 26 trägt, und dem zweiten Deckel 7 erzeugt.
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Die Drehdichtung 37 wird hier für zwei Funktionen genutzt: Drehdichtung, die eine Verbindung zwischen dem Rotor und dem Stator hermetisch verschließt; und Schließen der Druckkammer 35 mit der Ringdichtung 36.
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Die Ringdichtung 36 muss keine hochgradige Dichtheit bieten, da ein Leck in diesem Bereich keine Einwirkung auf den einwandfreien Betrieb der hydrostatischen Maschine hat. Diese Dichtung 36 kann also gewählt werden, um eine geringe Beschränkung auf die Rotation auszuüben, und um einfach einen Druckanstieg in der Druckkammer 35 zu gewährleisten.
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Die Druckkammer 35 wird selbst durch eine beliebige Einrichtung mit Hydraulikfluid vom Dränagekreis gespeist. 1 veranschaulicht ein Beispiel, bei dem eine radiale Dränageleitung 38 zwischen einer axialen Kammer 39, zentriert auf die Rotationsachse R, und der Druckkammer 35 angebracht ist. Die radiale Dränageleitung ist gestrichelt veranschaulicht.
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Die axiale Kammer wird zum Teil durch das innere Element 1 und zum Teil durch das äußere Element 2 (der hydraulische Verteiler 18) begrenzt. Die radiale Dränageleitung 38 ist im inneren Element 1 angebracht.
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In der veranschaulichten Architektur erzeugt die Synchronisationsverbindung 40 während ihres Betriebs Hydrauliklecks, hier als Betriebslecks bezeichnet. Diese Synchronisationsverbindung 40 mündet über eines ihrer Ränder in diese axiale Kammer 39. Die axiale Kammer 39 füllt sich also durch dieses Betriebsleck mit Hydraulikfluid, und das Hydraulikfluid geht durch die radiale Dränageleitung 38 bis zur Druckkammer 35 mit der gleichen Durchflussmenge wie diejenige, die vom Leck der Synchronisationsverbindung 40 geliefert wird.
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Diese Maßnahme kann für die Druckbeaufschlagung der Druckkammer 35 ausreichen, wenn das Betriebsleck ergiebig genug ist. Falls nötig, wenn der erhaltene Druck zu hoch ist, kann diese Durchflussmenge kalibriert werden, und insbesondere durch den Durchmesser der radialen Dränageleitung 38.
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Die hydrostatische Maschine verfügt so über einen Dränagekreis ohne externe Speisung, gespeist einfach durch die inneren Betriebslecks, indem gleichzeitig die beschriebene Unterstützungsfunktion der Arbeit der Kolben angewendet wird.
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6 veranschaulicht eine zweite Ausführungsform, bei der der Dränageraum 55 ebenfalls eine Druckkammer 35 enthält, die aber andere, alternative oder komplementäre Einrichtungen vorsieht, die die Druckbeaufschlagung der Druckkammer 35 erlauben. 6 ist ein Halbschnitt, der in diesem Beispiel ein hydrostatisches Ventil 41 veranschaulicht, das in einen Bund 42 des hydraulischen Verteilers 18 montiert ist.
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Das hydrostatische Ventil 41 ist in Fluidverbindung mit dem hydraulischen Verteiler 18. Dieses hydrostatische Ventil 41 kann jede gewünschte Funktion ausführen, mit Hilfe von in der Hydraulik bekannten Elementen wie hydrostatische Verteiler, Durchflussmengen- oder Druckregelventile, usw. Dieses hydrostatische Ventil ist dazu bestimmt, Hydraulikfluid vom Verteiler 18 wiederzugewinnen und es entsprechend dem gewünschten Druck oder der gewünschten Durchflussmenge in die axiale Kammer 39 zu liefern.
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7 veranschaulicht ein Aufbaubeispiel des hydrostatischen Ventils 41 gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführung. Das hydrostatische Ventil 41 enthält einen Dreiwegeverteiler 50, der geeignet ist, die eine oder die andere der Kammern 22, 23 des hydraulischen Verteilers 18 auszuwählen (diejenige, die zu einem gegebenen Zeitpunkt auf Niederdruck ist). Der Dreiwegeverteiler 50 bringt dieses Niederdruckfluid mit einem Druckbegrenzer 51 in Verbindung, um den gewünschten Druck zu erhalten. So wird keinerlei Leistungsverlust im Bereich des Hochdruckkreises vom Dränagekreis verursacht.
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Das hydrostatische Ventil kann ggf. einen Drucksensor 52 aufweisen und speist so die axiale Kammer 39. Der Kreis wird durch eine Einschnürung verlängert, die von der radialen Dränageleitung 38 gebildet werden kann, und führt so zur Druckkammer 35.
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Mit dem hydrostatischen Ventil 41 ist es möglich, den Druck des Hydraulikfluids zu kontrollieren, das durch das Langloch 27 zwischen die Kolben 12 und ihren Zylinder 11 eingeführt wird.
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8 veranschaulicht eine dritte Ausführungsform, in der der Dränageraum 55 ebenfalls eine Druckbeaufschlagungskammer 35 enthält, die aber andere, alternative oder komplementäre Einrichtungen vorsieht, die die Druckbeaufschlagung der Druckkammer 35 erlauben. Die hydrostatische Maschine enthält hier einen Dräneingang 43 auf dem Rand des ringförmigen Gehäuses 5 auf der Seite des ersten Deckels 6, d.h. auf der Seite, wo alle anderen Hydraulikanschlüsse austreten, was zum Beispiel für die in Radnaben untergebrachten Hydraulikmotoren ein Vorteil ist.
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Der Dräneingang 43 ist mit einer Dränageleitung 44 verbunden, die sich in der Dicke der Wand des ringförmigen Gehäuses 5 parallel zur Rotationsachse R erstreckt und sich axial jenseits des Nockenrings 9 und des zweiten Wälzlagers 15 erstreckt, bis sie gegenüber einer anderen Dränageleitung 45 mündet, die im zweiten Deckel 7 angebracht ist und in die Druckkammer 35 mündet.
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Unter Berücksichtigung der Bauart der hydrostatischen Maschine mit den Wälzlagern 14, 15 und dem auf mehrere innere zylindrische Auflageflächen des ringförmigen Gehäuses 5 montierten Nockenring 9 enthält die Dränageleitung 44 des ringförmigen Gehäuses 5 im vorliegenden Beispiel einen ersten Abschnitt 44A, der vollständig im Material des ringförmigen Gehäuses 5 geformt ist, und einen zweiten Abschnitt 44B, der sich in einer Mündungsrille im ringförmigen Gehäuse 5 erstreckt, wobei diese Rille vom Bund 46 des Deckels 7 geschlossen wird (der Bund 46, der ebenfalls als Auflagefläche für das zweite Wälzlager 15 dient).
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Die Dränageleitungen 44, 45 erfordern keine anderen Dichtungseinrichtungen als die mechanische Justierung dieser Bauteile, unter Berücksichtigung des geringen auf dem Spiel stehenden Drucks und aufgrund der Tatsache, dass Lecks in diesem Bereich, bei dem es sich um den Dränagekreis handelt, sich nicht auf den Betrieb der hydrostatischen Maschine auswirken. So wird eine Fluidleitung von den Dränageleitungen 44, 45 zwischen dem Dräneingang 43 und der Druckkammer 35 gebildet.
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Ein unabhängiger äußerer Dräneingang 43 kann so direkt mit der Druckkammer 35 verbunden werden, und die im Bereich des Dräneingangs 43 eingespritzte Menge wird anschließend am Dränausgang 24 wiedergewonnen, zusätzlich zu den Betriebslecks. Der Druck in der Druckkammer 35 kann dann durch eine beliebige Vorrichtung außerhalb des Hydraulikkreises mit den geeigneten Komponenten geregelt werden.
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Die Temperatur des Dränage-Hydraulikfluids kann ebenfalls kontrolliert werden. Unter Berücksichtigung der zusätzlichen Funktion des Dränagekreises, die die Unterstützung der Arbeit der Kolben in den Zylindern ermöglicht, ist es hier vorteilhaft, den Dräneingang 31 mit Hydraulikfluid vorzugsweise auf niedriger Temperatur zu speisen.
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9 ist eine vereinfachte schematische Darstellung, die den der hydrostatischen Maschine 53 zugeordneten Dränagekreis veranschaulicht. Diese schematische Darstellung stellt bestimmte Elemente des Hydraulikkreises dar: den Hydrauliktank 49 und einen Kühler 48, der ein Wärmetauscher ist, der es ermöglicht, die Temperatur des Hydraulikfluids zu senken. Die anderen Elemente des Kreislaufs, insbesondere der Hoch- und der Niederdruckteil, die den mechanischen Betrieb der hydrostatischen Maschine erlauben, sind typisch und wurden nicht dargestellt.
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Der den Kühler 48 bildende Tauscher ist allgemein in den meisten Hydraulikkreisen vorhanden und wird hier vorteilhafterweise verwendet, um eine Pumpe 47 des Dränagekreises zu speisen, die selbst den Dräneingang 43 speist. Der Dränausgang 24 kommt in üblicher Weise zum Hydrauliktank 49 zurück.
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Die Kolben/Zylinder-Grenzfläche kann so an den geeigneten Stellen druckbeaufschlagt und von einem Hydraulikfluid auf niedriger Temperatur in der Größenordnung von zum Beispiel 50 °C gekühlt werden, zum Beispiel, indem die Dränagefunktion genutzt wird.
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Die Pumpe 47 kann selbst den Druck in der Druckkammer 35 regeln oder in einer Variante jedem anderen bekannten Bauteil zugeordnet werden, das diese Regelung erlaubt.
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Außerdem ermöglicht die Druckbeaufschlagung der Druckkammer 35, am inneren Element 1 eine Kraft zu erzeugen, die sich der vom hydraulischen Verteiler 18 auf dieses innere Element 1 (und genauer auf den Zylinderblock 10) ausgeübten Kraft widersetzt, dank der Arbeitszylinderfunktion des hydraulischen Verteilers 18. Da die Druckkammer 35 und der hydraulische Verteiler 18 sich axial zu beiden Seiten des Zylinderblocks 10 befinden, sieht letzterer diese zwei Kräfte zu beiden Seiten angewendet. So wird die von der Druckkammer 35 auf den Zylinderblock 10 ausgeübte Kraft von der Kraft subtrahiert, die von der Arbeitszylinderfunktion des hydraulischen Verteilers 18 ausgeübt wird. Dies entlastet in gleichem Maße den auf die Wälzlager 14, 15 ausgeübten axialen Druck und erhöht deren Lebensdauer, oder ermöglicht es, sie nach unten zu dimensionieren.
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Es können Ausführungsvarianten in Betracht gezogen werden. Jede andere Einrichtung, die es ermöglicht, den Durchgang des Dränage-Hydraulikfluids durch die Einspritzleitungen 26 zu erzwingen, kann in Betracht gezogen werden.
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Außerdem können die Ausführungsformen kombiniert werden, insbesondere derart, dass der Dränageraum ausgehend von mehreren Quellen mit Hydraulikfluid gespeist wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2020008145 [0005, 0027]