DE2140569A1

DE2140569A1 - Innenachsige rotationskolbenmaschine mit kaemmeingriff

Info

Publication number: DE2140569A1
Application number: DE2140569A
Authority: DE
Inventors: Svend Giversen
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1971-08-13
Filing date: 1971-08-13
Publication date: 1973-02-22
Also published as: DE2140569C3; GB1398779A; NL7211019A; FR2149845A5; DE2140569B2; IT959144B; US3778198A; AT326487B; DD113380A5; SE379231B; JPS5119165B2; ATA473672A; JPS4828871A; BE785445A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine innenachsige Rotationskolbenmaschine mit Kämmeingriff, insbesondere Motor, mit zwei Zahnelementen, nämlich einem Zahnrad und einem einen Zahn mehr aufweisenden Zahnring, die zwischen sich Verdrängerkammern bilden, und mit einem Verteiler-Drehventil, dessen erster Teil drehfest mit dem ersten Zahnelement verbunden ist und zu den Verdrängerkammerh führende Ventilöffnungen aufweist, deren Zahl gleich der Zähnezahl dieses Zahnelements ist, und dessen zweiter Teil drehfest mit dem zweiten Zahnelement verbunden ist und mit einem druckseitigen ersten Anschluß bzw, einem niederdruck- oder saugseitigen zweiten Anschluß verbundene Ventilöffnungen aufweist, deren Zahl gleich der doppelten Zähnezahl dieses Zahnelements ist.

Bei einer derartigen Maschine (deutsche Patentschrift 1 198 750) dienen die Zahnelemente nicht nur als Drehkolben, sondern bewirken auch eine Untersetzung. Maschinen dieser Art sind daher besonders für langsamen Betrieb geeignet. Motoren haben ein hohes Drehmoment. Pumpen ergeben eine hohe Fördermenge.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rotationskolbenmaschine der eingangs beschriebenen Art anzugeben, die mehr als ein Übersetzungsverhältnis hat.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei Verwendung eines zweiten Zahnelements mit gerader Zähnezahl eine Umschaltvorrichtung vorgesehen ist, mit der wahlweise jede zweite oder jede vierte der Ventilöffnungen des zweiten Ver- ' teilerventilteils mit einem Anschluß, vorzugsweise dem druckseitigen ersten Anschluß, und die dazwischen angeordneten Ventilöffnungen mit dem anderen Anschluß verbindbar sind.

Wenn jede zweite Öffnung mit dem gleichen Anschluß verbunden ist, arbeitet die Maschine in der üblichen Weise. Ist dagegen nur jede vierte Ventilöffnung mit dem einen Anschluß verbunden, während die drei dazwischen liegenden Ventilöffnungen dem anderen Anschluß zugeordnet sind, ergibt sich überraschenderweise eine neue Betriebsart« Wird ein Motor unter gleichbleibenden äußeren Bedingungen (Druck- und Durchsatzmenge) betrieben, dann arbeitet er etwa mit der doppelten Drehzahl und mit dem halben Drehmoment. Die Übersetzung ändert sich im Verhältnis 1:2. Handelt es sich um den Antriebsmotor eines Fahrzeuges, so ergibt sich ohne die Zuhilfenahme eines Umschaltgetriebes eine Gangschaltung. Ähnliches gilt für den Betrieb einer Pumpe.

Besonders günstig ist es, wenn das Zahnrad das zweite Zahnelement bildet und sechs Zähne hat. Hierbei ist jeweils nur eine Kammer mit der Druckseite verbunden. Diese Kammer liegt in der Mitte der drei sonst wirksamen Druckkammern, so daß der Druck mit der größten wirksamen Komponente auf die Drehung des Zahnrades Einfluß nimmt. Ähnliches gilt, wenn diese eine Kammer an die Niederdruck- oder Saugseite angeschlossen ist.

Konstruktiv einfach ist eine Lösung, bei der jede vierte der Ventilöffnungen des zweiten Verteilerventil teils dauernd mit dem einen Anschluß und die zu deren beiden Seiten liegenden VentllÖffnühgen dauernd mit dem anderen Anschluß verbunden sind und bei der die Umschaltvorrichtung lediglich die verbleibenden Ventilöffnungen wahlweise mit dem einen oder mit dem anderen

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Anschluß verbindet. Hierbei braucht nur öede vierte Ventilöffnung umgeschaltet zu werden.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist dafür gesorgt, daß die Ventilöffnungen des zweiten Verteilerventilteils als Axialnuten am Umfang eines Drehschiebers ausgebildet sind, daß drei Ringnuten am Umfang des Drehschiebers vorgesehen und axial gegeneinander versetzt sind, von denen die erste Ringnut mit dem einen Anschluß verbunden und auf der einen Seite der Axialnuten angeordnet ist, die zweite Ringnut mit dem anderen Anschluß verbunden und auf der anderen Seite der Axialnuten angeordnet ist und die dritte Ringnut mit der Umschaltvorrichtung verbunden und auf der den Axialnuten gegenüberliegenden Seite der zweiten Ringnut angeordnet ist, und daß jede vierte Axialnut die erste Ringnut und die zu deren beiden Seiten liegenden Axialnuten die zweite Ringnut treffen, während Bohrungen im Drehschieber die verbleibenden Axialnuten mit der dritten Ringnut verbinden. Da nur jede vierte Axialnut mit der dritten Ringnut verbunden werden muß, lassen sich die hierfür erforderlichen Bohrungen bequem im Drehschieber unterbringen. Ein solches Verteilerventil erlaubt auch eine Drehrichtungsumkehr durch Vertauschung des ersten und zweiten Anschlusses.

Die Umschaltvorrichtung kann von Hand betätigt werden. Sie läßt sich aber auch automatisch umschalten. Hierfür empfiehlt es sich, daß die Umschaltvorrichtung ein Drei-Wege-Ventil ist, das in Abhängigkeit vom Druckabfall an der Maschine gesteuert ist. Sinkt infolge abnehmender Belastung der Druckabfall an einem Motor, so schaltet dieser automatisch auf die andere Betriebsart, die bei geringerem Drehmoment eine höhere Drehzahl erlaubt und umgekehrt.

Besonders günstig ist es hierbei, wenn das Drei-Wege-Ventil einen Ventil kolben aiifweist, der in einer ersten Stellung einen Druckkanal und in einer zweiten stellung einen Niederdruck—

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kanal mit den umschaltbaren Ventilöffnungen verbindet sowie in Abhängigkeit vom Druck in einer stirnseitigen Druckkammer aus der einen in die andere Stellung verschiebbar ist, und wenn die Druckkammer über ein Steuerventil in Abhängigkeit von der Stellung eines vom Druckabfall an der Maschine verstellbaren Kolbens mit dem ersten oder zweiten Anschluß verbindbar ist, wobei der "Kolben die zugehörigen Ventilöffnungen mit einem Totgang übersteuert. Infolge des Totganges ergibt sich eine obere Druckgrenze, bei der der Motor in den Normalgang geschaltet wird, wenn er sich im Eilgang befand, und eine untere Druckgrenze, bei der der Motor in den Eilgang geschaltet wird, wenn er sich im Normalgang befand.

Hierbei ist es auch möglich, das Steuerventil im Innern des Ventilkolbens des Drei-Wege-Ventils anzuordnen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaues

der erfindungsgemäßen Maschine mit Umschaltvorrichtung,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Arbeitsteil einer erfindungsgemäßen Maschine,

Fig. 3 eine Abwicklung des Umfangs des Drehschiebers in Fig. 2,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch die Umschaltvorrichtung der erfindungsgemäßen Maschine und

Fig. 5 zwei. Zeitdiagramme, aus denen die Druckabhängigkeit des Umschaltvorganges ersichtlich ist.

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'Bei der nachstehenden Betrachtung sei angenommen, daß die erfindungsgemäße Maschine als Motor betrieben wird. An einen ersten Anschluß 1 wird daher eine Druckflüssigkeits-Zuleitung und an einen zweiten Anschluß 2 eine Ableitung angeschlossen. Der Motor hat einen Zahnring 3 (erstes Zahnelement) mit sieben Zähnen und ein Zahnrad 4 mit sechs Zähnen. Zwischen beiden werden Verdrängerkammern 5 gebildet.

Ein Verteilerventil 6 besteht aus einem mit dem Zahnring 3 drehfest verbundenen ersten Ventilteil 7 und einem mit dem f Zahnrad 4 drehfest verbundenen zweiten Ventilteil 8. Der Ventilteil 7 hat sieben gleichmäßig am Umfang verteilte Ventilöffnungen 9, die über einen Kanal 10 mit je einer Verdrängerkammer 5 verbunden sind. Der zweite Ventilteil 8 hat zwölf Ventilöffnungen 11, die in drei Gruppen a, b und c unterteilt sind. Jede vierte Ventilöffnung a ist über Leitungen 12 dauernd mit dem druckseitigen ersten Anschluß 1 verbunden. Die zweite Gruppe b besteht aus Ventilöffnungen zu beiden Seiten der Ventilöffnungen 11a. Diese Ventilöffnungen 11b sind über Leitungen 13 dauernd mit dem zweiten Anschluß 2 verbunden. Die dritte Gruppe c besteht aus den restlichen Ventilöffnungen, die über Leitungen 14 mit einer Umschaltvorrichtung 15 verbunden sind. λ Diese Umschaltvorrichtung hat zwei Stellungen. In der ersten Stellung ist die Gruppe c mit dem ersten Anschluß 1 verbunden. In der zweiten Stellung ist die Gruppe c mit dem zweiten Anschluß 2 verbunden. Die Umschaltvorrichtung wird über eine Impulsleitung 16 in Abhängigkeit vom Druckabfall am Motor gesteuert.

In der veranschaulichten Stellung der Umschaltvorrichtung sind die Ventilöffnungen 11c an die Druckseite angeschlossen. Sie wirken dann in gleicher Weise wie die Ventilöffnungen 11a. Es ergibt sich ein für derartige Maschinen üblicher Betrieb. Wird dagegen die Umschaltvorrichtung 15 in die andere Stellung gebracht, so liegen lediglich die Ventilöffnungen 11a an der Druck-

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seite, während alle übrigen Ventilöffnungen mit dem Abfluß verbunden sind. Es ist dann nur die schraffierte Verdrängerkammer 5a mit Druckflüssigkeit versorgt. Das Zahnrad 4 hat seinen momentanen Drehpunkt M im Bereich des oberen Zahnes. Der in der Kammer 5a herrschende Flüssigkeitsdruck übt daher eine Kraft auf das Zahnrad 4 aus, die etwa senkrecht zu dem das Zahnrad drehenden Hebelarm steht. Sie ist daher, anders als es Druckflüssigkeit in den Nachbarkammern tun würde, mit voller Kraft für das Drehmoment wirksam. Unabhängig von der jeweiligen Drehstellung des Zahnrades 4 und des Verteilerventilteils 8 ist immer nur eine mit Druckmittel gefüllte Verdrängerkammer 5a vorhanden. Diese Verdrängerkammer 5a hat auch immer etwa die gleiche Lage mit Bezug auf den momentanen Drehpunkt M des Zahnrades. Versuche haben gezeigt, daß das Drehmoment bei dieser Schaltungsart etwa auf die Hälfte zurückgeht und die Drehzahl etwa auf den doppelten Viert steigt. Der Wirkungsgrad, der bei einer solchen Zahnradmaschine normalerweise 80% beträgt, fällt nur auf etwa 75% ab. Der Unregelmäßigkeitsgrad steigt lediglich Von 4% auf etwa 10%. Letzteres beruht auf der Tatsache, daß die einzige wirksame Kammer 5a bei einer vorgegebenen Drehung des Zahnrades die größte Volumenänderung erfährt, während sich die beiden. Nachbarkammern nur geringfügig ändern.

Es ist einleuchtend, daß ähnliche Verhältnisse auch auftreten, wenn die Anschlüsse 1 und 2 miteinander vertauscht werden. Dann ist nur eine Kammer mit der Abflußleitung verbunden, während die übrigen mit der Druckseite verbundenen Verdrängerkammern sich in ihrer Wirkung teilweise gegenseitig aufheben.

Eine praktische Ausführun.gsform ist in den Figuren zwei bin vier veranschaulicht.

Der Arbe its teil der Maschine, der in Fig. 2 veranschaulicht; ist, weint ein Gehäuse 17 auf, das an der linken OaLtG mit einem Decket 18 abgeschlossen ist und sich an der rechten /leite über¹

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ein Zwischenstück 19, de . Zahnring 3 und eine Deckel 20 fortsetzt. Die einzelnen Teile sind durch Schrauben 21 miteinander verbunden. Im Gehäuse läuft eine Hauptwelle 22 um, die einstückig mit einem Drehschieber 23 ausgebildet ist. Die Hauptwelle ist über eine Gelenkwelle 24 mit dem Zahnrad 4 gekoppelt. Zu diesem Zweck ist die Gelenkwelle 24 mit verzahnten Gelenkköpfen versehen, die in entsprechende Innenverzahnungen von Hauptwelle 22 und Zahnrad 4 eingreifen.

Das Gehäuse 17 bildet den ersten Teil 7, der Drehschieber 23 den zweiten Teil 8 des Verteilerventils 6. Am Innenumfang einer Gehäusebohrung sind daher die Ventilbohrungen 9 vorgesehen, die über die als Bohrungen ausgebildeten Kanäle 10 im Gehäuse 17 und dem Zwischenstück 19 mit den Verdrängerkammern 5 verbunden sind. Am Umfang des Drehschiebers sind die als Axialnuten ausgebildeten Ventilöffnungen 11 vorgesehene Eine erste Ringnut 25 befindet sich auf der rechten Seite der Axialnuten 11 und ist mit einer Leitung 26 verbunden· Eine zweite Ringnut 27 befindet sich auf der linken Seite der Axialnuten 11 und ist mit einer Leitung 28 verbunden. Eine dritte Ringnut 29 ist auf der den Axialnuten 11 gegenüberliegenden Seite der zweiten Ringnut 27 vorgesehen und mit einer Leitung 30 verbunden. Von der Ringnut 29 führen Bohrungen 31 zu den Axialnuten 11 der Gruppe c. Wie Fig. 3 zeigt, sind die Axialnuten 11 der Gruppe a bis zur Ringnut 25 verlängert, während die Axialnuten 11 der Gruppe b bis zur Ringnut 27 verlängert sind. Die Axialnuten 11 der Gruppe c haben einen Abstand zu den beiden Ringnuten 25 und 27 und stehen nur mit der Ringnut 29 in Verbindung.

Fig. 2 bildet in Verbindung mit Fig. 4 eine vollständige Maschine. In Fig. 4 ist eine Ausführung der Umschaltvorrichtung 15 veranschaulicht. Die Umschaltvorrichtung hat ein äußeres Gehäuse 32, in welches eine Hülse 33 eingesetzt und beidseitig durch Stopfen 34 und 35 gesichert ist. In der Hülse ist ein Kolben 36 verschiebbar, dessen Hut 37 eine Außtrittsöffnung 38, die mit der

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Leitung 14 verbunden ist, wahlweise mit einem Eintrittsraum 39 oder einem Eintrittsraum 40 verbindet. Der Eintrittsraum

39 ist über eine Leitung 41 und je ein Rückschlagventil 42, 43, das zum Raum 39 hin öffnet, mit den Leitungen 12 und 13 verbunden. Im Eintrittsraum 39 herrscht daher immer der höhere. Druck, gleichgültig, ob die Druckmittelzufuhr über den Anschluß 1 oder 2 erfolgt. Der Eintrittsraum 40 ist über eine Leitung . 44 und zwei Rückschlagventile 45 und 46,*die zum Eintrittsraum

40 hin schließen, mit den Leitungen 12 und 13 verbunden. Im Eintrittsraum 40 herrscht daher immer der Ablaufdruck, gleichgültig, ob die Ablaufleitung an den Anschluß 1 oder 2 angeschlossen ist. An der einen Seite des Kolbens 36 ist ein Raum 47 mit einer Druckfeder 48 vorgesehen. Der Raum 47 ist mit der Leitung 44 verbunden und steht daher unter Ablaufdruck. An der gegenüberliegenden Stirnseite des Kolbens 36 ist ein Druckraum 49 vorgesehen, der.über einen Kanal 50 mit zwei Ventilöffnungen 51 und 52 wahlweise mit dem Zulaufdruck oder dem Ablaufdruck versehen werden kann. Zu diesem Zweck ist ein Steuerkolben 53 vorgesehen, der in einer Bohrung des Kolbens 36 gegen die Kraft einer Feder 54 verschiebbar ist. Die Bohrung ist durch einen elastischen Puffer 3^ verschlossen. Im Raum 56 herrscht wegen der Verbindung über die Leitung 57 mit der Leitung 41 Zulaufdruck, im Raum 58 wegen der Verbindung mit dem Eintrittsraum 40 Ablaufdruck. Der Kolben 53 hat bezüglich der Ventilöffnungen 51, 52 einen Totgang, so daß bei einer Verschiebung des Kolbens die eine Öffnung erst freigegeben wird, nachdem die andere bereits einige Zeit geschlossen war.

Dieser Aufbau des Umschaltventils führt zu einer automatischen Gangumschaltung, bei der sich die beiden Arbeitsbereiche überlappen. In Fig. 5 ist im oberen Diagramm über der Zeitachse •ein Druckverlauf veranschaulicht, während im unteren Diagramm über der Zeitachse die Drehzahl des Motors dargestellt ist. Es sei angenommen, daß der Motor zu Beginn im Eilgang arbeitet, bei dem das Umschaltventil die in Fig. 4 veranschaulichte Stellung hat. Sobald ein vorgegebener Druckunterschied P^ herrscht,

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Ist der Steuerkolben 53 so weit nach links verschoben, daß die Ventilöffnung 52 freigegeben und der Zulaufdruck in den Druckraum 49 eingespeist wird. Der Ventilkolben 36 und damit die Umschaltvorrichtung 15 geht.daher in die andere Endlage. Nunmehr arbeitet der Motor mit der kleineren Drehzahl n-,. Der Druckabfall sinkt entsprechend ab. Wenn bei weiterer Belastung der Druck über den Grenzwert P^ ansteigt, ändern sich die Verhältnisse nicht. Die Belastung ist bis zum Sicherheitsdruck P, möglich. Dieser Sicherheitsdruck wird durch ein nicht veranschaulichtes Sicherheitsventil eingestellt. Sinkt nun die Belastung, so bleiben die Verhältnisse unverändert, bis der Druckabfall den Wert P₂ unterschreitet. Während des Druckabfalls wurde vom Steuerkolben 53 zunächst die Ventilöffnung 52 geschlossen, wodurch sich an den Verhältnissen nichts ändert; einige Zeit später wird die Ventilöffnung 51 freigegeben, so daß die Druckflüssigkeit aus dem Druckraum 49 zur Ablaufseite hin entweichen kann, weil der Kolben 36 durch die Feder 48 nach rechts gedrückt wird. Nunmehr läuft der Motor wieder mit der Ursprungsdrehzahl n₂. Diese Drehzahl bleibt erhalten, auch wenn der Druckabfall den Wert P₂ unterschreitet. Innerhalb des Druckbereichs A arbeitet der Motor daher im Normalgang und innerhalb des Druckbereichs B im Eilgang, wobei sich die beiden Bereiche überlappen.

Wenn zum Zwecke der Drehrichtungsumkehr die Leitungen an den Anschlüssen 1 und 2 vertauscht werden, ändert sich an der Umschal tvorrichtung 15 wegen der Rückschlagventile 42, 43, 45, 46 nichts. Vielmehr erfolgt die Umsteuerung nach wie vor beim Überschreiten der vorgegebenen Druckunterschiede.

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Claims

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Patentansprüche

11JInnenachsige Rotationskolbenmaschine mit Kämmeingriff, insbesondere Motor, mit z\rei Zahnelementen, nämlich einem Zahnrad und einem einen Zahn mehr aufweisenden Zahnring, die zwischen sich Verdrängerkammem bilden, und mit einem Verteiler-Drehventil, dessen erster Teil drehfest mit dem ersten Zahnelement verbunden ist und zu den Verdrängerkammern führende Ventilöffnungen aufweist, deren Zahl gleich der Zähnezahl dieses Zahnelements ist, und dessen zweiter Teil drehfest mit dem zweiten Zahnelement verbunden ist und mit einem druckseitigen ersten Anschluß bzw. einem niederdruck- oder saugseitigen zweiten Anschluß verbundene Ventilöffnungen aufweist, deren Zahl gleich der doppelten Zähnezahl dieses Zahnelements ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines zweiten Zahnelements (4) mit gerader Zähnezahl eine Umschaltvorrichtung (15) vorgesehen ist, mit der wahlweise jede zweite oder jede vierte der Ventilöffnungen (11) des zweiten Verteilerventilteils (8) nit einem Anschluß, vorzugsweise dem druckseitigen ersten Anschluß (1), und die dazwischen angeordneten Ventilöffnungen mit dem anderen Anschluß (2) verbindbar sind.
2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zahnrad (4) das zweite Zahnelement bildet und sechs Zähne hat.
3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede vierte der Ventilöffnungen (11a) des zweiten Verteilerventils (8) dauernd mit dem einen Anschluß (1) und die zu deren beiden Seiten liegenden Ventilöffnungen (11b) dauernd mit dem anderen Anschluß (2) verbunden sind und daß die Umschaltvorrichtung (1.5) lediglich die verbleibenden Ventilöffnungen (11c) wahlweise mit dem einen oder mit dem

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anderen Anschluß verbindet.
4. Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilöffnungen (11) des zweiten Verteilerventilteils (8) als Axialnuten am Umfang eines Drehschiebers (23) ausgebildet sind, daß drei Ringnuten am Umfang des Drehschiebers vorgesehen und axial gegeneinander versetzt sind, von denen die erste Ringnut (25) mit dem einen Anschluß (1) verbunden und auf der einen Seite der Axialnuten angeordnet ist, die zweite Ringnut (27) mit dem anderen Anschluß (2) verbunden und auf der anderen Seite der Axialnuten angeordnet ist und die dritte Ringnut (29) mit der Umschaltvorrichtung (15) verbunden und auf der den Axialnuten gegenüberliegenden Seite der zweiten Ringnut angeordnet ist, und daß jede vierte Axialnut (11a) die erste Ringnut und die zu deren beiden Seiten liegenden Axialnuten (11b) die zweite Ringnut treffen, während Bohrungen (31) im Drehschieber die verbleibenden Axialnuten mit der dritten Ringnut verbinden.
5. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4* dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltvorrichtung (15) ein Drei-Wege-Ventil ist, das in Abhängigkeit vom Druckabfall an der Maschine gesteuert ist. -
6. Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Drei-Wege-Ventil (15) einen Ventilkolben (36) aufweist, der in einer ersten Stellung einen Druckkanal (41) und in einer zweiten Stellung einen Niederdruckkanal (44) mit den umschal tbaren Ventilöffnungen (11c) verbindet sowie in Abhängigkeit vom Druck in einer stirnseitigen Druckkammer (49) aus der einen in die andere Stellung verschiebbar ist und daß die Druckkammer über ein Steuerventil (51, 52₉ 53) in Abhängigkeit von der Stellung eines vom Druckabfall an der Maschine verstellbaren Kolbens (53) mit dem ersten oder zweiten Anschluß (1_y 2) verbindbar ist, wobei der Kolben

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die zugehörigen Ventilöffnungen mit einem Totgang übersteuert.
7. Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (51, 52, 53) im Innern des Ventilkolbens (36) des Drei-Wege-Ventils (15) angeordnet ist.

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