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Die
Erfindung betrifft eine hydrostatische Antriebseinheit gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1.
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Derartige
hydrostatische Antriebseinheiten werden beispielsweise zum Betätigen von
Hydrozylindern verwendet und weisen ein sekundär geregeltes Subsystem auf,
das im Wesentlichen aus einem Hydrotransformator besteht, der an
ein System mit aufgeprägtem
Druck angeschlossen ist. Bei einem Hydrotransformator handelt es
sich im Prinzip um mechanisch gekoppelte hydrostatische Einheiten, von
denen die eine an das System mit dem aufgeprägten Betriebsdruck angeschlossen
ist, und die andere mit dem Verbraucher, beispielsweise einem Hydrozylinder,
verbunden ist. Zum Ausfahren des Hydrozylinders gegen Last arbeitet
die mit dem Zylinder verbundene Einheit als Pumpe, die von dem aus
dem System mit eingeprägtem
Betriebsdruck gespeisten Motor angetrieben wird. Beim Einfahren
des Hydrozylinders unter Last kehren sich die Funktionen des Hydrotransformators
um und die vorher als Motor arbeitende Einheit fährt nun ihrerseits das Sekundärsystem
zurück.
Der Grundaufbau derartiger Hydrotransformatoren ist beispielsweise
in dem Buch "Der Hydrauliktrainer", Band 6, "Hydrostatische Antriebe mit
Sekundärregelung", Kapitel 6; Vogel
Buchverlag Würzburg
beschrieben.
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In
der
EP 0 851 121 ist
ein Hydrotransformator mit zwei Axialkolbenmaschinen offenbart,
die als Motor und Pumpe bzw. in umgekehrter Funktion arbeiten. Die
Kolben der beiden Axialkolbenmaschinen sind an einer gemeinsamen
Schwenkscheibe abgestützt.
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In
der
EP 1 100 670 B1 ist
eine hydrostatische Antriebseinheit gezeigt, bei der ein Differentialzylinder
mittels eines Hydrotransformators betätigbar ist. Der Hydrotransformator
ist mit einem Tankanschluss, einem Druckanschluss und einem Arbeitsanschluss
ausgeführt,
wobei am Druckanschluss, der beispielsweise über einen Hydrospeicher aufgeprägte Druck
anliegt. Dieser Druck wirkt auch im Ringraum des Differentialzylinders.
Der bodenseitige Zylinderraum ist mit dem Arbeitsanschluss des Hydrotransformators
verbunden. Ein derartiges Antriebssystem hat zwar einen vergleichsweise
einfachen Aufbau. Es zeigte sich jedoch, dass der Zylinder im Vergleich
zu einer Antriebseinheit mit herkömmlicher Ventilsteuerung größer dimensioniert
werden muss, weil der Druck im Ringraum B nicht unter den aufgeprägten Druck
reduziert werden kann.
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Prinzipiell
besteht auch die Möglichkeit,
dass hydrostatische Antriebssystem mit einem zusätzlichen Hydrotransformator
auszuführen,
dessen Arbeitsanschluss an den Ringraum angeschlossen ist und an
dessen Druckanschluss der über
einen Hydrospeicher aufgeprägte
Druck anliegt. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel kann zwar der
Zylinder mit der gleichen Größe wie bei
Systemen mit einer herkömmlichen
Ventilsteuerung ausgeführt
werden, nachteilig ist jedoch, dass aufgrund des zweiten Hydrotransformators
ein erheblicher vorrichtungstechnischer Aufwand erforderlich ist.
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Demgegenüber liegt
der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine hydrostatische Antriebseinheit zu
schaffen, die eine Ansteuerung eines Verbrauchers, insbesondere
eines Hydrozylinders mit geringem vorrichtungstechnischen Aufwand
ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch eine hydrostatische Antriebseinheit mit den Merkmalen
des Patentanspruches 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist ein
bei einer derartigen hydrostatischen Antriebseinheit verwendeter
Hydrotransformator im Prinzip aus drei hydrostatischen Einheiten
ausgeführt,
wobei zwei hydrostatische Einheiten, die vorzugsweise als Konstanteinheiten
ausgebildet sind, von einer verstellbaren Hydromaschine antreibbar
sind. Dabei sind die beiden Anschlüsse einer hydrostatischen Einheit
mit den beiden Druckräumen
des Verbrauchers, beispielsweise des Differentialzylinders verbunden,
während
ein Arbeitsanschluss der zweiten hydrostatischen Einheit mit dem größeren der
Druckräume
und ein Tankanschluss dieser hydrostatischen Einheit mit einem Tank
verbunden ist. Der Antrieb dieser beiden hydrostatischen Einheiten
erfolgt über
die verstellbare Hydromaschine, deren Druckanschluss an eine den
aufgeprägten
Druck führende
Druckleitung und deren Tankanschluss an eine zum Tank führenden
Tankleitung angeschlossen ist. Durch die erstgenannte hydrostatische
Einheit wird beispielsweise beim Ausfahren eines Differentialzylinders
Druckmittel aus dem sich verkleinernden Ringraum in den sich vergrößernden
bodenseitigen Zylinderraum gefördert. Die
weitere hydrostatische Einheit fördert
Druckmittel vom Tank in den sich vergrößernden Druckraum. Zum Einfahren
des Differentialzylinders wird die Drehrichtung der verstellbaren
Hydromaschine umgekehrt und von der ersten hydrostatischen Einheit Druckmittel
vom Zylinderraum in den Ringraum gefördert. Die zweite Einheit fördert Druckmittel
vom Zylinderraum zum Tank zurück.
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Bei
einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel
sind die beiden hydrostatischen Einheiten als Konstanteinheiten
ausgeführt,
die von der verstellbaren Hydromaschine antreibbar sind.
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Die
Druckräume
des hydraulischen Verbrauchers weisen vorzugsweise unterschiedliche
Volumina auf, wobei der Förderanschluss
der erstgenannten hydrostatischen Einheit mit dem größeren und der
Förderanschluss
der zweiten hydrostatischen Einheit mit dem kleineren Druckraum
verbunden ist.
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Bei
einer derartigen Konstruktion wird es bevorzugt, wenn ein zweiter
Förderanschluss
der zweiten hydrostatischen Einheit ebenfalls mit dem größeren der
Druckräume
verbunden ist.
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Die
Verdrängungsvolumina
der beiden Konstanteinheiten verhalten sich gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung
zueinander wie das Verhältnis
aus der Kolbenstangenfläche
zur Kolbenbodenfläche.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt das Aufprägen des
Systemdrucks über
einen Hydrozylinder, der von einer Speicherladepumpe aufladbar ist.
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Das
dynamische Verhalten der hydrostatischen Antriebseinheit lässt sich
durch eine Vorspannung des Hydrozylinders verbessern.
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Die
hydrostatische Antriebseinheit lässt
sich besonders kompakt ausführen,
wenn deren Hydrotransformator durch eine Doppelaxialkolbenmaschine
gebildet ist, wobei eine Doppeleinheit beide Konstanteinheiten und
die andere Einheit die verstellbare Hydromaschine ausbildet.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
Prinzip-Schaltbild einer erfindungsgemäßen hydrostatischen Antriebseinheit;
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2 einen
Längsschnitt
durch einen bei einer erfindungsgemäßen hydrostatischen Antriebseinheit
verwendbaren Hydrotransformator in Doppelaxialkolbenbauweise und
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3 ein
Ausführungsbeispiel
einer Vorspannung für
den Hydrozylinder gemäß 1.
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1 zeigt
ein Schaltschema einer hydrostatischen Antriebseinheit 1 für einen
Differentialzylinder 2, der einen bodenseitigen Zylinderraum 4 und einen
kolbenstangenseitigen Ringraum 6 aufweist. Die hydrostatische
Antriebseinheit 1 hat im Wesentlichen einen strichpunktiert
angedeuteten Hydrotransformator 8, bestehend aus einem
hydraulischen Verstellmotor 10, der zwei Konstanteinheiten,
im vorliegenden Fall zwei Konstantpumpen 12, 14 antreibt. Ein
Druckanschluss P des Verstellmotors 10 ist an eine Druckleitung 16 angeschlossen,
der über
einen Hydrospeicher 18 ein Systemdruck aufgeprägt ist. Das
Laden des Hydrospeichers 18 erfolgt mittels einer Speicherladepumpe 20.
Ein Tankanschluss des Verstellmotors 10 ist über eine
Tankleitung 22 mit einem Tank T verbunden.
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Ein
Förderanschluss
P der Konstantpumpe 12 mündet in einer zum Zylinderraum 4 des
Differentialzylinders 2 führenden Arbeitsleitung 24.
Der Sauganschluss T dieser Konstantpumpe 12 ist an die Tankleitung 22 angeschlossen.
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Ein
Förderanschluss
P der weiteren Konstantpumpe 14 mündet in die Arbeitsleitung 24 ein, während der
andere Förderanschluss
T – hier
der Einfachheit halber Sauganschluss genannt – über eine zweite Arbeitsleitung 26 an
den Ringraum 6 angeschlossen ist.
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Beide
Konstantpumpen 12, 14 und der Verstellmotor 10 sind
mit umkehrbarer Förderrichtung ausgeführt, so
dass entsprechend die in 1 als Förderanschluss bezeichneten
Anschlüsse
P der Konstantpumpen auch als Sauganschlüsse wirken können. Die
Drehrichtungsumkehr des Verstellmotors 10 erfolgt durch
entsprechende Einstellung des Schwenkwinkels.
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Dieser
wird zum Ausfahren des Differentialzylinders 2 so eingestellt,
dass die Konstantpumpe 12 Druckmittel aus dem Tank T über die
Tankleitung 22 ansaugt und über den Förderanschluss P und die Arbeitsleitung 24 in
den bodenseitigen Zylinderraum 4 fördert. Das aus dem Ringraum 6 verdrängte Druckmittel
wird über
die zweite Konstantpumpe 14 zu dem von der Konstantpumpe 12 geförderten Druckmittelvolumenstrom
in der Arbeitsleitung 24 summiert, so dass der Differentialzylinder 2 ausfährt.
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Die
Verdrängungsvolumina
V1 und V2 der beiden Konstantpumpen 12 bzw. 14 verhalten
sich zu den Zylinderflächen
A, B (siehe 1) wie folgt: V1/V2
= (A – B)/Bwobei
die Flächendifferenz
A – B
der Kolbenstangenfläche
C entspricht.
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2 zeigt
ein konkretes Ausführungsbeispiel
eines derartigen Hydrotransformators
8, bei dem die drei
hydrostatischen Einheiten als Axialkolbenmaschine in einem kompakten
Gehäuse
zusammengefasst sind. Der Grundaufbau einer derartigen "Floating-Cup-Axialkolbenmaschine" ist beispielsweise
aus der
nachveröffentlichten
Anmeldung 10 2005 056 631.1 bekannt, so dass hier nur die
zum Verständnis
der Erfindung erforderlichen Bauelemente beschrieben werden. Ein
derartiger Hydrotransformator
8 in Axialkolbenbauweise
hat ein Gehäuse
mit einem Mittelteil
28, das stirnseitig durch zwei Anschlussdeckel
30,
32 verschlossen
ist. In dem Gehäuse
ist eine Welle
34 gelagert, die etwa mittig einen radial
vorstehenden Antriebsflansch
36 hat, in den achsparallel
zur Wellenachse
38 eine Vielzahl von Doppelkolben
40 eingesetzt
sind, deren vom Antriebsflansch
36 entfernte, kugelig ausgeführte Endabschnitte
jeweils in eine Zylinderhülse
42 eintauchen
und mit dieser jeweils einen Arbeitsraum
60 begrenzen.
Die in
2 rechts vom Antriebsflansch
36 angeordneten
Zylinderhülsen
42 sind über ein
Feder verschiebbar gegen eine Zylindertrommel
44 vorgespannt,
die ihrerseits stirnseitig an einer Schrägscheibe
46 abgestützt ist,
die mit ihrer balligen Rückseite
in einer entsprechenden Lagerausnehmung
47 verschwenkbar
gelagert ist. In dieser sind Nieren
48,
50 ausgebildet,
die hydraulisch mit einem Druckkanal
54 bzw. einem Tankkanal
52 verbunden
sind, die zum Druckanschluss P bzw. zum Tankanschluss T des Verstellmotors
10 führen. Die
Zylindertrommel
44 ist über
einen Mitnehmer
64 drehfest mit einem Lagerabschnitt der
Welle
34 verbunden, Dieser Mitnehmer
64 ist so
ausgebildet, dass die Zylindertrommel
44 eine Taumelbewegung
ausführen
kann.
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Um
die hydraulische Verbindung zwischen den Nieren 48, 50 und
den zugeordneten Kanälen 52 bzw. 54 bei
unterschiedlichen Schwenkwinkeln zu ermöglichen, sind an der ballig
ausgeführten
Rückseite der
Schrägscheibe 46 Steuertaschen 56, 58 ausgebildet.
Die durch jeweils eine Zylinderhülse 42 und
einen Endabschnitt des Doppelkolbens 40 begrenzten Arbeitsräume 60 der
Axialkolbeneinheit sind durch jeweils einen Verbindungskanal 62 – in Abhängigkeit von
dem Drehwinkel der Zylindertrommel 44 mit einer der Steuernieren 48 bzw. 50 verbindbar,
so dass Druckmittel über
den Druckkanal 52 in Arbeitsräume 60 einströmen oder
aus diesen über
den Tankkanal 54 zum Tankanschluss T verdrängt werden
kann.
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Die
in 2 links vom Antriebsflansch 36 angeordneten
Endabschnitte der Doppelkolben 40 tauchen entsprechend
in Zylinderhülsen 42 ein,
die auf einer weiteren Zylindertrommel 66 dichtend geführt sind.
Auch diese Zylindertrommel 66 ist über einen weiteren Mitnehmer 68 mit
einem weiteren Lagerabschnitt der Welle 34 derart verbunden,
dass sie eine Taumelbewegung durchführen kann. Die in 2 linke
Stirnfläche
der Zylindertrommel 66 ist gegen eine Schrägscheibe 70 vorgespannt,
an der zwei radial innen liegende Steuernieren 72, 74 und
zwei radial außen
liegende Steuernieren 76, 78 ausgebildet sind. Die
Steuernieren 72, 74 sind dabei der Konstantpumpe 12 und
die außen
liegenden Steuernieren 76, 78 der Konstantpumpe 14 zugeordnet.
Die in der Schrägscheibe 70 ausgebildeten
Steuernieren 74 und 76 sind über Arbeitskanäle 80 bzw. 82 mit
der ersten Arbeitsleitung 24 verbunden, die ihrerseits
in den Zylinderraum 4 des Differentialzylinders 2 einmündet. Die
radial innen liegende Steuerniere 72 ist über einen
weiteren Arbeitskanal 86 mit der weiteren Arbeitsleitung 26 und
die Steuerniere 78 über
einen Tankkanal 84 mit der Tankleitung 22 verbunden,
so dass sich die in 1 dargestellten Druckmittelströmungspfade
ausbilden.
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Wie
weiterhin in 2 dargestellt, ist jeder zweite
der von den linken Endabschnitten der Doppelkolben 40 und
der jeweils zugeordneten Zylinderhülse 42 begrenzte Arbeitsräume 88 über einen Schrägkanal 90 in
der Zylindertrommel 66 mit der Steuerniere 76 oder über einen
weiteren Schrägkanal 92 mit
der Steuerniere 78 verbindbar. Die dazwischen liegenden
Arbeitsräume 68 sind über die
gestrichelt angedeuteten Kanäle 94, 96 mit
der Steuerniere 74 bzw. 72 verbindbar. D.h. jeder
zweite Endabschnitt des Doppelkolbens 40 links vom Antriebsflansch 36 ist
somit ein Kolben der Konstantpumpe 12, während die
dazwischen liegenden Endabschnitte Kolben der weiteren Konstantpumpe 14 sind.
Ein derartiges Konstruktionsprinzip ist als so genannte "Split Flow-Doppelpumpe" bekannt.
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Die
vorbeschriebene Doppel-Axialkolbenmaschine zeichnet sich durch einen äußerst einfachen und
kompakten Aufbau aus. Hinsichtlich weiterer Details, insbesondere
der dichtenden Führung
der Zylinderhülsen 42 auf
der zugeordneten Zylindertrommel 44 bzw. 66 sei
auf die vorgenannte nachveröffentlichte
Anmeldung verwiesen, die eine so genannte "Floating-Cup-Pumpe" zeigt.
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Das
dynamische Verhalten der hydrostatischen Antriebseinheit lässt sich
durch Vorspannen des Differentialzylinders 2 verbessern.
In 3 ist eine Möglichkeit
für eine
derartige Vorspannung dargestellt. Demgemäß zweigen von den beiden Arbeitsleitungen 24, 26 Vorspannleitungen 98 bzw. 100 ab.
Die Vorspannleitung 100 führt zu einer Speicherleitung 102,
in der eine erste Blende 104 mit vergleichsweise großem Durchmesser
ausgebildet ist. Die Vorspannleitung 102 ist einerseits
mit einem Hydrospeicher 106 und andererseits über eine
zweite Blende 108 mit vergleichsweise geringem Durchmesser
mit dem Tank T verbunden. Im Bereich zwischen der ersten Blende 104 und
dem Hydrospeicher 106 zweigt von der Vorspannleitung eine
Zweigleitung 110 ab, in der eine dritte Blende 112 und
eine vierte Blende 114 angeordnet sind und die jenseits von
der vierten Blende 114 in den Tank T einmündet. Die
Vorspannleitung 98 ist an den Bereich zwischen den beiden
Blenden 112, 114 angeschlossen. Mit anderen Worten
gesagt, über
die beiden Vorspannleitungen 98, 100 wird zwischen
den jeweils zugeordneten Blenden 104, 108 bzw. 112, 114 ein
Vorspanndruck für
den Differentialzylinder 2 abgegriffen, wobei die geringen
Druckmittelverluste über
die kleinen Blenden 108, 114 zum Tank T hin in
Kauf genommen werden können.
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In
der Grundposition ist der Verstellmotor 10 auf 0 zurückgeschwenkt,
d.h. die Schrägscheibe 46 gemäß 2 ist
mit ihrer zur Zylindertrommel 44 weisenden Stirnfläche quer
zur Wellenachse 38 eingestellt. Zum Ausfahren des Differentialzylinders 2 wird die
Steuerscheibe 46 (2) so verschwenkt,
dass die Konstantpumpe 12 Druckmittel aus dem Tank T in die
Arbeitsleitung 24 und von dort in den bodenseitigen Zylinderraum 4 fördert. Die
weitere Konstantpumpe 14 fördert das Druckmittel aus dem
sich verkleinernden Ringraum 6 zusätzlich in die Arbeitsleitung 24.
Zum Einfahren des Zylinders wird durch entgegengesetztes Verschwenken
der Steuerscheibe 46 die Förderrichtung der Konstantpumpen 12, 14 umgedreht,
so dass entsprechend Druckmittel aus dem Zylinderraum 4 über die
Arbeitsleitung 24 und die Konstantpumpe 12 in
die Tankleitung 22 und von dort in den Tank T gefördert wird.
Gleichzeitig fördert die
Konstantpumpe 14 Druckmittel direkt aus der Druckleitung 24 über die
zweite Arbeitsleitung 26 in den sich vergrößernden
Ringraum 6.
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Im
Gegensatz zu konventionellen Antriebssystemen ist der Schwenkwinkel
des Verstellmotors nicht mehr einer genau definierten Antriebsdrehzahl zugeordnet,
sondern bei aufgeprägtem
Systemdruck einem bestimmten Drehmoment.
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Bei
den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen
wurden Konstantpumpen 12, 14 verwendet. Prinzipiell
könnten
jedoch auch Verstellpumpen eingesetzt werden.
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Offenbart
ist eine hydrostatische Antriebseinheit zur Druckmittelversorgung
eines hydraulischen Verbrauchers mit zwei Druckräumen. Die hydrostatische Antriebseinheit
hat erfindungsgemäß einen
Verstellmotor und zwei hydrostatische Einheiten, die über den
Verstellmotor antreibbar sind. Über
eine der hydrostatischen Einheiten wird Druckmittel direkt von einem
der Druckräume
in den anderen Druckraum gefördert.
Die weitere hydrostatische Einheit fördert Druckmittel aus einem
Tank in den letzt genannten Druckraum oder je nach Antriebsrichtung von
diesem in den Tank.
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- 1
- hydrostatische
Antriebseinheit
- 2
- Differentialzylinder
- 4
- Zylinderraum
- 6
- Ringraum
- 8
- Hydrotransformator
- 10
- Verstellmotor
- 12
- Konstantpumpe
- 14
- Konstantpumpe
- 16
- Druckleitung
- 18
- Hydrospeicher
- 20
- Speicherladepumpe
- 22
- Tankleitung
- 24
- Arbeitsleitung
- 26
- zweite
Arbeitsleitung
- 28
- Mittelteil
- 30
- Anschlussdeckel
- 32
- Anschlussdeckel
- 34
- Welle
- 36
- Antriebsflansch
- 38
- Wellenachse
- 40
- Doppelkolben
- 42
- Zylinderhülse
- 44
- Zylindertrommel
- 46
- Schrägscheibe
- 47
- Lagerausnehmung
- 48
- Niere
- 50
- Niere
- 52
- Druckkanal
- 54
- Tankkanal
- 56
- Steuertasche
- 58
- Steuertasche
- 60
- Arbeitsraum
- 62
- Verbindungskanal
- 64
- Mitnehmer
- 66
- Zylindertrommel
- 68
- Mitnehmer
- 70
- Schrägscheibe
- 72
- Steuerniere
- 74
- Steuerniere
- 76
- Steuerniere
- 78
- Steuerniere
- 80
- Arbeitskanal
- 82
- Arbeitskanal
- 84
- Tankkanal
- 86
- Arbeitskanal
- 88
- Arbeitsraum
- 90
- Schrägkanal
- 92
- weiterer
Schrägkanal
- 94
- Kanal
- 96
- Kanal
- 98
- Vorspannleitung
- 100
- Vorspannleitung
- 102
- Vorspannleitung
- 104
- erste
Blende
- 106
- Hydrospeicher
- 108
- zweite
Blende
- 110
- Zweigleitung
- 112
- dritte
Blende
- 114
- vierte
Blende