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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Kreiskolbenmaschine mit mindestens
einem entlang eines zumindest teilweisen Kreisbogens gekrümmten Kreiszylinder,
in dem ein Kolben beweglich in einem eine Bewegung vermittelnden
Fluid gelagert ist, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Eine
Kreiskolbenmaschine dieser Art ist in der
DE 91 03 452 U1 angegeben.
Bei dieser bekannten Kreiskolbenmaschine in Form eines Öldruckmotors
ist in einem kreisringförmigen
Gehäuse
ein mit einem Antrieb verbundener Kolben durch Öldruckbeaufschlagung in Drehung
versetzt. Hierzu wird in den rohrringförmigen Innenraum des Gehäuses mittels einer Öldruckpumpe über eine Öldruckleitung Öl zugeführt, um
eine Voreilung des Kolbens zu erzielen. Zur Vermeidung von Ölstau-Energieverlusten,
die durch einen Ölstau
zwischen einer Kolbenwand und einer Wand eines Schiebers entstehen
können,
wird Öl über eine
Saugleitung mittels einer zwischengeschalteten Absaugpumpe in diesem
Bereich beseitigt, wodurch ein kontinuierlich gleichmäßiger Kolbenumlauf
gewährleistet
sein soll. Der Kolben ist an einer radial durch einen Spalt aus
dem rohrringförmigen
Gehäuse
geführten
umlaufbaren Kolbenscheibe angebracht, die an einer zentralen Motorwelle
befestigt ist. Wie der Querschnitt nach
2 dieser
Druckschrift zeigt, erstrecken sich die beiden den Rohrringraum
umgebenden Motorhälften über die
gesamte Querschnittsfläche
des Motors, wobei die Welle durch die Motorhälften hindurchgeführt ist.
Bei der gezeigten Ausführung
kann sich der Öldruck
innerhalb des Zylinders nach seinem Einstrom in den Zylinderraum
in beiden Richtungen gleichermaßen
ausbreiten, wobei die Saugleitung offenbar in einem Ölsumpf endet.
Bei diesem Aufbau wird keine fortwährende Betriebsfunktion erreicht.
Auch sind keine Angaben zu einer Abdichtung gemacht. Eine solche könnte bei
diesem Aufbau beispielsweise im Bereich zwischen Welle und Gehäuse vorgenommen
werden.
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In
der
DD 276 122 A1 ist
ein Hydraulikmotor mit Getriebewirkung angegeben, mit dem bei niedrigen
Drehzahlen bestimmte Drehwinkeleinstellungen möglich sind. Dabei sind um ein
Zahnrad auf einer Welle, die in einem Gehäuse drehbar gelagert ist, radial
Flachkolben mit keilförmiger
Spitze zum Zahnrad hin und einer T-förmigen Ausbildung auf der dem Zahnrad
abgewandten Seite in einer mit dem Gehäuse fest verbundenen Segmenthülse gleitbeweglich angeordnet.
In einen Zylinderraum eindringendes Öl schiebt die Flachkolben mit
der keilförmigen
Spitze in die Verzahnung des Zahnrads. Durch die Teilungsdifferenz
von Flachkolben und Zahnrad wird das Zahnrad gedreht, wobei sich
ständig
mehrere Kolben im Eingriff befinden. Durch die kontinuierliche,
nacheinander erfolgende Beaufschlagung der Flachkolben wird eine
gleichförmige
Drehbewegung erzeugt. Bei dieser Gestaltung des Hydraulikmotors
müssen
eine Vielzahl von Flachkolben in Abstimmung aufeinander bewegt werden,
wobei die Bewegung in radialer Richtung erfolgt. Dieser für definierte
Drehwinkeleinstellungen vorgesehene Aufbau ist relativ aufwändig und
nur für
relativ langsame Drehbewegungen geeignet.
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Die
FR 2 500 075 A1 zeigt
einen weiteren Hydraulikmotor mit einem kreisbogenförmig gekrümmten Kreiszylinder
und darin angeordneten, von dem Hydraulikmedium beaufschlagten Kolben,
die an einer zentralen Welle befestigt sind. Innerhalb des Zylinderraums
sind Klappen beweglich gelagert, die in Aussparungen der Zylinderwand
hineingeschwenkt werden, um den Weg des durchlaufenden Kolbens freizugeben.
In diesem Bereich ist jedoch keine Abdichtung der Kolben entlang
der Zylinderwand gegeben, so dass keine zuverlässige Funktion gewährleistet
ist. Auch können
die Kolben den Zylinderraum nur in Einschwenkrichtung der Klappen durchlaufen.
Ferner sind die Kolben und Klappen einem hohen Verschleiß unterworfen,
wodurch eine dauerhafte Funktion und ein hohes Drehmoment nicht
gewährleistet
sind. Der Zylinderraum ist von miteinander verbundenen Gehäusehälften eingefasst,
die radial zur Gehäusemitte
hin ragende, an eine zentrale Welle angrenzende Vorsprünge aufweisen.
Zwischen den Vorsprüngen
ist ein Spalt freigelassen, durch den Hebelarme geführt sind,
die einerseits mit den Kolben und andererseits mit der zentralen
Welle verbunden sind, wobei zwischen den als Kreisscheibe ausgebildeten
Hebelarmen und den Vorsprüngen
Dichtelemente angeordnet sind. Die kreisscheibenförmigen Hebelarme
sind mit Aussparungen 16 für
einen Druckabbau versehen.
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Eine
weitere Kreiskolbenmaschine, die als Dosierpumpe ausgebildet ist,
zeigt die
GB 1 283 907 . Hierbei
sind in zwei sich konzentrisch gegenüberliegenden Teilkreiszylindern
gekrümmte
Kolben mit daran angeschlossenen gekrümmten Kolbenstangen gelagert,
die von einer zentralen Welle in Hin- und Herbewegung über einen
an der Kolbenstange angreifenden Hebel bewegt werden, um eine Flüssigkeit
pulsförmig
in genau dosierter Menge zu pumpen. Die Kolbenstangen sind entsprechend
dem Verlauf des Kreisbogens durch deren Querschnittsfläche stirnseitig
aus dem jeweiligen Teilkreiszylinder herausgeführt und außerhalb des Zylinders mit dem
Hebel gekoppelt. Durch diesen Aufbau ist die Bewegung des Kolbens
bzw. der Welle auf einen relativ geringen Winkelbereich beschränkt, wobei
der Aufbau primär Synchronisierfunktion
besitzt. Außerdem
ist eine exakte Führung
und Kräfteübertragung
zwischen Welle und Kolben insbesondere bei relativ hohen Drehmomenten
schwierig und der Aufbau ist zum Übertragen hoher Kräfte bzw.
Momente ungeeignet.
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Weit
verbreitet sind auch geradlinig ausgedehnte Kolben-/Zylindereinheiten
für Antriebszwecke,
beispielsweise zum Bewegen eines Hebelarms bei einem Bagger. Hierbei ändert sich
bei der Schwenkbewegung der Hebelarm und dadurch auch das wirkende
Moment und die Kräfte
insbesondere auch in den Lagerstellen.
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Die
DE 39 00 375 zeigt eine
Brennkraftmaschine mit in einem Ringraum gleichmäßig umlaufenden Kolben. In
diesen ringraumförmigen
Zylinderraum sind die vier Arbeitstakte einer Brennkraftmaschine
in Reihe integriert. Hierbei ist es schwierig, einen genau steuerbaren
Bewegungsablauf über
die Bewegungsstrecke zu erreichen. Außerdem erfordert der Aufbau
aufwändige
Maßnahmen
zur Steuerung der Verbrennung, Erzeugen des Brennstoffgemischs und
Führung
der Abgase. Insbesondere auch bei langsamen Bewegungen und hohen
Drehmomenten ist es schwierig, eine derartige Maschine geeignet aufzubauen.
Um eine derartige Brennkraftmaschine geht es daher vorliegend nicht.
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Bei
einer in der
WO 92/16728
A2 gezeigten Kreiskolbenmaschine ist ein Kreiskolbenmechanismus über Getriebeelemente
an eine zentrale Welle gekoppelt. Das Gehäuse des Kreiszylinders besitzt auf
seiner zur Welle hin gerichteten Innenseite axial nach außen erstreckte
Abschnitte, die mittels radial zur Welle sich erstreckender Platten
zu einem das Getriebe umfassenden Gehäuse ergänzt sind. Bei hohen Drücken innerhalb
des Kreiszylinders ist es auch hierbei schwierig, eine zuverlässige Abdichtung zu
erreichen.
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Weitere
Kreiskolbenmaschinen mit in einem Kreiszylinder bewegten Kolben
zeigen auch die
GB 2 262
965 A und die
US
4,636,157 A , wobei vorstehend angesprochene Probleme ebenfalls
auftreten können.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kreiskolbenmaschine bereit
zu stellen, mit der eine sichere Funktion von Bewegungsabläufen auch bei Übertragung
hoher Drehmomente mit hoher Genauigkeit erreicht wird.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
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Dieser
Aufbau ergibt eine stabile Kopplung zwischen Kolben und Welle mit
möglichst
geringem Koppelweg bei zuverlässiger
Abdichtung. Über
die Länge
des Hebels und/oder den Zylinderquerschnitt bzw. die wirksame Fläche des
Kolbens kann eine Anpassung an die Erfordernisse des jeweiligen
Einsatzzwecks in weiten Bereichen erfolgen. Auch bei hohen Drehmomenten,
beispielsweise für
Antriebszwecke, ist eine genaue Steuerung der Bewegungsabläufe z. B. über ein
Programm in einer Steuereinrichtung möglich, insbesondere wenn eine
Flüssigkeit
als inkompressibles Fluid verwendet wird. Bei einem Antrieb kann
die Steuerung vermittels einer exakt arbeitenden Pumpe und in gewünschter
Weise ansteuerbarer Schaltventile erfolgen. Der Querschnitt des Kolbens
bzw. Zylinderraums braucht nicht kreisförmig zu sein, sondern kann
auch eine praktisch beliebige andere Form aufweisen. Auch braucht
der Hebel nicht an der der Welle unmittelbar gegenüberliegenden
Innenseite der Zylinderwandung herausgeführt zu werden, sondern der
Spalt kann beispielsweise auch an der Unterseite des Kreiszylinders
angeordnet sein, wodurch der Kreiszylinder auf der Bewegungsebene
des Hebels aufgebaut werden kann.
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Eine
vorteilhafte Führung
des Hebels und Abdichtung des Spalts wird dadurch erreicht, dass der
Hebel über
seinen gesamten Bewegungsbereich entlang der gesamten Spaltlänge z. B.
als Kreisring oder Kreisscheibe ausgedehnt ist.
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Der
Aufbau und die Funktion werden ferner dadurch begünstigt,
dass der Hebel in Draufsicht die Form einer Kreisscheibe oder eines
Kreisausschnittes besitzt oder dass der Kreiszylinder unmittelbar
an den Außenumfang
der Welle angrenzt. Zum Ankoppeln an der Welle können axial ein- oder beidseitig angebrachte
Wellenstümpfe
dienen.
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Für den Aufbau
und die Montage sind auch die Maßnahmen von Vorteil, dass der
Kreiszylinder bezüglich
der Bewegungsebene des Kolbens aus zwei miteinander verbundenen
Halbschalen zusammengesetzt ist.
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Verschiedene
weitere Ausgestaltungsvarianten ergeben sich dadurch, dass der Hebel
mittels einer Nabe an die Welle gekoppelt ist, die eine Kraftübertragung
in beiden Drehrichtungen oder nur in einer Drehrichtung bewirkt
und in der anderen Drehrichtung einen Freilauf bewirkt.
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Vorteilhafte
weitere Maßnahmen
bestehen darin, dass mindestens zwei unabhängig voneinander umlaufende
Kolben in einem 360° umfassenden Zylinder
angeordnet sind oder dass mindestens zwei Kreiszylinder an eine
Welle gekoppelt sind, die auf sich radial gegenüberliegenden Seiten der Welle
angeordnet sind und/oder axial versetzt. Mit mehreren Kreiszylindern
kann bei Parallelbetrieb z. B. das Antriebsmoment erhöht oder
umgekehrt eine Pumpleistung vergrößert werden. Bei sich radial
gegenüberliegender
Anordnung mindestens zweier Kreiszylinder kann durch entsprechende
Steuerung eine fortlaufend um 360° umlaufende
Bewegung der Welle bei einem Antrieb erreicht werden. Durch einen
zusätzlichen
Axialversatz können
Aufbauten mit verschiedener Überlappung
der Kreiszylinder verwirklicht werden.
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Eine
Steuerung über
größere Winkelbereiche
kann z. B. dadurch erreicht werden, dass mindestens zwei unabhängig voneinander
umlaufende Kolben in einem 360° umfassenden
Zylinder angeordnet sind oder dass mindestens zwei Kreiszylinder an
eine Welle derart gekoppelt und betrieben sind, dass die Kolben
phasenverschoben arbeiten. Bei zwei voneinander unabhängig in
einem Kreiszylinder arbeitenden Kolben wird jeweils immer einer
durch ein ansteuerbares Verriegelungselement in seiner Bewegung
relativ zu dem Zylinder gesperrt.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung für die Bewegungssteuerung besteht
darin, dass Fluidanschlüsse
der Kreiszylinder in der Weise miteinander verbunden sind, dass
eine Rückführung des
einen Kolbens durch den Antrieb des anderen Kolbens geschieht.
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Ist
vorgesehen, dass die Ausdehnung des Kolbens in Bogenrichtung des
Kreiszylinders verstellbar ist, so ergeben sich exakte Justiermöglichkeiten.
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Eine
vorteilhafte Anwendung besteht darin, dass die Kreiskolbenmaschine
als Lenkantrieb eines gelenkten Rades eingesetzt wird. Bei mehreren
gelenkten Rädern
ergeben sich über
ein einfach anpassbares Steuerprogramm individuelle, aufeinander abgestimmte
Steuerungen des Lenkeinschlags der Einzelräder eines Fahrzeugs.
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Eine
weitere vorteilhafte Anwendung besteht darin, dass die Kreiskolbenmaschine
als Drehantrieb eines Rades eingesetzt wird, so dass bei einem Fahrzeug
z. B. jedem Rad ein individueller Antrieb mit zentraler oder dezentraler
Steuerung zugeordnet werden kann.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
Kreiskolbenmaschine in Draufsicht in einer schematischen Schnittdarstellung,
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2 die
Kreiskolbenmaschine im Querschnitt bezüglich des Kreiszylinders in
schematischer Darstellung,
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3 einen
Ausschnitt der Kreiskolbenmaschine im Bereich einer Ankopplung der
Welle,
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4 eine
schematische Darstellung einer Kopplung zweier Kreiszylinder in
und
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5 einen
Ausschnitt der Kreiskolbenmaschine im Bereich der Kopplung zwischen
einem Kreiszylinder und einem Hebel, der zwischen Kolben und Welle
verläuft,
im Querschnitt.
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Die 1 zeigt
einen Schnitt durch eine Kreiskolbenmaschine senkrecht zur Welle
in schematischer Darstellung. Ein Kolben 2 wird in einem sich
entlang einem Teilkreis um mehr als 180° erstreckenden Kreiszylinder 1 geführt und überträgt durch einen
Hebel 5, der z. B. als kreisförmige Scheibe ausgebildet ist,
die Bewegung des Kolbens über
eine Nabe 6 auf eine Welle 7.
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Der
Kolben 2 wird z. B. als Antriebsglied durch Einpumpen eines
vorteilhafterweise inkompressiblen Fluids durch einen entsprechenden
Fluidanschluss 3 oder 4 und Abführen des
Fluids über
den anderen Fluidanschluss 4 bzw. 3 bewegt. Auf
der Welle 7 sitzt zur Kopplung zwischen dem Hebel 5 und der
Welle die Nabe 6, die in verschiedener Weise ausgeführt sein
kann, beispielsweise zur Übertragung
des Drehmoments auf die Welle 7 in einer Richtung und Freilauf
in der anderen Richtung oder zur Drehmomentübertragung in beiden Richtungen.
Bereits bei nur einem Kreiszylinder 1 und entsprechender
Bauweise des Kolbens 2 kann ein relativ großer Winkelbereich
zwischen z. B. 180° und
320° abgedeckt
werden, so dass der Kreiskolbenantrieb als Aggregat für eine Hin-
und Herbewegung beispielsweise für
die Lenkung einzelner Räder
bei einem Fahrzeug, wie etwa einem Gabelstapler, vorteilhaft verwendet
werden kann.
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Bei
einer Ausgestaltung des Kreiskolbenantriebs können auch zwei oder mehr Kreiszylinder 1 vorgesehen
sein, die in gleicher Richtung parallel betrieben werden oder die
in entgegen gesetzter Richtung ihre Drehmomente übertragen, wobei der jeweils
andere Hebel im Freilauf bezüglich
der Welle 7 betrieben wird. Oder die Kreiszylinder 1 können bezüglich der
Welle auf radial gegenüberliegenden
Seiten gegebenenfalls axial bezüglich
der Welle versetzt angeordnet sein, so dass mittels mehrerer Kreiszylinder 1 durch
phasenversetzte Ansteuerung auch eine fortlaufende Rotationsbewegung
der Welle um 360° realisiert
werden kann. Auch kann durch die Steuerung bei unverändertem
Aufbau des Antriebsaggregates durch entsprechende Ansteuerung von
Schaltventilen 11 dasselbe Antriebsaggregat einmal im Parallelbetrieb
der Kreiszylinder 1 und das andere Mal im versetzten Betrieb
gesteuert werden. Auch Mischformen sind möglich. Es können also mit derselben Maschine
unterschiedliche Drehmomentbereiche und Winkelbereiche der Bewegung
abgedeckt werden.
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Eine
andere Ausführungsform
besteht darin, dass zwei Kolben in demselben Zylinderraum arbeiten,
wobei den Kolben getrennte, axial versetzte Hebel zugeordnet sind,
welche über
freischaltbare Verriegelungselemente, wie z. B. Sperrklinken, über eine Nabe
mit der Welle 7 gekoppelt sind, wie in 3 schematisch
dargestellt. Auf diese Weise sind die Kolben relativ zueinander
in dem Zylinderraum bewegbar, um durch geeignete Steuerung den Antrieb zu
bewirken.
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2 zeigt
einen axialen Schnitt der Kreiskolbenmaschine. Auf der linken Seite
ist der Kolben 2 in dem Kreiszylinder 1 zu sehen.
In dieser Darstellung wird deutlich, wie der Hebel 5, z.
B. realisiert durch eine kreisförmige
Scheibe, in den Kreiszylinder 1 hineinreicht und mit dem
Kreiszylinder 1 den Hohlraum abschließt. Dabei ist der Hebel 5 mit
dem Kolben 2 fest verbunden.
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3 zeigt
einen Querschnitt der Kreiskolbenmaschine im Bereich der Welle 7 und
der Nabe 6. Hierbei ist ein Freilauf mittels Verriegelungselementen
in Form von Klinken 8 und Noppen 9 bzw. einer Zahnung
gebildet, wobei sich die Klinken 8 in Antriebsrichtung
an steilen Flanken der Noppen 9 bzw. Zahnung abstützen, während die
Klinken 8 in Freilaufrichtung über die flachen Flanken der
Noppen 9 bzw. Zahnung hinweggleiten. Ein derartiger Sperrklinkenmechanismus
kann mit in beiden Richtungen schwenkbaren Doppelklinken auch in
der Weise aufgebaut sein, dass ein Antrieb einerseits und Freilauf andererseits
in beiden Richtungen ermöglicht
wird, wozu entsprechend steile und flache Zahnflanken in unterschiedlicher
Richtung an der Welle oder Nabe z. B. axial versetzt vorgesehen
sind, mit denen die dann ebenfalls axial versetzten Klinken zusammenwirken. Zum
Verstellen der Klinken ist z. B. ein Schaltmagnet oder Hydrauliksteller
vorgesehen.
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4 zeigt
eine schematische Darstellung zur Kopplung zweier Kreiszylinder 1 zu
einem Kreiskolbenantrieb. Die Kopplung ermöglicht es, bei einem entsprechenden
Anschluss an das Schaltventil 11, die Welle 7 mit
konstantem Drehmoment anzutreiben bzw. das Fluid mit konstantem
Fluss mittels einer Pumpe 15 zu pumpen. Hierzu werden die
Fluidanschlüsse 4A und 3B bzw. 3A und 4B über eine Verbindungsleitung 10 verbunden,
so dass während der
eine Kolben (z. B. 2A) die Welle 7 antreibt, der andere
Kolben (z. B. 2B) zurückgeführt wird.
Der Pfeil in 4 deutet die Richtung an, in
der eine Kraft auf die Welle 7 ausgeübt werden kann.
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5 zeigt
eine Ausführung
der Kreiskolbenmaschine, bei der ein Druck auf die Wandung des Kreiszylinders 1 durch
eine an dem Hebel 5 angebrachte klauenartige Klemme 12 aufgenommen
wird. Dadurch kann die Wandung z. B. deutlich dünner ausgeführt werden als ohne eine derartige
Klemme oder die Kreiskolbenmaschine kann für deutlich höheren Druck
ausgelegt werden. An den beidseitigen Vorsprüngen 14 im Spaltbereich,
die von der Klemme 12 übergriffen
werden, können
im Spaltbereich zu den beiden angrenzenden Hebelflächen Dichtungen 13,
insbesondere Dichtungsringe, vorteilhaft eingesetzt werden.
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Ein
kurzer Hebel 5 kann z. B. dadurch erreicht werden, dass
die Welle 7 und der Kreiszylinder 1 im Spaltbereich
aneinander grenzen und z. B. eine Abdichtung in der Weise vorgenommen
wird, wie in 5 gezeigt.
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Weiterhin
ist vorteilhaft vorgesehen, dass die Kreiszylinder 1 z.
B. in der mittleren Bewegungsebene der Kolben 2 aus zwei
Teilen zusammengesetzt sind, so dass der Kolben 2 und die
Dichtungen 13 problemlos eingesetzt werden können. Hierbei
kann z. B. auf der Außenseite
der Kreiszylinder 1 ein Flansch zum Verspannen der beiden
Halbschalen des Kreiszylinders 1 angeformt sein.
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Die
beschriebene Grundeinheit der Kreiskolbenmaschine lässt sich
für verschiedene
Zwecke einsetzen, beispielsweise als zentraler oder dezentraler
Lenkantrieb von Rädern,
als Drehantrieb von Rädern,
als hydraulischer Stellmotor, in Kombination als hydraulische Pump-/Motorenanordnung
z. B. zum Nachbilden einer Kardanwelle und dgl.