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Die Erfindung betrifft ein hydraulisches System mit einer Hydraulikmaschine, insbesondere eine Axialkolben- oder Radialkolbenmaschine, bei der die bewegbaren, insbesondere drehbaren, Maschinenteile nicht in Druckflüssigkeit planschen. Die Erfindung bezieht sich dabei auf alle Hydraulikmaschinen-Typen, bei denen, insbesondere zum Zwecke der Schmierung, Leckageflüssigkeit auftritt, welches dem Arbeitskreislauf wieder zugeführt werden soll.
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Werden hydraulische Motoren oder Pumpen in einem mit Druckflüssigkeit gefüllten Gehäuse betrieben, so treten Planschverluste auf, die mit steigender Drehzahl zunehmen. Das Öl in ölgefüllten Gehäusen wird zudem durch die sich bewegenden bzw. rotierenden Teile aufgeschäumt, wodurch es unter anderem bei der Weiterleitung dieses Öls in Vorratstanks zu Problemen kommt. Eine derartige Weiterleitung der Druckflüssigkeit mit der das Gehäuse befüllt ist, wird herkömmlich durch Pumpen oder durch Über- oder Unterdruck im Gehäuse bewerkstelligt, wodurch die Druckflüssigkeit in den Druckflüssigkeits-Vorratstank der Arbeitsmaschine gepresst bzw. gesaugt wird. Die erzwungene Weiterleitung des Öls in herkömmlichen hydraulischen Systemen ist notwendig, da Leitungsverluste durch Strömungswiderstände in den Leitungen zum Vorratstank und üblicherweise auch Niveauunterschiede zwischen Hydraulikmaschine und Tank überwunden werden müssen. Die Tanks herkömmlicher hydraulischer Arbeitsmaschinen sind normalerweise über den Hydraulikmotoren, die üblicherweise auf der anzutreibenden Achse sitzen, angeordnet, bspw. deutlich oberhalb der anzutreibenden Achse.
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Durch die Zwangseinleitung des Öls in den Vorratsbehälter kommt es zu weiteren Verwirbelungen des Öls mit dem darin befindlichen Öl und der dort vorhandenen Luft. Daher kommt es zu einem weiteren Aufschäumen der Druckflüssigkeit und somit zu einer weiteren Volumenzunahme durch Lufteinschluss im Öl. Der Einschluss von Luft in die Druckflüssigkeit verringert aber die Kompressibilität der Druckflüssigkeit, wodurch eine Entgasung der Druckflüssig erforderlich ist, bevor die dem Gehäuse entnommene Druckflüssigkeit wieder dem Arbeitskreislauf zugeführt werden kann. Dies erfolgt üblicherweise durch Beruhigung der Druckflüssigkeit in einem groß dimensionierten Vorratsbehälter, in welchem die eingeschlossene Luft durch Absetzen des Öls aus dem Öl-Luft-Gemisch entweichen kann. Hierfür sind große Vorratsbehälter notwendig, da das Entweichen der Luft eine gewisse Zeit in Anspruch nimmt und Druckflüssigkeit aufgrund des angelegten Über- oder Unterdrucks in der Hydraulikmaschine kontinuierlich aus dem Vorratstank entnommen und dem Arbeitskreislauf zugeführt werden muss. Dabei muss eine Druckflüssigkeitsentnahme ohne Luft gewährleistet sein, was in herkömmlichen Maschinen nicht immer der Fall ist.
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Das Öl in Gehäusen von Hydraulikmaschinen, das im Allgemeinen auch als Lecköl oder Leckflüssigkeit bezeichnet wird, bildet sich im Wesentlichen durch Leckage aufgrund von Schmierung und Kühlung von relativ zueinander bewegten Teilen, insbesondere der Relativbewegung zwischen Kolben und Zylindern, aber auch bei der Schmierung von Gleitlagern. Leckage kann aber auch im Steuerkreislauf für die Hydraulikmaschine auftreten, der ebenfalls normalerweise über die Speisepumpe mit Druckflüssigkeit versorgt wird. Damit alle bewegten Teile mit Öl versorgt werden können, wird im Allgemeinen das Gehäuse der Hydraulikmaschine vollständig mit Öl gefüllt, wodurch es zu den oben bereits genannten Planschverlusten kommt. Ferner ist in herkömmlichen Hydraulikmaschinen für die Abfuhr/Zirkulation des Öls im Gehäuse eine Pumpleistung notwendig, die dem hydraulischen System zur Verrichtung von Arbeit nicht mehr zur Verfügung steht.
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US 3 250 931 A zeigt eine von zwei Elektromotoren angetriebene Kolbenmaschine mit einer Kolbenstange, welche für ein geradliniges Hin- und Herbewegen entlang der Längsachse als auch für eine Rotation um die eigene Achse in einem Führungslager gelagert ist. Durch die überlagerte Translations- bzw. Rotationsbewegung der Kolbenstange und des mit dieser verbundenen Kolbens werden Ventilöffnungen freigegeben bzw. verschlossen. Die Kolbenstange ist im Inneren hohl und weist Ölkanäle auf. Das Führungslager ist in einem Stützflansch im Gehäuse aufgenommen, welcher eine mediale Öffnung aufweist. Durch diese Öffnung kann Schmieröl in einen trockenen oder nassen Ölsumpf gelangen.
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Zur Reduzierung von Planschverlusten ist es vorteilhaft, insbesondere im Betrieb mit hohen Drehzahlen, die Flüssigkeit aus dem Maschinengehäuse zu entfernen, damit das Triebwerk im „leeren” Gehäuse rotiert, d. h. die sich drehenden und bewegenden Maschinenteile nicht im Öl planschen bzw. laufen. Derartige Hydraulikmaschinen werden auch als Dry-Case-Maschinen bezeichnet.
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Für das Entfernen der Flüssigkeit aus dem Gehäuse wurden unterschiedliche Verfahren, die alle auf einem Absaugen oder einem Herausdrücken der Leckflüssigkeit durch Überdruck basieren, vorgeschlagen. Dabei kommen meist Pumpen zum Einsatz, die das Gehäuse der Hydraulikmaschine entweder leer saugen oder einen Überdruck im Gehäuse erzeugen, wodurch das Lecköl aus dem Gehäuse der Hydromaschine in einen Vorratstank gesaugt oder gedrückt wird. Um das Leersaugen oder Leerpumpen des Gehäuses zu gewährleisten, werden die hierfür eingesetzten zusätzlichen Pumpen überdimensioniert. Dadurch wird in der Regel zuviel Öl aus dem Gehäuse der Hydraulikmaschine abgesaugt, wodurch unnötig viel Luft mitgenommen wird und dem Tank zugeführt wird. Diese Luft führt, speziell durch das beabsichtigte vollständige Abführen von kontinuierlich nachlaufenden Leckageöl zu erhöhter Aufschäumung des Öls im Tank und in vielen Fällen zu Überschäumung im Tank.
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Beispielsweise wird in
DE 41 28 615 C1 vorgeschlagen, eine Pumpeinrichtung zum Absaugen von Lecköl aus einem Leckölraum zwischen dem Leckölanschluss und dem Tank anzuordnen, damit die Triebswerksteile nicht im Leckageöl laufen. Dabei wird das Leckageöl zusammen mit Luft vollständig und kontinuierlich mit einer zusätzlichen Leckölpumpe aus dem unteren Bereich des Gehäuses der Hydraulikmaschine abgezogen und einem Tank zwangszugeführt.
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Aus der
DE 42 15 869 C1 ist im Gehäuse-Innenraum eine mit dem Triebwerk in Antriebsverbindung stehende Pumpeinrichtung angeordnet, die dazu vorgesehen ist, Lecköl aus dem Leckraum nach außen in einem Tank zu pumpen.
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In
DE 44 14 509 C1 wird ferner ein Verfahren zum Entfernen von Flüssigkeit aus einem Gehäuse einer hydrostatischen Maschine vorgeschlagen, bei dem mittels Zuführung von Überdruck oder Anlegen eines Vakuums an das Gehäuse die aufgeschäumte Leckflüssigkeit aus dem Gehäuse entfernt wird und einem Vorratstank zwangszugeführt wird. Die für die Überdruck- und Vakuumspumpe benötigte Leistung muss vom Hauptantriebsmotor, bspw. einer Verbrennungskraftmaschine, bereitgestellt werden und steht somit für den hydraulischen Antrieb nicht mehr zur Verfügung.
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US 6,145,312 A zeigt einen hydrostatischen Antrieb mit einer verstellbaren Pumpe und einem Konstantmotor, deren die drehenden Maschinenteile aufnehmenden Gehäuse mit Hydraulikflüssigkeit befüllt sind. Leckageflüssigkeit, welche in dem Konstantmotor auf der Hockdruckseite austritt, verdrängt dabei die in dem Gehäuse befindliche Hydraulikflüssigkeit in ein Hydraulikflüssigkeitsreservoir. Die in dem Hydraulikflüssigkeitsreservoir befindliche Hydraulikflüssigkeit wird durch einen Filter hindurch abgezogen und der Niederdruckseite des hydraulischen Kreislaufs wieder zugeführt. Die Absaugung der Hydraulikflüssigkeit aus dem Leckölreservoir erfolgt dabei wahlweise durch Druckunterschied in der Nieder- und Hockdruckleitung oder aber durch eine von der Antriebswelle der Hydraulikpumpe betriebene Speisepumpe.
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Für das Absaugen der Leckölflüssigkeit bzw. Arbeitsflüssigkeit aus dem Gehäuse durch eine beliebige Pumpeneinrichtung muss diese für den vollen Leckflüssigkeitsvolumenstrom ausgelegt werden. Daher ist die benötigte Leistung für die Absaugpumpe entsprechend groß, wodurch die angestrebte Leistungsersparnis durch die Vermeidung der Planschverluste deutlich geringer ausfällt, als die eingesparten Planschverluste. Ferner benötigt die zusätzliche Pumpe einen nicht vernachlässigbaren Bauraum, entweder innerhalb oder außerhalb des Triebwerks.
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Das der Hydraulikmaschine entnommene Lecköl wird anschießend in einen Tank geleitet, in welchem sich die Hydraulikflüssigkeit beruhigen und von eingeschlossenen Gaspartikeln befreien kann. Da dies eine gewisse Zeit in Anspruch nimmt, steht das verwirbelte Volumen an Druckflüssigkeit dem Arbeitskreislauf nicht zur Verfügung, was zur Folge hat, dass die Menge an Hydraulikflüssigkeit größer ist, als eigentlich für Versorgung des Arbeitskreislaufes durch die Speisepumpe notwendig ist.
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Je länger die in den Tank zwangseingeleitete Flüssigkeit Zeit hat ihr eingeschlossenes Gas entweichen zu lassen, desto besser ist das Kompressionsverhalten der Flüssigkeit und somit der Wirkungsgrad des hydraulischen Antriebs. Somit werden die Öltanks bei herkömmlichen hydraulischen Systemen groß ausgelegt, damit die Luft ausreichend Zeit hat, aus dem Öl zu entweichen, damit durch die Speisepumpe, welche die Arbeitsflüssigkeit aus dem Vorratstank absaugt, so wenig Gas/Luft wie möglich in den Arbeitskreislauf gefördert wird.
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In allen zuvor angeführten Systemen wird die anfallende Arbeitsflüssigkeit im Gehäuse in Folge von Leckage zwangsgeführt vollständig aus dem Gehäuse der Hydraulikmaschine entfernt und einem Tank zugeführt. Dabei führt die Leckölflüssigkeit bereits Gaspartikel beim Austritt aus dem Gehäuse mit, welche zusammen mit dem Öl durch die Rotation der sich drehenden Maschinenteile, spätestens aber bei Einleitung in den Tank, weiter aufgeschäumt werden. Im Tank kommt es zu dem weiteren Effekt, dass die Tanks mit der Zeit verschäumen. Es bildet sich Schaum, der sich auch nach langer Beruhigungszeit nicht wieder auflöst. Somit kommt es im Laufe der Zeit zu einem Verschäumen des Tanks. Auch dieses zusätzliche durch derartigen Schaum benötigte Volumen muss bei der Auslegung des Tankvolumens berücksichtigt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein hydraulisches System bereit zu stellen, bei dem zumindest die rotierenden Maschinenteile nicht im Öl planschen, eine zusätzliche Pumpe für die Abführung von Leckage-Öl aus der Hydraulikmaschine und ein Aufschäumen des Leckageöls vermieden wird. Dabei soll ein Vermischen von Gas bzw. Luft mit der Leckageflüssigkeit vermieden werden.
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Die Lösung der Aufgabe wird mit einem hydraulischen System nach Anspruch 1 erreicht. Die von Anspruch 1 abhängigen Unteransprüche sind auf vorteilhafte Ausführungsformen des hydraulischen Systems gerichtet.
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Die Aufgabe wird ebenfalls mit einem hydraulischen Antrieb nach Anspruch 9 gelöst. Die von Anspruch 9 abhängigen Unteransprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen des hydraulischen Antriebs gerichtet.
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Das hydraulische System gemäß der Erfindung weist eine Hydraulikmaschine, insbesondere eine Axialkolben- oder Radialkolbenmaschine, auf, die mit einer Hochdruck- und einer Niederdruckleitung eines Arbeitskreislaufes verbunden ist. Durch eine in dem hydraulischen System angeordnete Speisepumpe ist die Hydraulikmaschine mit Druckflüssigkeit versorgbar. Die Hydraulikmaschine weist ferner in Arbeitsposition der Hydraulikmaschine unterhalb der sich bewegenden bzw. rotierenden Hydraulikmaschinenteile ein Leckölreservoir auf, in dem die anfallende Leckflüssigkeit gesammelt wird. Das Leckflüssigkeitsreservoir kann dabei über eine Leckflüssigkeitsleitung mit der Speisepumpe verbunden sein, welche die Leckflüssigkeit aus dem Leckölreservoir in die Niederdruckleitung des Arbeitskreislaufes pumpt. Die Speisepumpe pumpt das Leckageöl in die Niederdruckleitung des Arbeitskreislaufes, wenn im Arbeitskreislauf aufgrund von Leckage in der Hydraulikmaschine ein Mangel an Hydraulikflüssigkeit besteht. Das direkt an der Hydraulikmaschine unterhalb der rotierenden Antriebsteile angeordnete Leckflüssigkeitsreservoir wird dementsprechend von der Speisepumpe nicht leer gesaugt, so wie das bei den Systemen mit Leckölpumpen des Standes der Technik der Fall ist.
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Im Gegensatz zum Stand der Technik wird die anfallende Leckflüssigkeit nicht zwangsgeführt aus dem Gehäuse der Hydraulikmaschine heraus geleitet, sondern die anfallende Leckflüssigkeit sammelt sich aufgrund der Schwerkraft in einem Leckölreservoir unterhalb der sich drehenden Hydraulikmaschinenteile.
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Im weiteren Unterschied zum Stand der Technik braucht das Leckölreservoir nicht zur Beruhigung von zwangsabgeführter Hydraulikflüssigkeit verwendet werden, da sich in dem Leckölreservoir auf Grund durch die Schwerkraft bedingten sanfte Einleitung des Lecköls in das Leckölvolumen so gut wie kein Öl-Gas-Gemisch bildet. Die drehenden und bewegten Maschinenteile laufen auch nicht in Öl, womit ein Aufschäumen des Öls vermieden wird. Damit kann das in dem Leckölvolumen angesammelte Leckageöl an den Arbeitskreislauf bzw. an die Füllpumpe des Arbeitskreislaufes, d. h. an die Speisepumpe, direkt ohne Zwischenschaltung eines weiteren Vorratstanks weitergeleitet werden. Das Volumen des Leckflüssigkeitsreservoirs kann somit entsprechend klein gehalten werden, da eine Beruhigung der Leckölflüssigkeit nicht notwendig ist.
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Es ergibt sich somit ein hydraulisches System, welches auf Grund des Wegfalls einer zusätzlichen Pumpe zur Zwangsabführung von Leckageöl und dem daraus resultierenden kleinen Volumen zum Auffangen von Leckageöl eine kompakte hydraulische Einheit bildet. Es treten ferner keine Planschverluste auf. Trotzdem ist die Schmierung bspw. durch gewollte Leckage oder durch das aus dem Spül-, Speise- oder Steuerkreislauf austretende Öl gewährleistet. Auch ein Leistungsverlust bedingt durch den Antrieb einer zusätzlichen Leckagepumpe tritt, wegen des Nicht-Vorhandenseins einer derartigen Pumpe, nicht auf.
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Das erfindungsgemäß vorgeschlagene hydraulische System kommt weiterhin mit einer geringeren Ölmenge aus, da eine Beruhigung von aufgeschlagenem oder zwangsgeführtem Hydraulikölvolumen nicht notwendig ist. Somit kann auch aus diesem Grund das hydraulische System mit einem kleineren Bauvolumen ausgelegt werden. Eine Bevorratung zum Beruhigen von Leckageöl ist nicht erforderlich. Die im Leckageraum anfallende Leckflüssigkeit kann dem Arbeitskreis lauf, ohne der zur Entgasung notwendigen Verweilzeit in einem Tank, ohne weiteres zugeführt werden. Dies erfolgt bspw. bei hydrostatischen Antrieben meist durch Zufuhr des Öls an die Niederdruckleitung.
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Auch Vorrichtungen zum Erzeugen und Aufrechterhalten eines bestimmten Gehäusedrucks innerhalb der Hydraulikmaschine sind bei der erfindungsgemäßen Anordnung nicht erforderlich. Das hydraulische System gemäß der Erfindung arbeitet mit Umgebungsdruck im Gehäuse.
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Für die Kühlung und Reinigung des anfallenden Lecköls in dem erfindungsgemäßen hydraulischen System können in der Leckage-Ölleitung, die vom Leckageölraum zur Speisepumpe führt, sowohl Wärmetauscher als auch Filter vorgesehen werden. Diese Einrichtungen zum Kühlen und Reinigen stehen dem Erfindungsgedanken – einer direkten Zuführung von Leckageöl an die Speisepumpe – nicht entgegen, da eine Zwischenspeicherung zur Beruhigung des Leckageöls nicht stattfindet.
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Somit ist es möglich das hydraulische System mit einer genau definierten wesentlich geringeren Ölmenge, als vom Stand der Technik gefordert, zu betreiben. In herkömmlichen hydraulischen Antrieben muss von einer aufgeschäumten Ölmenge bei Volllast ausgegangen werden, die dem Arbeitskreislauf bis zu deren Beruhigung nicht zur Verfügung steht. Dies ist aber entsprechend bei der Auslegung des Vorratstanks zu berücksichtigen. Der Vorratsbehälter für die Aufnahme von Leckflüssigkeit muss im Stand der Technik daher verhältnismäßig groß ausgelegt werden. Der hierfür benötigte Bauraum steht bei dem erfindungsgemäßen System für andere Bauteile zur Verfügung.
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Die benötigte Ölmenge für ein erfindungsgemäßes hydraulisches System ist daher genau kalkulierbar, da ein unkontrolliertes Aufschäumen vermieden wird. So wird bspw. bei Erstinbetriebname eine vorbestimmte Ölmenge in das hydraulische System eingefüllt, so dass der Ölstand unterhalb der sich drehenden und bewegenden Teiles der Hydraulikmaschine bleibt. Der Ölstand im Leckölreservoir kann beispielsweise durch ein Schauglas, welches beispielsweise in einer Gehäusewand des Leckölreservoirs eingesetzt ist, einfach kontrolliert werden.
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Im Gehäuse der Hydraulikmaschine ist weiter eine Belüftungsöffnung vorgesehen, damit beim Absaugen der Leckflüssigkeit aus dem Leckflüssigkeitsvolumen durch die Speisepumpe bzw. Füllpumpe der hydraulischen Maschine ein Druckausgleich bzw. Volumenausgleich erfolgen kann. Diese Belüftungsöffnung kann, wie üblich, durch ein Ventil verschlossen sein, welches bei einem bestimmten Druck die Belüftungsöffnung freigibt. Dies kann beispielsweise bei Unterschreiten eines gewissen Schwellendrucks auf Grund der Saugleistung der Speisepumpe für den Arbeitskreislauf erfolgen. Aber auch bei Überschreiten eines gewissen Drucks im Gehäuse aufgrund von Temperaturerhöhung und der damit verbunden Volumenausdehnung des Leckageöls und der im Gehäuse der Hydraulikmaschine befindliche Luft ist ein Druckausgleich über die Belüftungsöffnung des hydraulischen System möglich.
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Vorzugsweise ist das Leckflüssigkeitsreservoir direkt an der Hydraulikmaschine angebracht an der die Leckflüssigkeit anfällt. Dabei kann das Leckölreservoir ein Teilvolumen des Gehäuses der Hydraulikmaschine bilden, das unterhalb der sich drehenden Maschinenteile angeordnet ist. Das anfallende Leckageöl sammelt sich aufgrund der Schwerkraft in dem für das Lecköl vorgesehenen Volumen, bspw. in einer Art Ölwanne, und kann von der Speisepumpe des Arbeitkreislaufes über eine im unteren Bereich der Hydraulikmaschine angeschlossenen Leckölleitung abgesaugt werden. Der Druckausgleich wird über die Belüftungsöffnung im Gehäuse bewerkstelligt.
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Als weitere Ausführungsform ist eine Anordnung eines separaten Leckflüssigkeitsreservoirs unterhalb der Hydraulikmaschine, in der die Leckflüssigkeit anfällt, vorgesehen, wobei der Leckflüssigkeitsbehälter mit dem unteren Bereich der Hydraulikmaschine derart in Flüssigkeitsverbindung steht, dass anfallendes Lecköl durch die Schwerkraft in den Leckölbehälter fließt. Dabei kann der Leckflüssigkeitsbehälter so an die Hydraulikmaschine angebracht werden, dass keine den Behälter und die Maschine verbindende Leitung notwendig ist. Jedoch ist eine solche Verbindungsleitung bspw. wegen des zur Verfügung stehenden Bauraums ebenfalls vom Erfindungsgedanken umfasst. Auch bei Einsatz einer derartigen Leitung muss gemäß der Erfindung der Lecköltank auf einem niedrigeren Niveau innerhalb des hydraulischen Systems angeordnet sein, als die sich in der Hydraulikmaschine drehenden Maschinenteile, damit das Lecköl aufgrund der Schwerkraft in den Lecköltank fließen kann und bewegte oder rotierende Maschinenteile nicht im Öl laufen.
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In einem hydraulischen System mit externem Leckflüssigkeitsbehälter kann eine bisher herkömmliche Hydraulikmaschine verwendet werden, deren Lecköl durch eine unten am Gehäuse angebrachte Leckölleitung dem erfindungsgemäßen Leckflüssigkeitsbehälter zuführbar ist. Damit kann das Öl aus der Hydraulikmaschine aufgrund der Schwerkraft in den Leckölauffangbehälter fließen und von der Speisepumpe daraus abgesaugt werden. Vorraussetzung ist hier, dass der Leckflüssigkeitsbehälter innerhalb des hydraulischen Systems in seiner vertikalen Höhe unterhalb der sich drehenden oder bewegenden Teile der Hydromaschine angeordnet ist, eine Ölzuführung an den Behälter durch Schwerkraft stattfindet und eine Ölleitung den Behälter mit der Speisepumpe verbindet.
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Aus dem Lecköltank kann die Leckflüssigkeit durch eine im unteren Bereich des Lecköltanks angebrachten Leckflüssigkeitsleitung von der Speisepumpe abgesaugt werden und dem Arbeitskreislauf zugeführt werden. Für den Druckausgleich, der aufgrund des Absaugens oder aufgrund von Temperaturschwankungen notwendig ist, kann bei dieser Ausführungsform – mit externem Tank – eine den oberen Bereich des Leckflüssigkeitsbehälters mit dem oberen Bereich des inneren Hydraulikmaschinenvolumens verbindende Luftführungsleitung vorgesehen werden. Damit kann bspw. bei widrigen Einsatzbedingungen der hydraulischen Maschine ein Luftaustausch mit der Umgebung vermieden werden. Zusätzliche Vorrichtungen zur Reinigung eintretender Luft sind dann nicht erforderlich. Das Leckflüssigkeits-Rückgewinnungssystem ist damit in sich geschlossen. Wird Leckflüssigkeit aus dem Leckflüssigkeitsbehälter abgesaugt kann das für den Volumenausgleich bei Umgebungsdruck notwendige Luftvolumen über das Gehäuse der Hydraulikmaschine dem Leckflüssigkeitsbehälter wieder zugeführt werden. Eine im Gehäuse der Hydraulikmaschine angeordnete Belüftungsöffnung kann dann für den erforderlichen Druckausgleich im Gehäuse der Hydraulikmaschine sorgen.
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Da auch mit dem erfindungsgemäßem System eine Mitnahme von Luft in das Leckageölreservoir durch das Hineinlaufen des Leckageöls nicht vollständig ausgeschlossen werden kann, kann die im Leckageölreservoir, die dem Öl entweichende Luft über die Luftführungsleitung wieder dem Gehäuse der Hydraulikmaschine eingeführt werden.
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Das hydrostatische System gemäß der Erfindung, welches eine Hydraulikmaschine aufweist, die mit einer Hochdruck- und einer Niederdruckleitung eines Arbeitskreislaufes verbunden ist, kann bspw. in einem hydrostatischen Antrieb zur Anwendung kommen, bei dem eine weitere Hydraulikmaschine in den Arbeitskreislauf eingebunden ist. Ist die Hydraulikmaschine des hydrostatischen Systems bspw. ein Hydromotor und die weitere Hydraulikmaschine eine Hydropumpe, so kann damit ein hydraulischer Antrieb bewerkstellig werden, bei dem die Hydropumpe den Hydromotor mit Druckflüssigkeit unter Hochdruck versorgt. Der Hydromotor seinerseits leitet die Druckflüssigkeit mit Niederdruck wieder zurück an die Hydropumpe. Dies kann sowohl in einem geschlossen als auch in einem offenen Arbeitskreislauf erfolgen.
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Bevorzugt wird man am Hydromotor, wegen der dort auftretenden höheren Drehzahlen, erfindungsgemäß ein Leckflüssigkeitsreservoir, das durch die Schwerkraft mit Leckflüssigkeit befüllbar ist, vorsehen. Zusätzlich kann ein erfindungsgemäßes Leckölreservoir mit Flüssigkeitsverbindung zur Speisepumpe des hydrostatischen Kreislaufs auch an der Hydraulikpumpe vorgesehen werden, um Planschverluste an der Pumpe ebenfalls zu vermeiden.
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Weist ein hydraulischer Antrieb sowohl an der Hydropumpe als auch am Hydromotor ein Leckflüssigkeitsreservoir auf, so können diese jeweils mit einer Leckölleitung an die Speisepumpe des hydraulischen Systems angebunden sein, damit die Speisepumpe das Lecköl aus den beiden Reservoirs absaugen und dem Arbeitskreislauf wieder zu führen kann. Die einzelnen Reservoirs können aber auch untereinander über weitere Leckölverbindungsleitungen verbunden sein, wobei die Speisepumpe aus dem untersten Leckölreservoir das Lecköl entnimmt und in die Niederdruckleitung pumpt. Das Lecköl aus den Reservoirs, die höher liegen, fließt dann in das unterste Leckölreservoir.
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Es versteht sich von selbst, dass ein hydraulischer Antrieb oder ein hydraulisches System auch mehrere Hydraulikmaschinen aufweisen kann, an denen der Erfindungsgedanke verwirklicht ist. Die einzelnen Leckflüssigkeitsbehälter können dann in einer für einen Fachmann üblichen Art und Weise miteinander in Flüssigkeitsverbindung stehen oder direkt an die Speisepumpe angeschlossen sein. Auch eine gruppenweise Zusammenfassung einzelner Leckölreservoirs ist durch den Erfindungsgedanken abgedeckt.
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Weitere Einzelheiten und bevorzugte Ausführungsbeispiele sollen im Folgenden beispielhaft durch die beiliegenden Zeichnungen im Einzelnen näher erläutert werden. Dabei zeigen:
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1 eine Schnittdarstellung eines Hydromotors mit einem im Gehäuse des Hydromotors angeordneten Leckölreservoir,
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2 eine Schnittdarstellung eines Hydromotors mit einem unter dem Gehäuse des Hydromotors angeordneten Leckölreservoir,
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3 ein Schaltbild eines hydrostatischen Antriebs, bei dem nur der Hydromotor mit einem Leckölreservoir gemäß der Erfindung ausgestattet ist, wobei das Leckölreservoir in das Motorengehäuse integriert ist,
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4 ein Schaltbild eines hydrostatischen Antriebs, bei dem nur der Hydromotor mit einem Leckölreservoir gemäß der Erfindung ausgestattet ist, wobei das Leckölreservoir unterhalb des Motorengehäuses angeordnet ist,
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5 ein Schaltbild eines hydrostatischen Antriebs, bei dem der Hydromotor und die Hydropumpe mit einem Leckölreservoir gemäß der Erfindung ausgestattet sind, wobei das Leckölreservoir unterhalb des Motorengehäuses und unterhalb des Pumpengehäuses angeordnet ist;
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6 ein Schaltbild eines hydrostatischen Antriebs gemäß 5 mit einer alternativen Anordnung zur Kühlung und Reinigung der Druckflüssigkeit.
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Gleiche Gegenstände in den einzelnen Figuren sind zur Vereinfachung mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Der in 1 darstellte Hydromotor 1 ist beispielhaft ein Hydromotor der Schrägachsen-Bauart, dessen Zylinderblock 3 zum Antrieb einer Welle ausgelenkt ist. Der Zylinderblock 3 dreht sich aufgrund der Zuführung von unter Hochdruck stehender Druckflüssigkeit, wobei die in dem Zylinderblock 3 entlang der Schrägachse 4 ausgerichteten Kolben linear hin- und herlaufen und dadurch die Drehung der Welle 5 bewirken. Der Zylinderblock 3, die Kolben und deren Anbindung an die Welle 5 und die Welle 5 selbst, sind dabei von einem Motorengehäuse 6 aufgenommen. Die Funktionsweise einer Schrägachsenhydromaschine ist dem Fachmann hinlänglich bekannt und ist für die Darstellung der Erfindung nicht wesentlich, wodurch auf eine Darstellung der Einbindung der Hydraulikmaschine in einen Arbeitskreislauf zur Vereinfachung der Darstellung verzichtet werden kann.
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Wäre das Motorgehäuse 6 mit Öl gefüllt, wie dies bei vielen herkömmlichen Motoren üblich ist, so würde der Zylinderblock 3 mit den darin linear bewegten Kolben im Öl laufen und eine dementsprechende drehzahlabhängige Verlustleistung generieren und das im Motorgehäuse 6 vorhandene Öl aufschäumen.
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Wie in 1 dargestellt, ist Öl nur im unteren Bereich des Motorgehäuses 6 in einem Leckflüssigkeitsreservoir 2 unterhalb des sich drehenden Zylinderblocks 3 vorhanden. Das Leckflüssigkeitsreservoir 2 wird durch das Motorgehäuse 6 in diesem Bereich ausgebildet. Auch die integrierte Ausbildung in der Art einer an das Motorgehäuse angeflanschten Ölwanne ist von der in 1 gezeigte Ausführungsform umfasst. Die Pfeile deuten das Lecköl 7 und dessen Fließrichtung an und zeigen weiterhin, dass das Leckageöl getrieben durch die Schwerkraft aus dem oberen Bereich des Motorgehäuses 6 in das Leckflüssigkeitsreservoir 2 fließt und so das Reservoir 2 füllt. In der 1 ist das Leckflüssigkeitsreservoir 2 teilweise gefüllt, was durch die Füllstandslinie 8 dargestellt ist. Die sich drehenden und bewegenden Maschinenteile, insbesondere die Welle 5 mit der Kolbenstangen-Anschlussscheibe, der Zylinderblock 3 sowie die Axialkolben, bewegen sich somit in nahezu Öl-leerem Raum, in dem nur Leckageöl zur Schmierung der relativ zueinander bewegbaren und der drehbaren Teile vorhanden ist. Dieses Leckageöl wird zu den Gleitflächen der sich bewegenden Teile geleitet. Überschüssiges Öl läuft bedingt durch die Schwerkraft durch das Motorgehäuse in den im unteren Bereich angeordneten Leckageölraum 2.
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Aus dem unteren Bereich des Leckölbehälters 2 führt eine Leckölleitung 9 zur Speisepumpe 15 (vgl. 3) des hydraulischen Systems. Die Speisepumpe 15 pumpt bei Bedarf die dem Arbeitskreislauf durch gewollte oder ungewollte Leckage entnommene Leckflüssigkeit 7 in die Niederdruckleitung des hydraulischen Systems und führt so die Leckageflüssigkeit dem Arbeitskreislauf wieder zu. Die Speisepumpe 15 saugt somit Öl aus dem Leckflüssigkeitsbehälter 2, wie zur Deckung der Anforderungen durch die angeschlossenen Verbraucher nötig ist. Von der Speisepumpe zuviel aus dem Leckageöltank 2 gefördertes Öl kann bspw. über das Speiseventil dem Leckageöltank 2 wieder zugeführt werden. Der Leckageöltank 2 wird daher immer eine Minimalmenge an Öl aufweisen.
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Im oberen Bereich des Gehäuses 6 ist eine Belüftungsöffnung 10 vorgesehen, durch welche beispielsweise Umgebungsluft in das Gehäuse 6 eindringen kann, wenn die Speisepumpe Öl aus dem Leckagebehälter 2 absaugt. Die Belüftungsöffnung 10 kann dabei beispielsweise mit einem Belüftungsventil 11 verschlossen sein, das die Belüftungsöffnung 10 bei Unter- und/oder Überschreiten eines vorgegeben Schwellendrucks öffnet. So können beispielsweise Volumenausdehnungen durch Temperaturerhöhung im Gehäuse über das Belüftungsventil gesteuert ausgeglichen werden. Eine derartige Belüftungsöffnung 10 kann jedoch auch direkt am Reservoir 2 vorgesehen werden.
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2 zeigt, wie auch 1, einen Hydromotor 1 in Schrägachsen-Bauart. Im Unterschied zu dem in 1 gezeigten hydraulischen System ist das Leckölreservoir 2 nicht Teil des Motorgehäuses 6, sondern ist als separater Behälter 2 unterhalb der sich drehenden und bewegenden Teile angeordnet. Die an den Gleitflächen anfallende Leckflüssigkeit fließt aufgrund der Schwerkraft in das Leckölreservoir 2, wobei die bewegten Maschinenteile des Hydromotors nicht im Öl planschen.
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Aus dem Leckölbehälter 2 führt eine Leitung 9 zur Speisepumpe 15 (vgl. 3). Über diese Leitung kann Öl aus dem Leckölbehälter 2 von der Speisepumpe 15 einem Verbraucher zugeführt werden. Zur Be- und Entlüftung des Lecköltanks 2 ist im oberen Bereich des Tanks 2 eine Luftführungsleitung 13 vorgesehen, über die die Volumina des Leckageöltanks 2 und des Motorgehäuses 6 in Verbindung stehen, um die Drücke in beiden Volumina ausgleichen zu können. Läuft Öl 7 vom Hydromotor 1 in den Leckölbehälter 2 so wird die darin verdrängte Luft über die Luftführungsleitung 13 dem Inneren des Gehäuses 6 des Motors 1 zugeführt und gleicht damit den durch das Abfließen des Öls verursachten Unterdruck im Motorgehäuse 6 aus. Zum Ausgleich von Volumenänderungen und damit bedingten Druckschwankungen, verursacht bspw. durch Temperaturänderungen, kann die Belüftungsöffnung 10 des Gehäuses 6, ebenso wie das Gehäuse 6 gemäß 1, mit einem bekannten Belüftungsventil 11 versehen sein.
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In 3 ist ein Schaltschema für einen hydrostatischen Antrieb dargestellt, bei dem ein Hydromotor 1 über eine Hochdruckleitung 16 von einer Hydropumpe 14 mit Druckflüssigkeit für den Antrieb der Welle 5 versorgt wird. Über die Niederdruckleitung 17 wird die Arbeitsflüssigkeit zu der Hydropumpe 14 zurückgeführt. Die in 3 dargestellten Hydraulikmaschinen sind verstellbar in ihrer Förderleistung und auch reversibel was ihre Förderrichtung betrifft. Dass anstelle der verstellbaren und reversiblen Hydraulikmaschinen auch Konstantmaschinen oder in ihrer Förderrichtung nicht umkehrbare, aber verstellbare Hydraulikmaschinen eingesetzt werden können, ist für den Fachmann selbstredend und für die Ausführbarkeit des Erfindungsgedanken ohne Bedeutung.
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Der hydraulische Antrieb gemäß 3 zeigt eine Hydraulikpumpe 14, deren Pumpengehäuse (dargestellt durch Pumpenbereichsgrenze 21) mit Öl gefüllt ist, und einen Hydromotor 1, dessen bewegende und drehende Teile nicht im Ölbad (Ölsumpf) laufen und dessen Motorgehäuse (dargestellt durch Motorbereichsgrenze 20) im unteren Bereich einen Leckölraum 2 aufweist, in dem sich anfallendes Lecköl sammeln kann. Bezugzeichen 8 zeigt schematisch den Füllstand der Leckflüssigkeit im Motorengehäuse 6. Über die Leckflüssigkeitsleitung 9 kann die Speisepumpe 15 das Lecköl aus dem Leckölreservoir 2 absaugen und der Niederdruckleitung 17 zuführen und somit wieder in den Arbeitskreislauf einspeisen. In der Leckölleitung 9 kann optional zur Kühlung und Reinigung des Lecköls ein Wärmetauscher 18 und/oder ein Filter 19 eingesetzt werden. Die zum Volumenausgleich benötigte Be- und Entlüftungsöffnung, deren Offen- und Geschlossenstellung bevorzugt über ein Ventil 11 gesteuert wird, ist in 3 mit Bezugsziffer 10 gekennzeichnet.
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4 zeigt abweichend von 3 ein hydraulisches System gemäß der Erfindung, bei dem das Leckflüssigkeitsreservoir 2 außerhalb des Gehäuses des Hydromotors 1 angeordnet ist. Der Leckflüssigkeits-Füllstand ist wiederum mit der Bezugziffer 8 angedeutet und kann bspw. über ein Schauglas 25 kontrolliert werden, das in eine Gehäusewand des Leckölreservoirs eingebracht ist. Die für den Luftausgleich nötige Luftführungsleitung 13 führt von dem oberen Bereich des Leckflüssigkeitsbehälters 2 zu dem oberen Bereich des Motorengehäuses (dargestellt durch Motorbereichsgrenze 20). Über die von dem Leckflüssigkeitsreservoir 2 wegführende Leitung 9 kann die Füllpumpe 15 dem Arbeitskreislauf das Leckageöl wieder zuführen.
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Abweichend der Darstellung eines an Motorengehäuse angebrachten externen Behälter für die Aufnahme von Leckflüssigkeit, wie in 2 dargestellt, ist der externe Behälter gemäß der Anordnung in 4 mit einer weiteren Leckölleitung 12 mit dem Motorengehäuse (dargestellt durch Motorbereichsgrenze 20) verbunden. Aus 4 wird auch klar ersichtlich, dass das Leckflüssigkeitsreservoir 2 zumindest unterhalb der in dem Motor 1 drehenden Teile innerhalb des hydraulischen Systems angeordnet sein muss, damit die Leckageflüssigkeit 7, durch die Schwerkraft in das Leckflüssigkeitsreservoir 2 fließen kann.
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Aus 4 lässt sich auch erkennen, dass die zum Einsatz kommenden Hydromaschinen verstellbare Hydromaschinen sein können, die jeweils nur eine Förderichtung aufweisen. Bei einem hydrostatischen Fahrantrieb wird man jedoch bevorzugt reversible Maschinen einsetzen damit ein Schubbetrieb des Fahrzeugs ermöglicht werden kann, bei dem die antreibende Pumpe zum Motor wird und der das Fahrzeug antreibende Motor zur Pumpe wird, ohne dass sich die Förderrichtung umkehrt. Weiter bevorzugt werden bei einem hydrostatischen Fahrantrieb Pumpen und Motoren eingesetzt, die ebenfalls eine Drehrichtungsumkehr der Pumpe und des Motors zulassen, womit die Hochdruckleitung zur Niederdruckleitung wird und umgekehrt. Dem ist in den 3 bis 5 durch die doppelte Ausführung der Wiedereinspeisemöglichkeit 24 des Leckageöls 7 in den Arbeitskreislauf Rechnung getragen.
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In 5 ist schließlich noch beispielhaft ein hydrostatischer Antrieb gezeigt bei dem sowohl die Hydropumpe 14 als auch der Hydromotor 1 das Leckageöl 7 in ein gemeinsames Leckflüssigkeitsreservoir 2 leiten und so beide Hydromaschinen kein mit Öl befülltes Gehäuse aufweisen, in dem die sich drehenden und bewegenden Maschinenteile im Öl planschen könnten. Sowohl das Pumpengehäuse (dargestellt durch Pumpenbereichsgrenze 21) als auch das Motorengehäuse (dargestellt durch Motorbereichsgrenze 20) sind daher weitestgehend Öl-leer. In ihnen läuft nur das austretende Leckageöl aus Öffnungen, die unter den bewegten Teilen der jeweiligen Maschine angeordnet sind, in die dort angebrachten Leckölleitungen 22 und 23, welche das Lecköl 7 in das Leckölreservoir 2 leiten. Das Leckölreservoir 2 muss, wie auch in den anderen Ausführungsbeispielen, unterhalb der Öffnungen, an denen die Leckölleitungen 22 und 23 angebracht sind, angeordnet sein, damit das Lecköl getrieben durch die Schwerkraft in das Leckölreservoir 2 fließen kann. Aus dem Leckölreservoir 2 leitet die Leckölleitung 9 das Lecköl an die Speisepumpe 15 weiter, die bei Bedarf das Lecköl wieder dem Arbeitskreislauf zuführt.
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Für den Druckausgleich in den beiden Gehäusen mit dem Leckölbehälter 2 ist wiederum eine Luftführungsleitung 13 vorgesehen, die jeweils den oberen Bereich der beiden Gehäuse mit dem oberen Bereich des Leckölreservoirs verbindet. Die Luftführungsleitung 13 kann dabei über eine Be- und Entlüftungsvorrichtung 10 mit der Umgebung kommunizieren, wobei eine derartige Be- und Entlüftungsvorrichtung 10 auch separat an jedem Gehäuse vorgesehen werden kann. Die Be- und Entlüftungsvorrichtung 10 kann dabei ein Be- oder Entlüftungsventil 11 in der in 1 und 2 dargestellten Art aufweisen.
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5 zeigt auch eine alternative Anordnung des Wärmetauschers 18 und des Filters 19 zur Kühlung bzw. Reinigung der Leckölflüssigkeit. Dabei ist der Filter 19 zur Reinigung des Lecköls 7 in der Leckleitung 9, die zur Speisepumpe 15 führt, angeordnet, und der Wärmetauscher 18 am Ausgang der Speisepumpe 15 Die Reinigung des Lecköls zusammen mit der Reinigung des Arbeitsfluids kann auch an einer anderen Stelle des Kreislaufes stattfinden. Eine beispielhafte Anordnung ist in 6 gezeigt, in der ein Druckfilter 19 und ein Druckkühler 18 nach der Speisepumpe 16 angeordnet sind. Diese Anordnung wird speziell für den Einsatz in kalten Regionen bezvorzugt, um Restriktionen beim Ansaugen der Speisepumpe 15 zu minimieren.
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Weitere Möglichkeiten der Ausführung des erfindungsgemäßen Systems in einem hydraulischen Antrieb oder einer sonstigen hydraulischen Vorrichtung sind vom Erfindungsgedanken umfasst, wenn zumindest ein Gehäuse einer Hydromaschine keine im Öl planschenden Maschinenteile aufweist, anfallendes Leckageöl durch Schwerkraft in einem unterhalb der drehenden Teil angeordneten Leckölreservoir gesammelt wird, und von dort aus mittels der Speisepumpe des hydraulischen Systems über eine Leckflüssigkeitsleitung wieder in den Arbeitskreislauf zurückgeführt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hydromotor
- 2
- Leckflüssigkeitsreservoir
- 2a
- Leckflüssigkeitsreservoir
- 3
- Zylinderblock
- 4
- Schrägachse
- 5
- Welle
- 6
- Motorgehäuse
- 7
- Leckageöl
- 8
- Füllstandslinie
- 9
- Leckölleitung zur Speisepumpe 15
- 10
- Belüftungsöffnung
- 11
- Belüftungsventil
- 12
- Leckölleitung zum Leckflüssigkeitsreservoir 2
- 13
- Luftführungsleitung
- 14
- Hydropumpe
- 15
- Speisepumpe
- 16
- Hochdruckleitung
- 17
- Niederdruckleitung
- 18
- Wärmetauscher
- 19
- Filter
- 20
- Motorbereichsgrenze
- 21
- Pumpenbereichsgrenze
- 23
- Leckölleitung
- 24
- Wiedereinspeisemöglichkeit
- 25
- Schauglas
- 26
- Leckageölablauföffnung
