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Die Erfindung geht aus von einer Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise, die die Merkmale aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufweist.
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Bekannte Axialkolbenmaschinen dieser Bauart besitzen eine in einem Gehäuse drehbar gelagerte Triebwelle, eine Zylindertrommel, die eine Mehrzahl von Zylinderbohrungen mit darin längsverschiebbaren Kolben aufweist, bodenseitig mit einer sphärischen Ausnehmung ausgeführt ist und über einen Mitnahmebereich drehfest und axial verschiebbar mit der Triebwelle in Verbindung steht und eine gehäusefeste, von der Triebwelle koaxial durchsetzte Steuerplatte, die eine zur Lagerung der Zylindertrommel sphärisch ausgebildete Oberfläche aufweist.
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Die Zylinderbohrungen münden über Steueröffnungen in die Zylinderbodenfläche mit sphärischer Ausnehmung, die mit der analogen Steuerfläche der nichtrotierenden Steuerplatte zum Zwecke der Zu- und Abführung des Druckmittels kooperiert und mit dieser ein Gleitlager bzw. eine Gleitpaarung bildet. Die Steuerplatte realisiert über nierenförmige Steuerschlitze die Zu- und Abführung des Druckmittels der Axialkolbenmaschine. Durch die sphärische Ausbildung der Steuerflächen von Zylindertrommel und Steuerplatte ist die Zylindertrommel selbstzentrierend drehgelagert. Die selbstzentrierende Drehlagerung erlaubt eine einfachere Gestaltung der Lagerverhältnisse der Zylindertrommel und kommt bei Steuerplatten mit kleinerem Teilkreisdurchmesser als der der Zylindertrommel zum Einsatz. In einem zwischen der Zylindertrommel und der Triebwelle ausgebildeten Hohlraum ist eine Anpresseinrichtung zur Vorspannung der Zylindertrommel gegen die Steuerplatte angeordnet. Die Anpresseinrichtung bewirkt eine von der Drehzahl unabhängige, konstante Anpresskraft auf die Zylindertrommel, die nicht zu groß bemessen sein darf, sonst würde diese gerade bei kleinen Betriebsdrehzahlen zu mechanischen Reibungsverlusten und zu erhöhtem Verschleiß der aus der Zylindertrommel und der Steuerplatte bestehenden Gleitpartner führen.
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Im Betrieb mit großem Schwenkwinkel erzeugt das Triebwerk eine Querkraft, die sich auf der Triebwelle abstützt und zu einer Verformung der Triebwelle führt. Die Krafteinleitung dieser Querkraft geschieht um den Nulllagendrehpunkt, der sich aus dem Schnittpunkt der Längsachse der Triebwelle mit der Ebene durch die Mittelpunkte der Kolbenköpfe ergibt. Im Nulllagendrehpunkt ist der Zylinder über eine Verzahnung mit der Triebwelle verbunden. Mit zunehmender Querkraft nimmt die Biegung der Triebwelle zu. Das führt aufgrund der drehfesten Verbindung um den Nulllagendrehpunkt zu einer Verkippung der Zylindertrommel und damit zu einer Punktberührung zwischen Zylinder- und Steuerplattensphäre. Dies wirkt sich in jedem Falle nachteilig auf die Lagerpaarung aus und führt zu Fressern auf der Lauffläche, Erhöhung der Leckage, Verlust von Wirkungsgrad sowie Beeinträchtigung der Einsatz- und Lebensdauer der Gleitpartner.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Nachteile des bekannten Standes der Technik zu beseitigen und eine Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so weiterzuentwickeln, dass deren umlaufende Zylindertrommel auf einfache und kostengünstige Weise möglichst selbstzentrierend mit der Steuerscheibe zusammenwirkt.
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Diese Aufgabe wird für eine Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff durch eine zusätzliche Ausstattung mit den Merkmalen aus dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.
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Bei einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise ist zumindest ein Abstützelement vorhanden, das die Längsachsenlage der Zylindertrommel derart beeinflusst, dass die Längsachse der Zylindertrommel bei Durchbiegung der Triebwelle in belastetem Zustand wenigstens annähernd durch den Mittelpunkt der sphärischen Oberfläche der Steuerplatte verläuft.
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Das erfindungsgemäße Abstützelement hat mehrere Vorteile.
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Durch die derartige Beeinflussung der Längsachsenlage der Zylindertrommel mittels des Abstützelements wird eine möglichst selbstzentrierende Anlage der Zylindertrommel an der Steuerscheibe erwirkt.
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Damit ist eine Stabilisierung des Zylinders hinsichtlich externer Beschleunigungen und der Druckseitenauswanderungskraft realisiert. Die Druckseitenauswanderungskraft ist maßgeblich bestimmt durch die Entlastungskräfte, die dem Umsteuerdruckverlauf folgen und verursacht eine dynamische Taumelbewegung des Zylinders, die mittels der Erfindung verhindert wird. Kontaktspannungen zwischen den Gleitpartnern, z. B. Schläge des Zylinders auf die Steuerplatte, werden reduziert.
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Der kinematisch richtige Sphärenkontakt verhindert eine erhöhte Leckage durch eine optimierte Spaltabdichtung zwischen Zylindertrommel und Steuerscheibe. Die homogene Anlage des Zylinders auf der Steuerplatte führt neben einer Steigerung des Wirkungsgrades auch zu einer Reduzierung des Verschleißes.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Abstützelement als Stützring zwischen Zylindertrommel und Triebwelle angeordnet. Die gehäuseseitig mittels einem Festlager und steuerplattenseitig mittels einem Loslager gelagerte Triebwelle erfährt durch den Stützring eine weitere Abstützung an einem Abstützpunkt. Der Stützring begrenzt damit die Durchbiegung der Triebwelle am Abstützpunkt. Durch die Anordnung des Stützringes zwischen Zylindertrommel und Triebwelle wird der Zylinder weggesteuert geführt.
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Der Stützring ist auf besonders einfache Weise und ohne jeden konstruktiven Aufwand am Triebwerk bei dessen Montage zwischen Zylindertrommel und Triebwelle anordenbar, da der Stützring in einer Anpresseinrichtung integriert ist, die in einem zwischen der Zylindertrommel und der Triebwelle ausgebildeten Hohlraum zur Vorspannung der Zylindertrommel gegen die Steuerplatte angeordnet ist.
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Vorzugsweise weist die Anpresseinrichtung eine indirekt an der Triebwelle abstützende Druckfeder und einen an der Zylindertrommel abstützenden Ring auf, sodass der Stützring zwischen Druckfeder und Ring angeordnet ist. Hierdurch ist der Stützring nicht axial verschiebbar zwischen Feder und Ring eingespannt. Der Stützring beeinflusst die Durchbiegung der Triebwelle am definierten Abstützpunkt.
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Als äußerst vorteilhaft erweist es sich, dass der Stützring erst bei bestimmter Durchbiegung der Triebwelle sowohl mit einer Außenfläche an der Zylindertrommel als auch mit einer Innenfläche an der Triebwelle anliegt. Damit ist am Stützring ein Spiel vorhanden, das eine bestimmte Durchbiegung der Triebwelle am Abstützpunkt zulässt. Nach Erreichen dieser Durchbiegung verhindert der Stützring jede zusätzliche Durchbiegung.
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Es erweist sich als zweckmäßig, dass ein Außendurchmesser des Stützringes etwa einem Innendurchmesser der Zylindertrommel entspricht und ein Innendurchmesser des Stützringes größer ist als ein Außendurchmesser der Triebwelle. Hierdurch entsteht das Spiel auf einfache Weise zwischen Triebwelle und Stützring. Der Stützring liegt mit der Außenfläche an der Innenwand der Zylindertrommel an und bewirkt hierdurch die weggesteuerte Führung der Zylindertrommel.
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Besondere Vorteile ergeben sich, wenn die Innenfläche des Stützringes als Kontaktfläche zur Triebwelle konvex ausgebildet ist. Die zur Triebwelle achssymmetrische, konvexe Ausbildung der Stützringinnenfläche erlaubt auf einfache Weise eine zur Langsachse des Stützringes punktsymmetrische Durchbiegung der Triebwelle.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die konvex ausgebildete Innenfläche des Stützringes mit einem Radius gemäß der Theorie nach Hertz ausgebildet, sodass die Spannung an der Berührstelle zwischen Stützring und Triebwelle in der Mitte der konvex ausgebildeten Innenfläche am höchsten ist und damit linienförmig wirkt, obwohl eine Abplattung und damit eine Berührungsfläche an der Berührstelle entsteht.
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Ferner wirkt sich hinsichtlich der Funktion des Stützringes als besondere Ausgestaltung der Erfindung vorteilhaft aus, dass der Stützring ein zusätzliches elastisches Element aufweist, das zwischen dem Stützring und der Triebwelle eingespannt ist. Durch die Einspannung des elastischen Elementes, das eine bestimmte Steifigkeit aufweist, erfährt die Zylindertrommel eine weggesteuerte Führung.
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Besondere Vorteile ergeben sich, wenn der Stützring das elastische Element in einer zur Triebwelle hin offenen Nut aufnimmt. Auf konstruktiv besonders einfache Weise ist das elastische Element im Stützring geführt.
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Es erweist sich als zweckmäßig, dass das elastische Element außen am Nutgrund abgestützt ist und dass es in unbelastetem Zustand um mehr als die Differenz des Innendurchmessers des Stützringes und des Außendurchmessers der Triebwelle über den Stützring hinausragt. Das elastische Element ist somit vorgespannt, stabilisiert dadurch die im Betrieb rotierende Zylindertrommel und reduziert damit die Taumelbewegung aufgrund seiner Vorspannkraft, die der Summenkraft aus Druckseitenauswanderungskraft und Flankenreibkraft der Zylinderverzahnung entspricht.
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Vorzugsweise besteht der Stützring aus einem Hochleistungskunststoff. Der Hochleistungskunststoff ist für die Erfindung aufgrund seiner Temperaturbeständigkeit, Festigkeit, Steifigkeit, Gleitfähigkeit und chemischer Resistenz im Besonderen geeignet.
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Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise sind in den Zeichnungen dargestellt. Anhand der Figuren dieser Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert.
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Es zeigen
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1 einen Längsschnitt durch einen Teil einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise,
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2 eine zeichnerische Darstellung eines Sphärenkontaktes zwischen einer Zylindertrommel und einer Steuerplatte bei einer auf eine Triebwelle wirkende Querkraft gemäß Stand der Technik,
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3 eine zeichnerische Darstellung eines Sphärenkontaktes zwischen einer Zylindertrommel und einer Steuerplatte mit erfindungsgemäßem Stützring bei einer auf eine Triebwelle wirkende Querkraft und
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4 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Stützring.
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Die in 1 dargestellte Axialkolbenmaschine 1 in Schrägscheibenbauweise weist ein Triebwerk 2 auf, das in einem Gehäuse 3 angeordnet ist. Das Triebwerk 2 umfasst als wesentliche Bauteile eine drehbar gelagerte Triebwelle 4, eine Zylindertrommel 5, die auf einem Teilkreis angeordnete, axial verlaufende Zylinderbohrungen 6 mit darin längsverschiebbaren Kolben 7 aufweist, bodenseitig mit einer sphärischen Ausnehmung 8 ausgeführt ist und über einen Mitnahmebereich 9 in Form einer Zylinderverzahnung drehfest und axial verschiebbar mit der Triebwelle 4 in Verbindung steht und eine gehäusefeste, von der Triebewelle 4 koaxial durchsetzte Steuerplatte 10, die eine zur Lagerung der Zylindertrommel 5 sphärisch ausgebildete Steuerfläche 11 aufweist. Die in den Zylinderbohrungen 6 längsverschiebbar geführten Kolben 7 sind vorzugsweise zylindrisch ausgeführt. Die zylindertrommelabseitigen Enden der Kolben 7 stützen sich jeweils über ein Gelenk 12 an einer Schrägscheibe 13 ab. Die Schrägscheibe 13 wird von der Triebwelle 4 durchsetzt. In dieser Figur ist nicht dargestellt, dass sie als schwenkbar gelagerte Schwenkwiege mit halbzylindrischem Querschnitt ausgebildet und in der jeweiligen Schwenkstellung durch eine Verstellvorrichtung 14 einstellbar angeordnet ist. Die Zylinderbohrungen 6 münden über Steueröffnungen 15 in die Zylinderbodenfläche mit sphärischer Ausnehmung 8, die mit der analogen Steuerfläche 11 der nichtrotierenden Steuerplatte 10 zum Zwecke der Zu- und Abführung des Druckmittels kooperiert und mit dieser ein Gleitlager 16 bzw. eine Gleitpaarung bildet. Die Steuerplatte 10 realisiert über nicht dargestellte nierenförmige Steuerschlitze die Zu- und Abführung des Druckmittels der Axialkolbenmaschine. Durch die sphärische Ausbildung der Steuerflächen 8 und 11 von Zylindertrommel 5 und Steuerplatte 10 ist die Zylindertrommel 5 selbstzentrierend drehgelagert. In einem zwischen der Zylindertrommel 5 und der Triebwelle 4 ausgebildeten Hohlraum 20 ist eine Anpresseinrichtung 21 zur Vorspannung der Zylindertrommel 5 gegen die Steuerplatte 10 angeordnet. Die Anpresseinrichtung 21 weist einen an einem Triebwellenabsatz 22 abstützenden Seegerring 23 und einen an der Zylindertrommel 5 abstützenden Seegerring 24 auf, der in eine ringförmige Nut 25 in der Zylindertrommelinnenwand eingreift. Zwischen den beiden Seegerringen 23 und 24 ist schrägscheibenseitig eine Scheibe 25 angeordnet, an der sich eine Druckfeder 26 abstützt. Zwischen der Druckfeder 26 und dem Seegerring 24 ist ein Stützring 27 angeordnet. Ein Nulllagendrehpunkt 28 ist im Mitnahmebereich 9 der Schnittpunkt der Längsachse der Triebwelle 4 mit der Ebene durch die Mittelpunkte von Kolbenköpfen 29 der Kolben 7. Die zylindertrommelabseitigen Enden 29 der Kolben 7 sind kugelförmig ausgebildet. Der Schnittpunkt der Längsachse der Triebwelle mit der Ebene durch die Mittelpunkte der kugelförmigen Enden 29 definiert einen Nulllagendrehpunkt 28 im Mitnahmebereich 9.
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Bei einer Drehung der Triebwelle 4 dreht sich aufgrund der drehfesten Verbindung auch die Zylindertrommel 5 mitsamt den Kolben 7. Wenn durch Betätigung der Verstellvorrichtung 12 die Schrägscheibe 11 in eine Schrägstellung gegenüber der Zylindertrommel 5 verschwenkt ist, führen die Kolben 7 Hubbewegungen aus. Bei einer kompletten Drehung der Zylindertrommel 5 durchläuft jeder Kolben 7 einen Saug- und einen Kompressionshub, wobei entsprechende Ölströme erzeugt werden, deren Zu- und Abführung über Steueröffnungen 15, Steuerscheibe 9 und nicht dargestellten Druck- und Saugkanal erfolgen.
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Im Betrieb mit großem Schwenkwinkel erzeugt das Triebwerk 2 eine Querkraft, die sich auf der Triebwelle 4 abstützt und zu einer Verformung der Triebwelle 4 führt. Die Krafteinleitung der Querkraft geschieht im Mitnahmebereich 9 um einen Nulllagendrehpunkt 28. Der Stützring 27 begrenzt die Durchbiegung der Triebwelle 4 in einem Abstützpunkt, sodass die Zylindertrommel 5 selbstzentrierend an der Steuerplatte 10 lagert und nicht kippt. Die nähere Funktionsweise des Stützringes 27 wird in den nachfolgenden Figuren erläutert.
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Die 2 zeigt eine gemäß dem Stand der Technik im Betrieb mit großem Schwenkwinkel auftretende Punktberührung 30 zwischen einer Zylindertrommelsphäre 31 und einer Steuerplattensphäre 32. Eine bei großem Schwenkwinkel durch das Triebwerk erzeugte Querkraft 33 stützt sich auf einer Biegelinie 34 einer Triebwelle, deren Längsachse 40 in belastungsfreiem Zustand gezeigt ist und die zwischen einem Festlager 35 und einem Loslager 36 eingespannt ist, ab. In einem Nulllagendrehpunkt 37 geschieht die Krafteinleitung der Querkraft 33. Die Biegelinie 34 ist derart ausgeprägt, dass sie zwischen dem Nulllagendrehpunkt 37 und dem Loslager 36 ein Maximum 38 aufweist. Dadurch zeigt eine im Nulllagendrehpunkt 37 anliegende Tangente 39 der Biegelinie 34 von der Triebwellenlängsachse 40 weg. Die Tangente 39 entspricht einer Zylindertrommellängsachse 41, die senkrecht auf der Zylindertrommelsphäre 31 steht. Da die Tangente 39 und damit die Zylindertrommellängsachse 41 von der Triebwellenlängsachse 40 wegzeigt, entsteht eine Punktberührung 30 der Sphären 31 und 32.
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3 zeigt eine, durch einen nicht dargestellten, erfindungsgemäßen Stützring erzeugte, ideal selbstzentrierende Anlage einer Zylindertrommelsphäre 45 an einer Steuerplattensphäre 46. Eine bei großem Schwenkwinkel durch das Triebwerk erzeugte Querkraft 47 stützt sich auf einer Biegelinie 48 einer Triebwelle, die zwischen einem Festlager 51 und einem Loslager 52 eingespannt ist, ab. In einem Nulllagendrehpunkt 53 geschieht die Krafteinleitung der Querkraft 47. Die Biegelinie 48 erfährt neben der Lagerung an einem weiteren Abstützpunkt 59 eine zusätzliche Führung durch einen nicht dargestellten Stützring. In diesem Abstützpunkt 59 ist die Biegelinie 48 in ihrer Durchbiegung begrenzt. Dadurch verschiebt sich das Maximum 54 der Biegelinie 48 derart, dass es zwischen dem Festlager 51 und dem Nulllagendrehpunkt 53 liegt. Dadurch bedingt zeigt die im Nulllagendrehpunkt 53 anliegende Tangente 55 der Biegelinie 48 zu einer im belastungsfreien Zustand ungebogenen Triebewellenlängsachse 56 hin. Die Tangente 55 zeigt im Abstützpunkt 59 die maximal mögliche Durchbiegung der Biegelinie 48. Das hat zur Folge, dass die im Nulllagendrehpunkt 53 anliegende Tangente 55 der Biegelinie 48 durch einen Mittelpunkt 58 der Steuerplattensphäre 46 führt, sodass eine selbstzentrierende Anlage erzielt ist.
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Die 4 zeigt einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Stützring 60 und seine Anordnung in einem zwischen einer Triebwelle 61 und einer Zylindertrommel 62 ausgebildetem Hohlraum 63. Im Hohlraum 63 ist eine Anpresseinrichtung 64 zur Vorspannung der Zylindertrommel 62 gegen eine nicht abgebildete Steuerplatte angeordnet. Die Anpresseinrichtung 64 ist nur teilweise dargestellt und weist einen an der Zylindertrommel 62 abstützenden Seegerring 65 auf, der in eine in der Innenwand 66 der Zylindertrommel 62 angeordnete, ringförmige Nut 67 hineinragt. An diesen Seegerring 65 wird der Stützring 60 durch eine Druckfeder 69 angepresst, die sich wiederum über einen nicht dargestellten weiteren Seegerring an einem nicht dargestellten Absatz der Triebwelle 61 abstützt.
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Ein Außendurchmesser 70 des Stützringes 60 entspricht etwa einem Innendurchmesser 71 der Zylindertrommel 62 und ein Innendurchmesser 72 des Stützringes 60 ist größer ist als ein Außendurchmesser 73 der Triebwelle 61, sodass der Stützring 60 an der Zylindertrommel 62 anliegt und zur Triebwelle 61 beabstandet angeordnet ist. Eine Kontaktfläche 74 des Stützringes 60 zur Triebwelle 61 hin ist konvex ausgebildet. Die konvex ausgeführte Kontaktfläche 74 ist mit einem Radius gemäß der Theorie nach Hertz ausgeführt. Der Stützring 60 weist ein zusätzliches elastisches Element 75 auf, das zwischen dem Stützring 60 und der Triebwelle 61 eingespannt ist. Der Stützring 60 ist mit einer zur Triebwelle 61 hin offenen Nut 76 ausgeführt, in der das elastische Element 75 aufgenommen ist.
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Das elastische Element 75 ist mit seiner Außenfläche 78 am Nutgrund 77 abgestützt und ragt in unbelastetem Zustand über den Stützring 60 hinaus. Dadurch dass das elastische Element 75 um mehr als die Differenz des Innendurchmessers 72 des Stützringes 60 und des Außendurchmessers 73 der Triebwelle 61 hinausragt, ist es im eingespannten Zustand vorgespannt. Der Stützring 60 ist aus einem Hochleistungskunststoff hergestellt.
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Erst bei bestimmter Durchbiegung der Triebwelle 61 liegt der Stützring 60 sowohl mit der Außenfläche an der Zylindertrommel 62 als auch mit der Innenfläche an der Triebwelle 71 an und begrenzt damit die Durchbiegung der Triebwelle 61.
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Das vorhandene Spiel zwischen der Triebwelle 61 und der Innenfläche des Stützringes 60 erlaubt zunächst eine Durchbiegung der Triebwelle 61 in bestimmtem Maße. Die mit einem Radius gemäß der Theorie nach Hertz ausgebildete Kontaktfläche 74 führt dazu, dass die Spannung an der Berührstelle zwischen Stützring 60 und Triebwelle 61 in der Mitte der konvex ausgebildeten Innenfläche 74 am höchsten ist und damit linienförmig wirkt, obwohl eine Abplattung und damit eine Berührungsfläche an der Berührstelle entsteht. Das elastische Element 75 weist eine bestimmte Steifigkeit auf, sodass die Zylindertrommel 62 weggesteuert geführt ist. Durch die Vorspannung des elastischen Elementes 75 wird die im Betrieb rotierende Zylindertrommel 62 stabilisiert und damit die Taumelbewegung reduziert. Dabei entspricht die Vorspannkraft der Summenkraft aus Druckseitenauswanderungskraft und Flankenreibkraft der Zylinderverzahnung. Bei Anlage der Triebwelle 61 an Stützring 60 ist keine weitere Durchbiegung mehr möglich.
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Der Stützring 60 ist aus einem Hochleistungskunststoff hergestellt. Er könnte auch aus einem anderen Material gefertigt sein, das entsprechende Eigenschaften wie Temperaturbeständigkeit, Festigkeit, Steifigkeit, Gleitfähigkeit und chemische Resistenz aufweist.
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Im besten Fall führt die im Nulllagendrehpunkt 53 anliegende Tangente 55 der Biegelinie 48 durch einen Mittelpunkt 58 der Steuerplattensphäre 46, um eine ideal selbstzentrierende Anlage zu erzielen. Jedoch rotiert die Zylindertrommel gegenüber dem Stand der Technik schon wesentlich stabiler, wenn die im Nulllagendrehpunkt 53 anliegende Tangente 55 der Biegelinie 48 wenigstens annähernd durch den Mittelpunkt 58 der Steuerplattensphäre 46 führt.
