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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft Axialkolbenmaschinen für den Pumpen- und/oder Motorbetrieb. Insbesondere betrifft die Erfindung solche Axialkolbenmaschinen mit verstellbarer Schwenkscheibe.
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Axialkolbenmaschinen dienen prinzipiell zur Wandlung von hydraulischer in mechanische Arbeit, oder umgekehrt. Sie werden dementsprechend als Motor und/oder als Pumpe betrieben und kommen dabei in den verschiedensten Anwendungsgebieten zum Einsatz. Ein typisches Anwendungsgebiet ist beispielsweise der Bereich der Hochdruck-Kolbenpumpen.
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Eine Axialkolbenmaschine verfügt über eine, zur Verringerung von Schwingungen meist ungerade Anzahl an Kolben, beispielsweise 7, 9 oder 11 Kolben. Diese sind parallel zur Antriebswelle angeordnet. Die Kolben werden durch eine Schwenkscheibe (Schrägscheibe) betätigt. Hierbei führen die in einer rotierenden Trommel angeordneten Kolben abhängig vom Schwenkwinkel der Schwenkscheibe eine Hubbewegung aus. Motoren oder Pumpen können eine feststehende Schwenkscheibe haben (Schrägscheibe mit Nullschwenkbarkeit), oder die Schwenkscheibe kann schwenkbar vorgesehen sein. Schräg- bzw. Schwenkscheibenmaschinen werden beispielsweise dann verwendet, wenn es auf einen mechanischen Durchtrieb ankommt; so können etwa mehrere Pumpen auf einer Achse angeordnet werden.
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1a zeigt in Form einer Prinzipskizze als Draufsicht/Schnittansicht ein Beispiel einer herkömmlich konstruierten Axialkolbenmaschine 100. Eine Antriebswelle 102 dreht sich zusammen mit einer Trommel 104 und darin angeordneten Kolben 106 mit einer Antriebsdrehzahl. Eine Anschlussplatte 108, Schwenkscheibe 110 sowie Verstelleinheit 112 für die Schwenkscheibe 110 sind mit einem (nicht dargestellten) Gehäuse der Maschine verbunden. Die Kolben 106 bewegen sich je nach Stellung der Schwenkscheibe 110 in Zylindern 114. Die Schwenkscheibe 110 ist konzentrisch gelagert, d. h. bei einer Verstellung der Schwenkscheibe 110 durch die Verstelleinheit 112 liegt ein Drehpunkt 116 der Schwenkscheibe 110 im Bereich der Antriebswelle 102.
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Die 1a zeigt die Schwenkscheibe 110 in einer Neutral- oder Ruhestellung senkrecht zur Rotationsachse der Trommel 104. Somit bewegen sich die Kolben bei angetriebener Antriebswelle nicht in den Zylindern 114, bzw. die Trommel 104 wird durch Applikation von Druck in geeigneten Zylindern 114 nicht in Bewegung gesetzt.
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1b zeigt die Axialkolbenmaschine 100 aus 1a mit verstellter bzw. verschwenkter Schwenkscheibe 110. In dieser Konfiguration arbeitet die Axialkolbenmaschine 100 beispielsweise als Motor, wenn an einige der Kolben 106 über Zylinder 114 Druck angelegt wird. 1c zeigt die Axialkolbenmaschine 100 in einer anderen Konfiguration, bei der die Verstelleinheit 112 die Schwenkscheibe 110 maximal in die andere Richtung verschwenkt. In dieser Konfiguration kann bspw. über die Zylinder 114 ein Druck appliziert werden, wenn die Antriebswelle 102 angetrieben wird.
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Die Axialkolbenmaschine 100 kann also durch geeignete Verschwenkung der Schwenkscheibe 110 zwischen Motor- und Pumpenbetrieb wechseln. Die genaue Einstellung des Schwenkwinkels der Schwenkscheibe 110 durch die Verstelleinheit 112 bestimmt den jeweiligen Lastpunkt. Zur weiteren Erläuterung sind in den 1b und 1c ein Arbeitshub 132 bzw. 142, ein Totvolumen 134 bzw. 144 sowie eine minimale Führungslänge 136 bzw. 146 angedeutet. Beim Betrieb der Axialkolbenmaschine 100 im Pumpenbetrieb unter Volllast (1c) ist das Totvolumen 144 minimal, d. h. die Kolben 106 rücken so weit in die Zylinder 114 ein wie konstruktiv möglich. Der Arbeitshub 142 ist groß im Verhältnis zum Totvolumen 144, somit ergibt sich ein hoher Wirkungsgrad. Die minimale Führungslänge 146 der Kolben 106 in den Zylindern 114 ist zwar gering, es treten allerdings in dieser Konfiguration bzw. Stellung nur geringe Querkräfte auf, so dass ein Verklemmen oder Blockieren nicht auftritt.
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Im Motorbetrieb unter Teillast (1b) ist allerdings ein Totvolumen 134 deutlich größer als bei dem in 1c gezeigten Volllastbetrieb. Gleichzeitig ist der Arbeitshub 132 gering. Aus dem ungünstigen Verhältnis zwischen Arbeitshub 132 und Totvolumen 134 ergibt sich ein schlechter Teillast-Wirkungsgrad. Darüber hinaus führt die kurze minimale Führungslänge 136 der Kolben 106 in den Zylindern 114 einerseits zu Leckageverlusten und somit zu einer weiteren Verringerung des Wirkungsgrades; zum anderen erfährt der Kolben 106 insbesondere im Motorbetrieb bei geringer Last hohe Querkräfte, die in Verbindung mit den kurzen Führungslängen 136 zu hohen Klemmkräften führen, bis hin zu einem Blockieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Axialkolbenmaschine für den Pumpen- und/oder Motorbetrieb vorgeschlagen, welche eine Schwenkscheibe und mindestens ein Lager für die Schwenkscheibe umfasst. Hierbei ist das Lager für eine exzentrische Lagerung der Schwenkscheibe vorgesehen. Die exzentrische Lagerung kann etwa so vorgesehen sein, dass in einer Neutral- bzw. Ruhestellung der Schwenk- bzw. Schrägscheibe ein Totvolumen aller oder mindestens eines Teils der Kolben der Maschine minimal ist. Ein minimales Totvolumen kann beispielsweise das bei einem maximalen Einrücken eines Kolbens in den jeweiligen Zylinder hinein verbleibende Zylindervolumen sein. Das maximale Einrücken kann etwa durch die Konstruktion von Kolben, Zylinder, und/oder Schwenkscheibe vorgegeben sein. Bei dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine unterscheidet sich die Stellung der Kolben im Zylinder in einer Ruhestellung der Schwenkscheibe von einer herkömmlichen Axialkolbenmaschine, bei der sich bei einer Ruhestellung der Schwenkscheibe die Kolben in Bezug auf die Zylinder etwa in der Mitte ihres Hubbereiches befinden.
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Bei bestimmten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine umfasst diese mindestens zwei Lager für die Schwenkscheibe, wobei jedes der beiden Lager für eine exzentrische Lagerung der Schwenkscheibe vorgesehen ist. Dies kann insbesondere solche Maschinen betreffen, die sowohl als Pumpe wie auch als Motor betrieben werden können. Die Schwenkscheibe kann beispielsweise bei Einsatz der Maschine als Pumpe in einem ersten der beiden Lager gelagert sein, und kann aus dem zweiten der beiden Lager ausgelenkt sein. Bei einem Einsatz der Maschine als Motor wäre dann die Schwenkscheibe im zweiten Lager gelagert und aus dem ersten Lager ausgelenkt.
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Das oder jedes Lager kann beispielsweise eine Lagerschale, einen Lagerbock und/oder ein hydrostatisches Lager umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann das oder jedes Lager eine Verriegelung umfassen. Durch eine Verriegelung kann die Schwenkscheibe etwa in einer Lagerschale oder einem Lagerbock verriegelt werden. Je nach Ausführungsform kann sich hierdurch beispielsweise eine Zahl benötigter Verstelleinheiten verringern.
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Bestimmte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine umfassen einen Führungsmechanismus zur Führung, insbesondere Zwangsführung, der Schwenkscheibe. Ein derartiger Führungsmechanismus kann beispielsweise eine Kulisse und/oder ein Stangengetriebe umfassen. Ein derartiger Führungsmechanismus erlaubt ebenfalls, beispielsweise die Zahl benötigter Verstelleinheiten zu verringern, so dass beispielsweise nur eine Verstelleinheit zur Verstellung bzw. Verschwenkung der Schwenkscheibe erforderlich ist.
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Bestimmte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine umfassen mindestens eine Verstelleinheit zur Verstellung der Schwenkscheibe. Bei bestimmten Ausführungsformen ist die oder jede Verstelleinheit jeweils einem Lager zugeordnet. So kann beispielsweise bei zwei Lagern jeweils eine Verstelleinheit einem Lager zugeordnet sein. Bei anderen Ausführungsformen verfügt die Axialkolbenmaschine über beispielsweise nur eine einzige, in Bezug auf die Schwenkscheibe etwa zentral angeordnete Verstelleinheit. Bei bestimmten Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine sind in einige oder alle Zylinder Federn integriert. Dies ermöglicht beispielsweise eine einfachere Auslegung von Verstelleinheiten bzw. eine konstruktiv einfacher ausgeführte Lagerung der Schwenkscheibe.
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Die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine kann beispielsweise bei Anwendungen in der Mobilhydraulik, als hydraulischer Fahrantrieb, für hydraulische Hybridfahrzeuge („Hydraulic Hybrid Vehicle”, HHV), oder in hydraulisch rekuperativen Bremssystemen („Hydraulic Regenerative Breaking”, HRB) zum Einsatz kommen.
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Vorteile der Erfindung
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Axialkolbenmaschinen nach dem Stand der Technik haben eine Schwenkscheibe mit fest vorgegebenem Drehpunkt in der Mitte der Schwenkscheibe (oder bei eventuell leichtem Achsversatz), wie in den 1a–1c gezeigt. Hierbei befinden sich in der Ruhestellung der Schwenkscheibe die Kolben stets etwa in der Mitte ihres Hubbereichs. Bei kleinen Schwenkwinkeln, d. h. im Teillastbereich, führen die Kolben daher Bewegungen um ihre Mittellager herum aus, die zu den weiter oben diskutierten Nachteilen führen. Wird die Schwenkscheibe einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine aus ihrer Ruhestellung in den Teillastbereich hinein geschwenkt, vergrößert sich die Hubbewegung der Kolben aus einer maximal eingerückten Position (kleines Totvolumen) heraus, d. h. beim Ausschwenken der Schwenkscheibe wird der Hub sukzessive (in eine Richtung) größer.
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Eine Axialkolbenmaschine mit erfindungsgemäß ausgebildeter, exzentrischer Lagerung der Schwenkscheibe führt somit zu einem verbesserten Teillast-Wirkungsgrad, weil eine derart gelagerte Schwenkscheibe unter Teillast ein verringertes Totvolumen ermöglicht, wodurch sich wiederum ein günstigeres Verhältnis von Arbeitshub zu Totvolumen ergibt. Gleichzeitig kann eine größere Führungslänge im Teillastbetrieb erzielt werden, wodurch sich die Leckage verringert. Die größere Führungslänge führt darüber hinaus zu einer verringerten Reibung im Teillastbetrieb.
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Beim Betrieb einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine als Motor im Teillastbetrieb führt die vergrößerte Führungslänge darüber hinaus zu einer verringerten Neigung zum Klemmen bzw. Blockieren. Weiterhin ergibt sich eine gut definierte Fail-Safe-Position bei Nulllast, sofern zwei Schwenklager vorhanden sind, die bei Nulllast als Anschlag wirken.
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Für eine ausschließlich als Pumpe, oder als Motor betriebene Axialkolbenmaschine genügt ein exzentrisches Lager; bei einer 2-Quadrant-Einheit, welche sowohl für den Betrieb als Pumpe als auch als Motor vorgesehen ist, können vorteilhaft wenigstens zwei jeweils exzentrisch angeordnete Lager vorgesehen sein. Die beiden Lager können wechselseitig im Eingriff mit der Schwenkscheibe stehen, und in der Ruhestellung kann die Schwenkscheibe in beiden Lagern gelagert sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden nunmehr anhand der beigefügten Figuren eingehender beschrieben. Hierbei zeigt:
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1a–1c ein Beispiel einer Axialkolbenmaschine nach dem Stand der Technik in Ruhestellung, im Motorbetrieb unter Teillast, sowie im Pumpenbetrieb unter Volllast;
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2a–2c ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine in Ruhestellung, im Motorbetrieb unter Teillast, sowie im Pumpenbetrieb unter Volllast;
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3a–3c ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine in Ruhestellung, im Motorbetrieb unter Teillast, sowie im Pumpenbetrieb unter Volllast;
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4a–4c ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine in Ruhestellung, im Motorbetrieb unter Teillast, sowie im Pumpenbetrieb unter Volllast;
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5a–5d ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine in Ruhestellung, im Motorbetrieb unter Teillast sowie im Pumpenbetrieb unter Volllast; und
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6a–6c ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine in Ruhestellung, im Motorbetrieb unter Teillast, sowie im Pumpenbetrieb unter Volllast.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den 2a–2c ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine 200 schematisch dargestellt. Eine Antriebswelle 202, Trommel 204 mit Kolben 206 drehen sich mit einer Antriebsdrehzahl, während eine Anschlussplatte 208 und eine Schwenkscheibe 210 mit einem (nicht gezeigten) Gehäuse der Maschine 200 verbunden sind. Die Schwenkscheibe 210 ist in zwei Lagern 212 und 214 gelagert. Jedes der Lager 212, 214 umfasst eine Lagerschale 216 bzw. 218, in die eine entsprechende Ausformung 220 bzw. 222 der Schwenkscheibe 210 eingreift. Jedes der beiden Lager kann als Schwenklager bei einem Verschwenken der Schwenkscheibe dienen, wie unten genauer beschrieben wird.
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Die 2a zeigt die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine 200 in einer Ruhestellung der Schwenkscheibe 210. In der 2b wird die Axialkolbenmaschine 200 im Motorbetrieb unter Teillast betrieben. Hierbei ist die Schwenkscheibe 210 aus dem Lager 212 ausgeschwenkt, während sie über das als Schwenklager dienende Lager 214 exzentrisch gelagert bleibt. 2c zeigt eine Konfiguration der Maschine 200 im Pumpenbetrieb unter Volllast, bei der die Schwenkscheibe 210 maximal aus dem Lager 214 ausgeschwenkt ist, aber exzentrisch im als Schwenklager dienendem Lager 212 gelagert ist.
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In den 2b und 2c sind ein Arbeitshub 232 bzw. 242, ein Totvolumen 234 bzw. 244 sowie eine minimale Führungslänge 236 bzw. 246 angedeutet. Durch die exzentrische Lagerung der Schwenkscheibe 210 ergibt sich unter Teillast (2b) ein gegenüber einer herkömmlichen Maschine (vgl. 1b) deutlich verringertes Totvolumen 234 (vgl. 2b, Totvolumen 134). Dadurch ist das Verhältnis von Arbeitshub 232 zu Totvolumen 234 günstiger als beim Stand der Technik. Hieraus ergibt sich ein entsprechend verbesserter Teillast-Wirkungsgrad. Darüber hinaus ist auch die minimale Führungslänge 236 unter Teillast größer als beim Stand der Technik, da sich die Kolben 206 aus ihrer maximal in die Zylinder 211 eingerückten Stellung herausbewegen. Somit können auftretende Querkräfte besser abgefangen werden, d. h. es treten geringere Klemmkräfte auf und eine Blockiergefahr kann minimiert werden.
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Die 3a–3c zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine 300. Soweit nicht anders erwähnt, entspricht die Maschine 300 in Ausführung und Betrieb der Maschine 200 aus den 2a–2c. Die Maschine 300 hat, wie die Maschine 200, zwei Lager 312, 314 mit Lagerschale 316 bzw. 318. Eine Ruhe- bzw. Nullstellung der Schwenkscheibe 310 wird dadurch bestimmt, dass die Schwenkscheibe 310 mittels zweier Verstelleinheiten 356, 358 gegen die Lagerschalen 316 und 318 gedrückt wird. Den Verstelleinheiten 356, 358 wirken über die Kolben 306 Hydraulikkräfte der Zylinder 311 entgegen. Zusätzlich sind bei der Maschine 300 Federn 360 in den Zylindern 311 angeordnet, so dass zu den Hydraulikkräften entsprechende Federkräfte hinzutreten.
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Je nach gewünschtem Betriebsquadrant (Pumpe/Motor) und Lastpunkt wird eine der beiden Verstelleinheiten 356, 358 verstellt, bis sich der gewünschte Schwenkwinkel der Schwenkscheibe 310 ergibt. Die jeweils andere Verstelleinheit drückt die Schwenkscheibe gegen das zugeordnete Lager, das dadurch ein exzentrisches Schwenklager für die Schwenkscheibe bildet. Entsprechend zeigt 3b eine Konfiguration der Axialkolbenmaschine 300 im Motorbetrieb unter Teillast, bei der die Verstelleinheit 356 zurückgenommen wurde, so dass die Schwenkscheibe 310 durch Hydraulik- und Federkräfte aus dem Lager 312 herausgedrückt wird. In 3c wird die Maschine 300 im Pumpenbetrieb unter Volllast betrieben. Hierbei ist die Verstelleinheit 358 so verstellt, dass sich der (maximale) Ausschwenkwinkel der Schwenkscheibe 310 ergibt, während die Verstelleinheit 316 die Schwenkscheibe 310 in das Lager 312 drückt, das somit ein Schwenklager für die exzentrische Auslenkung der Schwenkscheibe 310 bildet.
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In den 4a–4c ist ein nochmals weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine 400 schematisch dargestellt. Soweit nicht anders erwähnt, entspricht die Maschine 400 in Ausführung und Betrieb den oben beschriebenen Maschinen 200 bzw. 300. Eine exzentrische Lagerung der Schwenkscheibe 410 erfolgt über zwei Lager 412 und 414. Das Lager 412 wird dabei durch einen Lagerbock 416 und Verriegelung 462 gebildet, während das Lager 414 den Lagerbock 418 und Verriegelung 464 umfasst. Die Maschine 400 verfügt nur über eine einzelne, zentral bzw. konzentrisch in Bezug auf die Schwenkscheibe 410 angeordnete Verstelleinheit 456.
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In der in 4a gezeigten Ruhestellung sind beide Lagerstellen 412 und 414 durch den Verriegelungsmechanismus 462 und 464 verriegelt. 4b zeigt eine Konfiguration der Maschine 400 im Motorbetrieb unter Teillast, wobei die Verriegelung 462 gelöst ist, so dass die Schwenkscheibe 410 von den hydraulisch und durch Federkraft getriebenen Kolben 406 aus dem Lager 412 herausgedrückt wird, wobei die Verstelleinheit 416 entsprechend zurückgenommen ist. Die Lagerung 414 mit geschlossener Verriegelung 464 dient dabei als Schwenklager. Die 4c zeigt die Axialkolbenmaschine 400 im Pumpenbetrieb unter Volllast, wobei die Verstelleinheit 416 entsprechend zurückgenommen und die Verriegelung 462 geschlossen und die Verriegelung 464 geöffnet ist, so dass die Schwenkscheibe 410 entsprechend ausgeschwenkt ist.
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In den 5a–5d ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine 500 gezeigt, bei dem eine Schwenkscheibe 510 in einer Führung zwangsgeführt wird. Die Führung ist in Form einer Kulisse 566 ausgebildet. Die Schwenkscheibe 510 kann eine bspw. hydrostatische Lagerung umfassen, um bspw. bei einer metallischen Pressung zwischen Schwenkscheibe 510 und Kulisse 566 die Reibung zwischen den beiden Komponenten zu minimieren.
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Die Schwenkscheibe 510 wird in der Kulisse 566 derart geführt, dass sie um einen der beiden Lagerpunkte 512 und 514 verschwenkt werden kann, wobei der jeweils andere Lagerpunkt weiterhin der Lagerung dient, wie durch die Stellung 568 in 5a verdeutlicht. In den 5b–5d sind beispielhaft Konfigurationen der Maschine 500 mit unterschiedlichen Einstellungen der Schwenkscheibe 510 dargestellt. Diese Einstellungen werden mittels einer einzigen, zentral angeordneten Verstelleinheit 516 eingestellt. Hierbei zeigt 5c eine Ruhestellung der Schwenkscheibe 510, bei der diese an beiden Lagerstellen 512 und 514 anliegt. Auslenkungen aus der Ruhestellung sind in den 5b bzw. 5d gezeigt, wobei jeweils nur einer der beiden Lagerpunkte 512, 514 als Auflager beansprucht wird. Anstelle einer Kulissenführung wie bei dem Ausführungsbeispiel 500 ist auch eine Führung in Schienen denkbar.
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In den 6a–6c wird ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine 600 schematisch dargestellt, bei der eine Schwenkscheibe 610 ebenfalls geführt wird, jedoch nicht durch eine Kulisse oder über Schienen, sondern über ein mechanisches Stangengetriebe. Hierbei wird die Schwenkscheibe 610 über Getriebestangen 670, 672 geführt. Anders als bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen ist hier die Schwenkscheibe 610 nicht unmittelbar an Lagerstellen 612 und 614 gelagert, sondern über die Getriebestangen 670 und 672. 6b zeigt eine Ruhestellung der Schwenkscheibe 610, während in den 6a bzw. 6c die Schwenkscheibe 610 jeweils ausgeschwenkt ist. Es kann eine einzelne Verstelleinheit (nicht gezeigt) zur Verstellung der Schwenkscheibe 610 vorgesehen sein, wie dies etwa in dem Ausführungsbeispiel 500 illustriert ist.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt; vielmehr sind innerhalb des durch die anhängigen Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
