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Die Erfindung betrifft einen hydrostatischen Axialkolbenmotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Bei hydrostatischen Axialkolbenmotoren ergibt sich beim Anfahren aus einem Ruhezustand ein eigenes inneres Losbrechmoment, das zusätzlich zu dem benötigten Abtriebsdrehmoment vom Axialkolbenmotor aufgebracht werden muss. Das Losbrechmoment ist im Vergleich zum Verlustdrehmoment während der Bewegung besonders groß, weil sich im Stillstand alle Reibungskontakte im Axialkolbenmotor im Zustand der Haftreibung befinden. Diese Haftreibung ist in der Regel um ein vielfaches größer, als die Gleitreibung im Zustand der Bewegung. Daher muss die Nenngröße des Axialkolbenmotors so gewählt werden, dass er bei gegebenem maximalem Betriebsdruck eines versorgenden Systems sowohl das Losbrechmoment als auch das notwendige Anfahrdrehmoment z. B. zum Anfahren des Fahrzeugs aufbringt. Der maximale Betriebsdruck des Systems ist dabei in der Regel durch die Hydropumpe selbst, sowie Ventile, Rohr- und Schlauchleitungen begrenzt und kann nicht ohne weiteres für den Anfahrvorgang erhöht werden. Beispiele für eine Anwendung in einem Fahrzeug sind ein Traktor, der mit einem voll beladenen Wagen an einer großen Steigung aus dem Stillstand anfahren muss und ein Straßenfahrzeug, das einen Hybridantrieb hat und gegen einen Bordstein anfahren muss. Je nach dem, wie die Anforderung an den Axialkolbenmotor lautet, muss die Auswahl seiner Nenngröße entweder nach der maximalen notwendigen Zugkraft bei kleiner Drehzahl oder nach dem maximal notwendigen Anfahrdrehmoment aus dem Stillstand heraus erfolgen.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt zur Verminderung des Verlustdrehmoments eines Axialkolbenmotors, der eine Verteilerscheibe bzw. Steuerlinse und eine drehende Zylindertrommel hat, in einem Anlagebereich zwischen diesen ein hydrostatisches Lager bzw. eine hydrostatische Entlastung vorzusehen.
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Eine derartige Axialkolbenmaschine zeigt die
US 2,445,232 , deren Zylindertrommel an ihrer Stirnseite eine Vielzahl von Ausgleichskammern zur hydrostatischen Entlastung hat. Jede Ausgleichskammer wird über eine den Zylinder mit der Stirnseite verbindenden Durchgangsbohrung mit Druckmittel beaufschlagt.
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Die
US 5,094,146 zeigt einen Axialkolbenmotor, dessen Zylindertrommel stirnseitig radiale Nuten und dessen Verteilerscheibe kreisbogenförmige Nuten hat. Zur hydrostatischen Entlastung kommunizieren die verschiedenen Nuten drucktechnisch miteinander.
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Gemäß dem Stand der Technik wird die hydrostatische Entlastung von den mit Arbeits- bzw. Betriebsdruck beaufschlagten Zylindern „versorgt”. Die Kraftentfaltung der Druckentlastung hängt also stets vom momentanen Arbeits- bzw. Betriebsdruck des Axialkolbenmotors ab.
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Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grund einen Axialkolbenmotor zu schaffen dessen hydrostatische Entlastung flexibilisiert ist. Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Axialkolbenmotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Der erfindungsgemäße Axialkolbenmotor hat eine Zylindertrommel, in der eine Mehrzahl von Zylindern ausgebildet ist, in denen jeweils ein Kolben geführt ist. In einem Anlagebereich zwischen der Zylindertrommel und einer Steuerlinse bzw. Verteilerscheibe ist eine erste hydrostatische von einem Arbeits- bzw. Betriebsdruck der Zylinder abhängige Druckentlastung vorgesehen. Weiterhin ist eine ebenfalls im Anlagebereich wirksame zweite zusätzliche Druckentlastung vorgesehen, die bedarfsorientiert nur beim Anfahren oder beim Langsamlauf aktivierbar ist. Damit ist eine zwischen Zylindertrommel und Verteilerscheibe wirksame Gesamt-Entlastungskraft, die sich aus der Summe der beiden Druckentlastungen ergibt, flexibilisiert. So kann z. B. die vom Arbeits- bzw. Betriebsdruck der Zylinder abhängige Druckentlastung minimal ausgelegt werden, und über die optionale zusätzliche Druckentlastung kann ein variabler Bereich für die Gesamt-Entlastungskraft definiert werden. Bei nicht wirksamer zusätzlicher Druckentlastung ist eine minimale Gesamt-Entlastungskraft und bei maximal wirksamer zusätzlicher Druckentlastung die maximale Gesamt-Entlastungskraft gegeben.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
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Um den Gleitkontakt zwischen der Zylindertrommel und der Verteilerscheibe insbesondere für den Anfahrvorgang des Axialkolbenmotors besonders reibungsarm auszuführen, versucht man mit der herkömmlichen Druckentlastung einen möglichst hohen Entlastungsgrad einzustellen. Dabei soll das Verhältnis zwischen abhebenden Kräften und anpressenden Kräften nur knapp unter 100% (z. B. 95%) liegen. Bei einer ungeraden Zylinderanzahl (meistens 5, 7, 9 oder 11 Zylinder) sind die anpressenden Kräfte in Abhängigkeit der aktuellen Drehposition der Zylindertrommel beim Anfahren nicht konstant. Die abhebenden Kräfte dagegen sind konstant, da sie durch die Wahl der Größe der abhebenden Flächen an der Verteilerscheibe fest eingestellt sind. Aus diesem Grund wird gemäß dem Stand der Technik der Entlastungsgrad so gewählt, dass die Zylindertrommel auch im ungünstigen Fall – also bei der geringeren Anzahl von Zylindern unter Hochdruck – nicht von der Verteilerscheibe abhebt. Bei einem beispielhaften Axialkolbenmotor mit neun Kolben bilden je nach Drehposition der Zylindertrommel vier oder fünf Zylinder die anpressenden Kräfte. Der Entlastungsgrad wird nun so gewählt, dass auch wenn nur vier Kolben unter Hochdruck stehen, die Zylindertrommel nicht abhebt. Im anderen Fall, bei dem fünf Zylinder unter Hochdruck stehen, ist der Entlastungsgrad beim Anfahren gering, und die Reibungskraft bzw. das innere Losbrechmoment ist groß.
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Dementsprechend ist bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Axialkolbenmotors in dessen Zylindertrommel eine ungerade Anzahl (z. B. 5, 7, 9 oder 11) von Zylindern ausgebildet. Damit hängt die vom Betriebsdruck abhängige Druckentlastung auch von einer Drehposition der Zylindertrommel ab. Wenn beim Anfahren nur die geringere Zylinderanzahl der möglichen Zylinderanzahl (z. B. nur 4 Zylinder bei einem 9-Zylinder-Motor) Hochdruck hat, wird die erfindungsgemäße zusätzliche Druckentlastung aktiviert und damit die optimale Gesamt-Entlastungskraft eingestellt. Wenn beim Anfahren die höhere Zylinderanzahl der möglichen Zylinderanzahl (z. B. 5 Zylinder bei einem 9-Zylinder-Motor) Hochdruck hat, wird die erfindungsgemäße zusätzliche Druckentlastung deaktiviert und damit die optimale Gesamt-Entlastungskraft eingestellt. Damit ist ein Axialkolbenmotor geschaffen, bei dem das Innere Losbrechmoment auch bei ungünstiger Stellung der Zylindertrommel gegenüber der Verteilerscheibe verringert ist. Damit kann die Auslegung des Axialkolbenmotors verringert bzw. verkleinert werden.
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Insbesondere ist die erfindungsgemäße zusätzliche Druckentlastung im Moment des Anfahrens wirksam und in ihrer Wirkungsdauer begrenzbar.
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Eine Druckhöhe und damit zusätzliche Entlastungskraft der erfindungsgemäßen zusätzlichen Druckentlastung kann vom Arbeits- bzw. Betriebsdruck des Axialkolbenmotors abhängig sein oder vom Arbeitsdruck bzw. Betriebsdruck unabhängig steuerbar sein.
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Noch höher wird das benötigte Drehmoment, wenn der Axialkolbenmotor zum Antrieb eines Fahrzeugs aus dem Stillstand heraus gegen eine große Gegenlast eingesetzt wird. Dann muss der Axialkolbenmotor gleichzeitig sowohl sein eigenes Losbrechmoment überwinden, als auch das notwendige Anfahrdrehmoment zum Anfahren des Fahrzeugs aufbringen. Bei einem besonders bevorzugten Anwendungsfall ist der Axialkolbenmotor daher ein Fahrmotor eines Fahrzeugs oder einer mobilen Arbeitsmaschine. Damit kann ein Anfahren am Bordstein oder mit einer angehängten hohen Last erleichtert werden, und die Auslegung des Axialkolbenmotors kann weiter verringert bzw. verkleinert werden.
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Vorzugsweise hat die zusätzliche Druckentlastung zumindest eine in der Verteilerscheibe ausgebildete Bohrung, die in einer der Zylindertrommel zugewandten Anlagefläche der Verteilerscheibe mündet. Über die zumindest eine Bohrung ist eine Druckmittelversorgung der zusätzlichen Druckentlastung mit dem Anlagebereich verbunden.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung hat die Verteilerscheibe eine erste nierenförmige Durchgangsausnehmung – insbesondere Hochdruckdruckniere – wobei mehrere Bohrungen – vorzugsweise gleichmäßig – am Außenumfang der ersten nierenförmigen Durchgangsausnehmung im Anlagebereich verteilt sind. Die erste nierenförmige Durchgangsausnehmung kann aus Festigkeitsgründen durch Entlastungsstege unterteilt sein.
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Wenn im geschlossenen Kreis zwei verschiedene Drehrichtungen des erfindungsgemäßen Axialkolbenmotors möglich sein sollen, oder wenn der erfindungsgemäße Axialkolbenmotor zur Rückgewinnung von Bremsenergie in einen Pumpenmodus überführbar sein soll, müssen beide Seiten des Axialkolbenmotors als Hochdruckseite nutzbar sein. Dann wird es bevorzugt, wenn die Verteilerscheibe eine der ersten nierenförmigen Durchgangsausnehmung gegenüber liegende zweite nierenförmigen Durchgangsausnehmung hat, an deren Außenumfang mehrere Bohrungen – vorzugsweise gleichmäßig – verteilt sind.
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Zur definierten Ausbreitung des Druckmittels bzw. des Druckfeldes der zusätzlichen Druckentlastung wird es bevorzugt, wenn sie eine oder mehrere Ausnehmungen hat, die in einer der Zylindertrommel zugewandten Anlagefläche der Verteilerscheibe gebildet sind. Dabei mündet in jede Ausnehmung eine Bohrung.
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Bei einer ersten Variante hängt die zusätzliche Druckentlastung von einer Drehzahl der Zylindertrommel ab.
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Die zusätzliche Druckentlastung kann passiv gesteuert sein.
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Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel mit Drehzahlabhängigkeit und passiver Steuerung ist jeder Zylinder über eine Durchgangsbohrung mit einer der Verteilerscheibe zugewandten Anlagefläche der Zylindertrommel verbunden. Dabei ist erfindungsgemäß jede Ausnehmung über eine in der Anlagefläche der Zylindertrommel gebildete Steuerkerbe mit vergleichsweise geringem Querschnitt mit einer Durchgangsbohrung verbindbar. Die Verbindung ergibt sich je nach Drehposition der Zylindertrommel. Dadurch kann im Stillstand des Motors der Druck aus dem zugeordneten Zylinder über die Durchgangsbohrung und über die Steuerkerbe vollumfänglich in die Ausnehmung übertragen werden. Mit zunehmender Drehzahl der
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Zylindertrommel verringert sich diese Übertragung auf Grund des geringen Querschnitts der Steuerkerbe und der kurzen Zeit der Verbindung, wodurch die Entlastungskraft abnimmt.
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Abweichend kann die zusätzliche Druckentlastung auch aktiv steuerbar sein. Dabei kann die Drehzahl erfasst werden, und die Druckmittelversorgung der zusätzlichen Druckentlastung wird entsprechend aktiv gesteuert. Z. B. kann ein Ventil der Druckmittelversorgung bei Erreichen einer Mindestdrehzahl schließen, und damit die zusätzliche Druckentlastung deaktivieren.
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Der Gesamt-Entlastungsgrad kann gezielt auf einen Wert knapp unter 100%, auf genau 100% oder auch auf einen Wert knapp über 100% eingestellt werden.
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Im Folgenden werden anhand der Figuren verschiede Ausführungsbeispiele der Erfindung detailliert beschrieben.
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Es zeigen
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Axialkolbenmotors;
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2 eine Verteilerscheibe und Teile einer Zylindertrommel des ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Axialkolbenmotors;
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3 eine Verteilerscheibe eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Axialkolbenmotors;
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4 eine Verteilerscheibe eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Axialkolbenmotors; und
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5 eine Verteilerscheibe eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Axialkolbenmotors.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen verstellbaren Axialkolbenmotors in Schrägachs-Bauweise in einer seitlichen teils geschnittenen Darstellung. Er hat eine etwa kreiszylindrische Zylindertrommel 2, deren Winkel gegenüber einer Längsachse 4 einer Abtriebswelle 6 und einem daran drehfest gebildeten Rotor 7 einstellbar ist.
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Die Zylindertrommel 2 hat bei allen gezeigten Ausführungsbeispielen neun gleichmäßig an ihrem Umfang verteilte Zylinder 8, von denen in 1 nur zwei Zylinder 8 dargestellt sind. In jedem Zylinder 8 ist ein Kolben 10 geführt. Sie sind über einen jeweiligen Kolbenfuß und Kolbenschuh an den Rotor 7 der Abtriebswelle 6 gekoppelt. Die Zylindertrommel 2 ist einerseits indirekt über ein Wälzlager 12 in einem Gehäuse 14 des Axialkolbenmotors und andererseits über eine linsenförmige Verteilerscheibe 16 gegen eine gehäusefeste Verstellvorrichtung 18 abgestützt bzw. dazwischen eingespannt. Die Verstellvorrichtung 18 hat einen Zapfen 20, über den die Verteilerscheibe 16 entlang einer Schwenkwiege 22 verschwenkt werden kann. Dabei nimmt sie über einen Anlagebereich die Zylindertrommel 2 mit, wobei im Betrieb des erfindungsgemäßen Axialkolbenmotors die Zylindertrommel 2 gegenüber der Verteilerscheibe 16 dreht. In dem Anlagebereich zwischen der Zylindertrommel 2 und der Verteilerscheibe 16 liegt eine konkav gewölbte Anlagefläche 24 der Zylindertrommel 2 an einer konvex gewölbten Anlagefläche 26 der Verteilerscheibe 16 an. Zwischen jedem Zylinder 8 und der Anlagefläche 24 der Zylindertrommel 2 ist eine Durchgangsbohrung 28 vorgesehen, von denen in 1 nur zwei Durchgangsbohrungen 28 dargestellt sind. Die Durchgangsbohrungen 28 werden bei einer Rotation der Zylindertrommel 2 abwechselnd mit einem Hochdruck und mit einem Niederdruckanschluss (beide nicht gezeigt) des Axialkolbenmotors verbunden.
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Gemäß dem Stand der Technik wird über die Durchgangsbohrungen 28 eine erste hydrostatische Druckentlastung mit Druckmittel versorgt, die sich im Anlagebereich zwischen den beiden Anlageflächen 24, 26 ausbildet.
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2 zeigt den Anlagebereich 26 der Verteilerscheibe 16 mit einer durch Stege abgestützten Hochdruckniere 30 und mit einer Niederdruckniere 32. Weiterhin sind beispielhaft zwei zueinander benachbarte Durchgangsbohrungen 28 gezeigt, die in die oberhalb der Zeichenebene angeordnete Zylindertrommel 2 eingebracht sind. Die Durchgangsbohrungen 28 laufen im Betrieb des erfindungsgemäßen Axialkolbenmotors abwechselnd über die Hochdruckniere 30, wobei der entsprechende Zylinder 8 befüllt und der entsprechende Kolben 10 verdrängt wird. Daraufhin verläuft jede Durchgangsbohrung 28 über die Niederdruckniere 32, wobei vom entsprechenden Kolben 10 aus dem entsprechenden Zylinder 8 das entspannte Druckmittel ausgeschoben wird. In Drehrichtung betrachtet vor der Hochdruckniere 30 und vor der Niederdruckniere 32 ist jeweils eine Umsteuerkerbe 38 in die Anlagefläche 26 eingebracht.
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In der (in 2 nicht näher dargestellten) Anlagefläche 24 der Zylindertrommel 2 ist radial außerhalb von jeder Durchgangsbohrung 28 eine dran angeschlossene Steuerkerbe 34 vorgesehen, wobei in 2 beispielhaft zwei zueinander benachbarte Durchgangsbohrungen 28 und entsprechend zwei Steuerkerben 34 dargestellt sind. Weiterhin sind an der Anlagefläche 26 der Verteilerscheibe 16 benachbart zur Hochdruckniere 30 drei muldenförmige flache Ausnehmungen 36 angeordnet, die etwa elliptische Ränder haben. Über die Steuerkerben 34 kann der jeweils zugeordnete unter Hochdruck stehende Zylinder 8 über seine Durchgangsbohrungen 28 – in Abhängigkeit der Drehposition der Zylindertrommel 2 relativ zur Verteilerplatte 16 – mit einer dieser Ausnehmung 36 verbunden werden. Die Steuerkerben 34 sind so bemessen, dass sich im Stillstand der Zylindertrommel 2 der volle Arbeitsdruck des Zylinders 8 in der verbundenen Ausnehmung 36 ausbilden kann. Damit wird der Entlastungsgrad im Stillstand des erfindungsgemäßen Axialkolbenmotors gezielt vergrößert, um die Reibungsverhältnisse zwischen der Zylindertrommel 2 und der Verteilerscheibe 16 für den Startvorgang zu verbessern. Wenn der Axialkolbenmotor startet, nimmt mit steigender Drehzahl der Zylindertrommel 2 die Zeit ab, mit der die Steuerkerben 34 mit den Ausnehmungen 36 verbunden sind. Damit reicht die Zeit zum vollständigen Druckaufbau in den Ausnehmungen 36 nicht mehr aus. Somit steigt die durch die erfindungsgemäße zusätzliche Druckentlastung aufgebrachte Entlastungskraft mit steigender Drehzahl. Die Steuerkerben 34 können so klein bemessen sein, dass sich nur in der Startphase ein Druck in den Ausnehmungen 36 ausbildet.
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3 zeigt eine Ansicht einer Anlagefläche 126 einer Verteilerscheibe 116 eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Axialkolbenmotors. Die Hochdruckniere 30 und die Niederdruckniere 32 mit den Umsteuerkerben 38 sind entsprechen dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 2 ausgeführt. Abweichend vom ersten Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist die zusätzliche Druckentlastung am Außenumfang der Hochdruckniere 30 durch drei gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel verlängerte Ausnehmungen 136 gebildet, die jeweils über eine die Verteilerscheibe 116 durchsetzende Bohrung 140 mit Druckmittel versorgt werden. Dazu ist eine (nicht gezeigte) Druckmittelversorgung mit einem Ventil vorgesehen, das aktiv steuerbar ist. Damit können die Ausnehmungen 136 während des Anfahrvorgangs oder einer Langsamfahrt gezielt mit dem aktuellen Betriebsdruck oder einem anderen Steuerdruck beaufschlagt werden, so dass der Entlastungsgrad auf nahezu 100. Prozent, genau Prozent oder knapp über 100 Prozent angehoben wird. Dabei kann die Druckbeaufschlagung der Ausnehmungen 136 unabhängig vom tatsächlich benötigten Drehmoment zum Anfahren bei jedem Anfahrvorgang oder bei jeder Langsamfahrt erfolgen. Es ist aber auch möglich, die Druckbeaufschlagung der Ausnehmungen 136 bedarfsabhängig zu steuern je nach dem, ob für den konkreten Anfahrvorgang oder Langsamlauf eine Reibungsreduzierung notwendig ist oder nicht.
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Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Flächenschwerpunkt der drei Ausnehmungen 136 mit dem Schwerpunkt des Kraftangriffs am herkömmlichen hydrostatischen Lager übereinstimmt.
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4 zeigt eine Anlagefläche 226 einer Verteilerscheibe 216 eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Axialkolbenmotors. Dabei ist der Unterschied gegenüber dem in 3 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel darin zu sehen, das der Axialkolbenmotor im geschlossenen Kreis betrieben werden kann. Daher sind an beiden Nieren 30, 32 jeweils drei Ausnehmungen 136, 236 angeordnet, die über eine jeweilige Bohrung 140, 240 in der Bezug zu 3 beschriebenen Weise mit Druckmittel beaufschlagbar werden können. Je nach dem, welche Niere 30, 32 mit Hochdruck beaufschlagt wird, kann die erste Gruppe von Ausnehmungen 136 oder die zweite Gruppe von Ausnehmungen 236 als zusätzliche hydrostatische Druckentlastung bedarfsorientiert zugeschaltet werden.
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Die Form der Ausnehmungen 36; 136; 236 kann nahezu beliebig von den in den 2 bis 4 gezeigten Formen abgewandelt werden. Vorteilhaft sind Formen, die in das Fertigungskonzept des herkömmlichen hydrostatischen Lagers passen.
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Es ist auch möglich, auf die in den 2 bis 4 gezeigten Ausnehmungen 36; 136; 236 zu verzichten und für die erfindungsgemäße zusätzliche hydrostatische Druckentlastung nur Bohrungen 340 gemäß dem in 5 gezeigten vierten Ausführungsbeispiel in eine Verteilerscheibe 316 einzubringen. 5 zeigt am Außenumfang der durch Stege unterteilten Hochdruckniere 30 vier Bohrungen 340, von denen ausgehend sich entsprechend zugeordnete Druckfelder 342 ausbreiten. Diese sind in ihrer maximalen Größe begrenzt durch die Entlastungsflächen der herkömmlichen hydrostatischen Druckentlastung, also insbesondere durch den Außenrand der Anlagefläche 326 der Verteilerscheibe 316.
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Offenbart ist ein Axialkolbenmotor mit einer Zylindertrommel, in der eine Mehrzahl von Zylindern ausgebildet ist, in denen jeweils ein Kolben geführt ist. In einem Anlagebereich zwischen der Zylindertrommel und einer Steuerlinse bzw. Verteilerscheibe ist eine erste hydrostatische von einem Arbeits- bzw. Betriebsdruck der Zylinder abhängige Druckentlastung vorgesehen. Weiterhin ist eine ebenfalls im Anlagebereich wirksame zweite zusätzliche Druckentlastung vorgesehen, die bedarfsorientiert nur beim Anfahren und/oder beim Langsamlauf aktiviert werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2445232 [0004]
- US 5094146 [0005]
