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Die Erfindung betrifft eine hydrostatische Axialkolbenmaschine in Schrägscheiben Bauweise gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Eine derartige Axialkolbenmaschine ist beispielsweise in der
DE 10 2008 038 435 A1 offenbart. Bei diesen hydrostatischen Maschinen ist das Förder-/Schluckvolumen durch Verschwenken einer Schwenkwiege verstellbar, an der eine Vielzahl von Kolben anliegen, die in einer Zylindertrommel geführt sind. Die Verschwenkung der Schwenkwiege erfolgt bei der bekannten Ausführung über einen Gegenzylinder und einen Stellzylinder, wobei der Gegenzylinder die Schwenkwiege in einer Richtung beaufschlagt und der Stellzylinder in Gegenrichtung. Ein Gegenkolben des Gegenzylinders ist üblicher Weise mit dem Pumpendruck beaufschlagt, während ein Stellkolben des Stellzylinders über ein Regelventil mit Steueröl beaufschlagt ist. Ein Ventilschieber des Regelventils ist gegen die Kraft einer Rückführfeder verstellbar, wobei die Vorspannung dieser Rückführfeder vom Schwenkwinkel der Schwenkwiege abhängt. Der Ventilschieber des Regelventils befindet sich in seiner Regel-/Grundposition, wenn die elektrisch oder elektrohydraulisch auf den Ventilschieber wirkende Stellkraft im Gleichgewicht zur Kraft der Rückführfeder steht – die Schwenkwiege ist dann auf einen Schwenkwinkel eingestellt, der proportional zu der am Regelventil wirkenden Stellkraft ist.
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Bei der bekannten Axialkolbenmaschine ist die Rückführfeder über ein Gestänge mit dem Gegenkolben gekoppelt, wobei das Regelventil und die Rückführfeder an das Gehäuse der Axialkolbenmaschine angesetzt sind und das Gestänge aus dem Gehäuse der Axialkolbenmaschine heraus in das angesetzte Ventilgehäuse hinein ragt.
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Das aufgesetzte Ventilgehäuse mit der Rückführfeder erfordert einen erheblichen Bauraum, zudem ist der Aufbau des Gehäuses der Axialkolbenmaschine relativ komplex, da das Gestänge in geeigneter Weise durchgeführt werden muss.
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Von der Bosch Rexroth AG wird unter der Typenbezeichnung A4CSG eine Axialkolbenmaschine mit elektroproportionaler Verstellung gezeigt, deren Verstellmechanismus detailliert in der
DE 100 63 526 C1 beschrieben ist. Bei dieser Lösung sind das Regelventil und der Gegenzylinder ebenfalls mechanisch über einen Mitnehmer gekoppelt und quer zur Achse einer mit der Zylindertrommel verbundenen Triebwelle angeordnet und an das Gehäuse der Axialkolbenmaschine angesetzt. Diese Variante zeigt den gleichen Nachteil wie der zuvor beschriebene Stand der Technik – durch das Ansetzen der Gehäuse für das Regelventil und für die Rückführfeder sind die radialen Abmessungen der Axialkolbenmaschine vergleichsweise groß.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine kompakte hydrostatische Axialkolbenmaschine zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine hydrostatische Axialkolbenmaschine mit der Merkmalskombination des Patentanspruches 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine ist mit einer elektroproportionalen Verstellung des Schwenkwinkels einer Schwenkwiege ausgeführt, wobei an dieser ein Gegenkolben eines Gegenzylinders und/oder ein Stellkolben eines Stellzylinders angreifen. Letzterer ist mittels eines proportional verstellbaren Regelventils ansteuerbar, dessen Ventilschieber über eine Rückführfeder mit einer vom Schwenkwinkel abhängigen Rückführkraft beaufschlagt ist. An der Schwenkwiege sind eine Vielzahl von Kolben abgestützt, die in einer mit einer Triebwelle in Wirkverbindung stehenden Zylindertrommel geführt sind. Erfindungsgemäß ist die Rückführfeder im Bereich zwischen ihrem regelventilseitigen Endabschnitt und dem vom Regelventil entfernten Endabschnitt an der Schwenkwiege angebunden. Durch diese Geometrie kann die Baulänge der Axialkolbenmaschine erheblich reduziert werden, da üblicherweise die Anbindung jenseits der Rückführfeder erfolgt.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Regelfeder mittelbar an die Schwenkwiege angebunden.
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Die Regelfeder kann beispielsweise an einer Federhülse abgestützt sein, wobei dann die Schwenkwiege mit einem Mitnehmer kraft- oder formschlüssig mit der Federhülse verbunden ist.
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Bei einer alternativen Lösung kann die Federhülse über eine Anlagefeder gehäuseseitig abgestützt sein.
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Eine sehr kompakte Lösung erhält man, wenn die Anlagefeder koaxial zur Rückführfeder angeordnet ist, wobei beide Federn hintereinander liegen können.
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Um eine hinreichende Abstützung zu ermöglichen, ist vorzugsweise die Federkraft der Anlagefeder größer als die Federkraft der Rückführfeder gewählt.
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Die Baulänge der Axialkolbenmaschine lässt sich weiter verringern, wenn die die Rückführfeder abstützende Hülse bodenseitig eine Aufnahme für einen Endabschnitt der Anlagefeder hat, sodass beide Federn einander abschnittsweise überlappen.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Rückführfeder seitlich versetzt zum Stellzylinder oder zum Gegenzylinder angeordnet.
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Die Orientierung der Bauelemente kann so gewählt sein, dass der Gegenzylinder, der Stellzylinder und die Rückführfeder parallel zur Triebwerksachse liegen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen
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1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße hydrostatische Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise,
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2 eine schematisierte Seitenansicht auf das geöffnete Gehäuse der Axialkolbenmaschine gemäß 1,
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3 eine Prinzipskizze des Aufbaus einer Verstelleinrichtung einer Schwenkwiege der Axialkolbenmaschine gemäß der 1 und 2 und
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4 eine Variante einer Verstelleinrichtung für eine Schwenkwiege der Axialkolbenmaschine.
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Bei den folgenden Ausführungen wird vorausgesetzt, dass der prinzipielle Aufbau einer Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise bekannt ist, so dass hier nur die zum Verständnis der Erfindung wesentlichen Bauelemente erläutert werden. Im Übrigen wird auf die Fachliteratur, beispielsweise den eingangs genannten Stand der Technik verwiesen.
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Die Axialkolbenmaschine 1 hat ein Triebwerk mit einer Triebwelle 2 und eine in einem Gehäuse verschwenkbar gelagerte Schwenkwiege 4. Die Triebwelle 2 ist über Wälzlager 6 in dem Gehäuse mit einem topfartigen Gehäuseteil 8 und einem Deckel 10 gelagert. Die Triebwelle 2 ist drehfest verbunden mit einer Zylindertrommel 12, in der eine Vielzahl von Arbeitskolben 14 verschiebbar geführt sind. Diese begrenzen jeweils mit einer Zylinderbohrung einen Arbeitsraum 16, die über eine Steuerscheibe in Druckmittelverbindung mit Hoch- oder Niederdruck bringbar sind. Die Kolben 14 gleiten während der Rotation der Zylindertrommel 12 mit Kolbenschuhen 18 an der Gleitfläche der Schwenkwiege 4 ab. Die Verstellung des Förder-/Schluckvolumens und damit des Kolbenhubs erfolgt über eine Verstelleinrichtung 20, deren Grundaufbau im eingangs beschriebenen Stand der Technik erläutert ist.
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Demgemäß hat eine derartige Verstelleinrichtung 20 einen Gegenzylinder 22, dessen Gegenkolben 24 über ein Kugelgelenk 26 mit der Schwenkwiege 4 verbunden ist. In einem Druckraum 28 des Gegenzylinders 22 wirkt der Pumpendruck, so dass die Stirnfläche des Gegenkolbens 24 stets mit Pumpendruck beaufschlagt ist. In der in 1 dargestellten Position ist die Schwenkwiege 4 auf einen Maximalwert von beispielsweise +20° ausgeschwenkt, wobei der Gegenkolben 24 vollständig eingefahren ist. Die Gegenfeder 30 ist dabei mit einer maximalen Spannung beaufschlagt. Der in 1 rechte Endabschnitt der Gegenfeder 30 ist an einem entlang des Gegenkolbens 24 verschiebbaren Federtellers 32 abgestützt, wobei der Verschiebeweg durch eine Schulter 34 (siehe auch 3) am Außenumfang des Gegenkolbens 24 begrenzt ist. Der andere, in 1 linke Endabschnitt der Gegenfeder 30 liegt an einem Abstützteil 36 an, dessen Aufbau später anhand 3 erläutert wird. Wie aus 1 hervorgeht, ist das Abstützteil 36 seinerseits am Kugelgelenk 26 und damit an der Schwenkwiege 4 abgestützt. Der Axialabstand zwischen dem Abstützteil 36 und dem Federteller 32 bei Anlage an die Schulter 34 ist so gewählt, dass die Gegenfeder 30 mit einer Vorspannung beaufschlagt ist.
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Diametral versetzt zum Gegenzylinder 24 greift an der Schwenkwiege 4 ein Stellzylinder 38 an, dessen Stellkolben 40 einen Stellraum 42 begrenzt. In der Darstellung gemäß 1 ist lediglich ein Proportionalmagnet 45 des Regelventils 44 zu sehen. Das Regelventil 44 selbst ist im Schnitt gemäß 1 nicht sichtbar und liegt beispielsweise etwa auf dem gleichen Umfangskreis wie der Gegenzylinder 22 unterhalb der Zeichenebene in 1. Selbstverständlich kann das Regelventil 44 auch auf andere Weise positioniert werden.
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Über dieses Regelventil 44 kann dem Stellraum 42 Steueröl zugeführt werden oder es kann eine Steuerölverbindung zum Tank aufgesteuert werden. Der Stellkolben 40 hat einen größeren Durchmesser als der Gegenkolben 24. Auch der Stellkolben 40 ist über ein Kugelgelenk 46 mit der Schwenkwiege 4 verbunden. Der Stellzylinder 40 ist von einer Stellfeder 48 umgriffen, die einerseits über einen Federteller 54 an einer Schulter 50 und andererseits an einem Federteller 52 angreift, der seinerseits über das Kugelgelenk 46 an der Schwenkwiege 4 abgestützt ist. Der Axialabstand des Federtellers 52 von der Schulter 50 ist wiederum so gewählt, dass die Stellfeder 48 mit einer Vorspannung beaufschlagt ist.
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Zur Einstellung des in 1 dargestellten Schwenkwinkels liegt sowohl im Stellraum 42 als auch in dem Druckraum 28 der Pumpendruck an, so dass aufgrund des größeren Durchmessers des Stellkolbens 40 die Schwenkwiege 4 in der dargestellten Weise auf ihren maximalen Schwenkwinkel verstellt ist. In dieser Position der Schwenkwiege 4 ist, wie erläutert, der Gegenkolben 24 vollständig eingefahren, wobei der Federteller 32 dann in Anlage an eine Schulter des Gehäuses gelangt und von der Schulter 34 abhebt, so dass die Gegenfeder 30 gespannt wird. Prinzipiell erfolgt die Verstellung des Schwenkwinkels in Richtung einer Verringerung des Förder-/Schluckvolumens, indem über das Regelventil 44 die Steuerölverbindung zum Tankanschluss gesteuert wird und dementsprechend die Verschwenkung über das resultierende auf die Schwenkwiege wirkende Moment erfolgt. Der gewünschte Schwenkwinkel wird dann gehalten, wenn Momentengleichgewicht anliegt.
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Die wesentlichen Druckmittelanschlüsse der Pumpe (Tankanschluss, Druckanschluss, evtl. Leckageanschluss) sind am Deckel 10 ausgebildet.
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In 2 ist stark schematisiert eine Seitenansicht der Axialkolbenmaschine bei abgenommenem Deckel 10 dargestellt. Man erkennt das topfförmige Gehäuseteil 8 und die Zylindertrommel 12 mit den durch die Kolben 14 begrenzten Arbeitsräumen 16. Mittig ist die Triebwelle 2 angeordnet. Des Weiteren dargestellt ist die Position des Stellzylinders 38, des Gegenzylinders 20 und des Regelventils 44. Aus dieser Darstellung erkennt man, dass das Regelventil 44 in das Gehäuse der Axialkolbenmaschine integriert ist und nicht, wie beim eingangs beschriebenen Stand der Technik, außen angesetzt wird, so dass die Radialabmessungen der Axialkolbenmaschine sehr kompakt ausgeführt werden können. Gegenzylinder 20 und Stellzylinder 38 liegen einander diametral gegenüber und wirken auf die angedeutete Schwenkwiege 4, die um die in 2 horizontal verlaufende Schwenkachse 56 verschwenkbar ist. Aus der Darstellung gemäß 2 ist entnehmbar, dass die Achsen des Gegenzylinders 20, des Stellzylinders 38 und des Regelventils 44 in etwa den gleichen Abstand zur Achse der Triebwelle 2 haben, d. h. alle drei Bauelemente können in das Gehäuseteil 8 bzw. den dieses abschließenden Deckel 10 integriert werden.
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3 zeigt eine prinzipielle Darstellung eines Teils einer Verstelleinrichtung 20, mit dem Regelventil 44, über das der Stellraum 42 des Stellzylinders 38 (1) mit Steueröl beaufschlagbar ist, um die Schwenkwiege 4 aus ihrer Grundposition mit minimalem Förder-/Schluckvolumen in Richtung der verschwenkten Position (maximales Förder-/Schluckvolumen) auszuschwenken. Der maximale Schwenkwinkel α beträgt dabei, wie in 3 strichpunktiert angedeutet, etwa +/–20°. Die Schwenkachse 56 verläuft dabei senkrecht zur Zeichenebene in 3.
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Wie erläutert, ist die Schwenkwiege 4 im Gehäuseteil 8 gelagert. Das Regelventil 44 ist im oder am Deckel 10 aufgenommen und hat einen Ventilschieber 58, über den eine Druckmittelverbindung zwischen einem Arbeitsanschluss A, einem Tankanschluss T und einem den Systemdruck führenden Druckanschluss P steuerbar ist. Der Arbeitsanschluss A steht in Druckmittelverbindung mit dem genannten Stellraum 42 des Stellzylinders 38. In der Grundposition der Axialkolbenmaschine ist die Schwenkwiege 4 beispielsweise auf den in 3 angedeuteten Schwenkwinkel von –20° eingestellt. Zum Verschwenken in Richtung minimales Förder-/Schluckvolumen (siehe 1) wird über das Regelventil 44 Steueröl in den Stellraum 42 des Stellzylinders 38 geleitet, sodass die Schwenkwiege 4 aufgrund der Flächendifferenz zwischen dem Stellzylinder 38 und dem Gegenzylinder 22 zurückschwenkt. Der Ventilschieber 58 hat eine erste Steuerkante 60, über die die Druckmittelverbindung zwischen dem Druckanschluss P und dem Arbeitsanschluss A gesteuert werden kann. Über eine weitere Steuerkante 62 wird die Druckmittelverbindung zwischen dem Tankanschluss T und dem Arbeitsanschluss A gesteuert. In der dargestellten Regelposition des Regelventils 4 ist die Druckmittelverbindung des Arbeitsanschlusses A mit dem Tankanschluss T und mit dem Druckanschluss P gesperrt oder zumindest stark angedrosselt, in einer nicht dargestellten Grundposition des Regelventils 44 ist der Arbeitsanschluss A mit dem Tankanschluss T verbunden und der Stellzylinder 38 dementsprechend druckentlastet, sodass die Schwenkwiege 4 in die Ausgangsposition (Schwenkwinkel –20°) zurückgeschwenkt ist. Die Regelposition stellt sich ein, wenn die über einen Proportionalmagneten 64 auf den Ventilschieber 58 aufgebrachte Magnetkraft in Gleichgewicht steht zu der Kraft einer auf den Ventilschieber 58 wirkenden Rückführfeder 66, die mit der Schwenkwiege 4 gekoppelt ist, sodass in Abhängigkeit vom Schwenkwinkel α der Schwenkwiege 4 die Rückführfeder 66 gespannt oder entspannt wird. Wie erwähnt, erfolgt die Verstellung des Ventilschiebers 58 über den Proportionalmagneten 64, der über einen Stößel 68 auf den Ventilschieber wirkt. Ein Anker 70 des Proportionalmagneten 64 ist entgegen der Kraft der Rückführfeder 66 über eine Gegenfeder 72 beaufschlagt, die ihrerseits am Boden eines Polrohrs 74 abgestützt ist. Der Ventilschieber 58 kragt gemäß der Darstellung in 3 aus dem Deckel 10 aus, wobei an seinem verrundeten Endabschnitt ein Federteller 76 abgestützt ist, an dem die Rückführfeder 66 angreift. Diese ist ihrerseits an einer Federhülse 78 abgestützt, die verschiebbar in einer gehäuseseitigen Führung 80 verschiebbar geführt ist. Diese Führung 80 ist vorliegend durch eine Ausnehmung des Gehäuseteils 8 gebildet, in die die Federhülse 78 eintaucht, so dass sie mit ihrer Außenseite im Gehäuse geführt ist. Bei einer Variante kann die Federhülse auch über einen gehäusefesten Führungsstift innen geführt sein. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel hat die Federhülse 78 einen mit einem mittigen Durchbruch versehenen Boden 82, wobei die Rückführfeder 66 an der verbleibenden Ringschulter des Bodens 82 abgestützt ist. Die Schwenkwiege 4 hat einen Mitnehmer 84, dessen Endabschnitt in etwa in einer Ebene liegt, die sich durch die Schwenkachse 56 verläuft und senkrecht zur Zeichenebene in 1 ausgebildet ist. Dieser Mitnehmer 84 hat einen Endabschnitt 90, der kraft- oder formschlüssig mit der Federhülse 78 verbunden ist. Aufgrund der Schwenkbewegung muss diese Verbindung so ausgeführt sein, dass sie die Verschwenkung der Schwenkwiege 4 und die Linearverschiebung der Federhülse 78 erlaubt. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist im Mantel der Federhülse 78 eine Mitnehmerausnehmung 88 ausgebildet, in die der kugelartige Endabschnitt 90 des Mitnehmers 84 eintaucht, sodass die Schwenkbewegung der Schwenkwiege 4 in eine Linearverschiebung der Federhülse umgesetzt wird und entsprechend dieser Verschiebung die Rückführfeder 66 gespannt oder entspannt wird. Dementsprechend wird eine Rückführkraft auf den Ventilschieber 58 erzeugt, die vom Schwenkwinkel α abhängig ist. Wie erläutert, befindet sich das Regelventil 44 in seiner Regelposition, wenn in etwa die Magnetkraft und die Kraft der Gegenfeder 72 derjenigen Kraft entspricht, die von der Rückführfeder 66 aufgebracht wird. Das heißt, zu Beginn der Ansteuerung wird der Ventilschieber 58 zunächst durch den Proportionalmagneten 64 ausgefahren und dann mit zunehmendem Schwenkwinkel wieder zurück in die dargestellte Regelposition verfahren.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel liegt die Anbindung der Rückhaltefeder 66 an die Schwenkwiege 4 im Bereich der Ebene 86, die die Schwenkachse 56 enthält und ist um ein erhebliches Maß gegenüber dem linken, vom Regelventil 44 entfernten Endabschnitt der Rückhaltefeder 66 entfernt, sodass sich entsprechend die Baulänge der Axialkolbenmaschine deutlich gegenüber den herkömmlichen Lösungen verringert.
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4 zeigt eine Variante des Ausführungsbeispiels gemäß 1, wobei der Grundaufbau des Regelventils 44 demjenigen aus dem Ausführungsbeispiels gemäß 3 entspricht, sodass zur Vermeidung von Wiederholungen im Hinblick auf das Regelventil 44 auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen werden kann. Auch die in 4 dargestellte Schwenkwiege 4 hat einen Mitnehmer 84, dessen mit der Federhülse 78 zusammenwirkender Endabschnitt 90 in etwa in der Ebene 86 liegt, die die Schwenkachse 56 enthält. Dabei greift der Endabschnitt 90 jedoch nicht in eine Ausnehmung der Federhülse 78 ein, sondern hintergreift eine regelventilseitige Ringstirnfläche 92 der Federhülse 78. In Gegenrichtung ist diese von der Kraft einer Anlagefeder 94 beaufschlagt, die am Boden 82 der Federhülse 78 angreift und an einer Stirnfläche 96 der Führung 80 abgestützt ist. Beim Ausführungsbeispiel gemäß 4 ist in dieser Stirnfläche 96 auch ein Zentrierzapfen für die Anlagefeder 14 ausgebildet. Zur weiteren Verkürzung der Axiallänge hat der Boden 82 eine topfförmige Einwölbung, die eine Aufnahme 98 für den hülsenseitigen Endabschnitt der Anlagefeder 94 bildet. Der benachbarte Endabschnitt der Rückführfeder 66 taucht in den Ringraum zwischen dem Außenumfang der Aufnahme 98 und der Innenumfangswandung der Federhülse 78 ein und ist somit durch die Aufnahme 98 zentriert. Die Anlagefeder 94 hat eine Federkraft, die größer ist als diejenige der Rückführfeder 66, sodass die Federhülse 78 gegen den Endabschnitt 90 des Mitnehmers 84 der Schwenkwiege 4 vorgespannt ist. Dieses Ausführungsbeispiel entspricht funktional demjenigen aus 3, hat jedoch den Vorteil, dass die Montage etwas einfacher als beim Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist, da der Endabschnitt 90 nicht in die Federhülse 78 „eingefädelt” werden muss. Bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen ist die Baulänge gegenüber den konventionellen Lösungen nahezu um die Länge der Rückführfeder reduziert – der erfindungsgemäße Hydrostat (Pumpe/Motor mit Stellsystem) baut somit deutlich kürzer.
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Offenbart ist eine Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise, bei der eine Schwenkwiege mittels eines Regelventils verschwenkbar ist, wobei die Bewegung der Schwenkwiege über eine Rückführfeder auf das Regelventil zurückgekoppelt ist. Die Rückführfeder ist erfindungsgemäß im Bereich zwischen ihrem regelventilseitigen Endabschnitt und einem vom Regelventil entfernten Endabschnitt an die Schwenkwiege angebunden.
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Eine erfindungsgemäße hydrostatische Axialkolbenmaschine ist insbesondere auch in sogenannten Hybridfahrzeugen, zum Beispiel in einem Personenkraftwagen, mit einem Verbrennungsmotor und einem hydraulischen Antriebsstrang inklusive Hydropumpe, Hydrospeicher und den zwei Hydromotoren zwischen dem Verbrennungsmotor und einer Achse einsetzbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008038435 A1 [0002]
- DE 10063526 C1 [0005]
