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Die Erfindung betrifft eine Verstelleinrichtung mit einem linear bewegbaren Verstellkolben, der mit einer Schwenkeinrichtung gekoppelt ist, die um eine Schwenkachse schwenkbar ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Axialkolbenmaschine mit einer derartigen Verstelleinrichtung.
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Stand der Technik
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2010 052 067 A1 ist eine Kolbenmaschine mit mehreren Zylinder-Kolben-Einheiten und mit einer Verteilerplatte bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verstelleinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere eine Axialkolbenmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9, im Hinblick auf die Funktion und/oder die Herstellkosten zu optimieren.
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Die Aufgabe ist bei einer Verstelleinrichtung mit einem linear bewegbaren Verstellkolben, der mit einer Schwenkeinrichtung gekoppelt ist, die um eine Schwenkachse schwenkbar ist, dadurch gelöst, dass der Verstellkolben über ein Kopplungselement mit der Schwenkeinrichtung gekoppelt ist, das mit einem Kopplungsende drehbar und quer zur Schwenkachse linear bewegbar in dem Verstellkolben angeordnet ist. Die Verstelleinrichtung kann einer Axialkolbenmaschine zugeordnet sein, die auch als Hydrostat bezeichnet wird. Schwenkeinrichtungen in Hydrostaten beziehungsweise Axialkolbenmaschinen werden auch als Schwenkwiege bezeichnet und können mit Hilfe von zwei gegeneinander wirkenden Kolben verstellt werden. Durch die Erfindung wird ein Verstellmechanismus geschaffen, der nur wenige Bauteile benötigt, die zudem mit einfachen Geometrien ausgestattet sind und mit standardmäßigen Bearbeitungsverfahren hergestellt werden können. Dabei kann der Verstellmechanismus vorteilhaft aus lediglich zwei Bauteilen bestehen, die kostengünstig mit konventionellen Fertigungsverfahren in hoher Qualität herstellbar sind. Durch die erfindungsgemäße Kopplung der Schwenkeinrichtung mit dem Verstellkolben über das Kopplungselement werden besonders vorteilhaft Freiheitsgrade ermöglicht, die einen Ausgleich von herstellungsbedingt beziehungsweise fertigungsbedingt üblichen Lagetoleranzen der einzelnen Bauteile zueinander zulassen, ohne dass das Zusammenwirken der Kontaktflächen und/oder die Funktion der Verstelleinrichtung beeinträchtigt werden. Dabei ist der Verstellkolben an der Verstelleinrichtung in einer Ausnehmung, die auch als Führungsausnehmung bezeichnet werden kann, vorzugsweise linear bewegbar und drehbar aufgenommen. Die erfindungsgemäße Verstelleinrichtung ermöglicht auf einfache Art und Weise die Umsetzung einer linearen Bewegung des Verstellkolbens in eine schwenkende beziehungsweise rotierende Bewegung der Schwenkeinrichtung. Dabei kann vorteilhaft auf eine Druckschmierung zur Entlastung der Reibstellen verzichtet werden.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Verstelleinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungsende des Kopplungselements in einer Querausnehmung des Verstellkolbens aufgenommen ist. Quer bedeutet in Zusammenhang mit dem Verstellkolben quer zu einer Längsausdehnungsrichtung des Verstellkolbens. Die Abmessungen des Kopplungselements mit dem Kopplungsende und der Querausnehmung des Verstellkolbens sind vorzugsweise so aufeinander abgestimmt, dass ausreichend Freiheitsgrade für eine Verstellbewegung vorhanden sind.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Verstelleinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Querausnehmung im Wesentlichen die Gestalt eines geraden Kreiszylinders aufweist. Die Querausnehmung ist vorteilhaft als Querbohrung ausgeführt. Dabei kann die Querbohrung durchgehend oder als Sackloch ausgeführt sein.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Verstelleinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungsende des Kopplungselements eine im Wesentlichen kugelförmige Geometrie aufweist. Das Kopplungselement ist vorzugsweise im Wesentlichen als Kugelkopf ausgeführt, der in der Querausnehmung linear bewegbar und drehbar aufgenommen ist.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Verstelleinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungselement fest mit der Schwenkeinrichtung verbunden ist. Das Kopplungselement kann zum Beispiel als Kopplungsbolzen oder Verstellbolzen ausgeführt sein, der an seinem dem Kopplungsende abgewandten Ende einstückig mit einem Grundkörper der Schwenkwiege verbunden ist.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Verstelleinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellkolben an entgegengesetzten Enden mit Stellkräften beaufschlagbar ist. Die Beaufschlagung des Verstellkolbens mit den Stellkräften beziehungsweise mit einer Stellkraft und einer Gegenkraft kann auf beliebige Art und Weise dargestellt werden. So kann die Stellkraft und die Gegenkraft zum Beispiel hydraulisch, elektromagnetisch oder mechanisch, zum Beispiel durch Federeinrichtungen, erzeugt werden. Die genannten Anwendungen zum Erzeugen der Stellkraft beziehungsweise der Gegenkraft können auch miteinander kombiniert werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Verstelleinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungselement mit einem vergrößerten Spiel, mindestens einer Ausnehmung oder mindestens einer Aussparung versehen ist, um einen Ausgleich von durch eine Verstellbewegung verdrängtem Hydraulikmedium zu ermöglichen. Die Verstelleinrichtung kann im eingebauten Zustand in einem, zumindest teilweise, mit Hydraulikmedium und/oder Schmiermedium gefüllten Arbeitsraum angeordnet sein. Durch die genannten Maßnahmen wird sichergestellt, dass im Betrieb der Verstelleinrichtung keine unerwünschten Querkräfte auf die Schwenkeinrichtung aufgebracht werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Verstelleinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkeinrichtung als Schwenkwiege für eine Axialkolbenmaschine ausgeführt ist. Durch die erfindungsgemäße Verstelleinrichtung wird ein Verstellen der Schwenkwiege im Betrieb der Axialkolbenmaschine erheblich vereinfacht.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Axialkolbenmaschine mit einer vorab beschriebenen Verstelleinrichtung. Durch die erfindungsgemäße Verstelleinrichtung werden die Herstellung und/oder die Funktion der Axialkolbenmaschine erheblich vereinfacht.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Verstellkolben, ein Kopplungselement und/oder eine Schwenkeinrichtung für eine vorab beschriebene Verstelleinrichtung. Die genannten Elemente beziehungsweise Einrichtungen sind separat handelbar.
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Die auch als Hydrostat bezeichnete Axialkolbenmaschine ist vorteilhaft in einem mobilen Hydraulikantrieb angeordnet. Der mobile Hydraulikantrieb ist vorzugsweise Teil eines Hydraulikhybridantriebsstrangs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Der Hydrostat kann auch in stationären Anlagen verwendet werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Es zeigen:
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1 einen Hydrostaten in Axialkolbenbauart mit einer Verteilerplatte und einer Anschlussplatte im Längsschnitt;
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2A bis 2C ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung in verschiedenen Schnittansichten;
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3A und 3B ähnliche Ansichten wie in den 2A und 2B gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
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4A und 4B ähnliche Ansichten wie in den 2A und 2B gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel und
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5A und 5B ähnliche Ansichten wie in den 2A und 2B gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist ein Hydrostat 1 in Axialkolbenbauart im Längsschnitt dargestellt. Der Hydrostat 1 kann auch als Axialkolbenmaschine bezeichnet werden. Die Axialkolbenmaschine 1 umfasst ein Gehäuse 2 mit einem Zylinder 3 und einer Antriebswelle 4.
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Die Axialkolbenmaschine 1 kann in einem offenen Kreislauf oder in einem geschlossenen Kreislauf betrieben werden. Beim offenen Kreislauf fließt ein Hydraulikmedium, wie Hydrauliköl, das auch als Druckflüssigkeit bezeichnet wird, von einem Tank zur Axialkolbenmaschine 1 und wird von dort über eine Ventileinrichtung zu einem Verbraucher gefördert. Vom Verbraucher fließt das Hydraulikmedium über die Ventileinrichtung zum Tank zurück. In einem geschlossenen Kreislauf fließt das Hydraulikmedium von der Axialkolbenmaschine zum Verbraucher und von dort direkt zurück zur Axialkolbenmaschine 1. Dabei gibt es eine Hochdruckseite und eine Niederdruckseite, die je nach Belastung wechselt.
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Wenn die Axialkolbenmaschine über die Antriebswelle 4 mechanisch angetrieben wird, dann arbeitet die Axialkolbenmaschine als Axialkolbenpumpe. Wenn die Axialkolbenmaschine hydraulisch über den Zylinder 3 angetrieben wird, dann arbeitet die Axialkolbenmaschine als Axialkolbenmotor. Die Axialkolbenmaschine 1 kann nur als Motor oder nur als Pumpe betrieben werden. Die Axialkolbenmaschine 1 kann prinzipiell aber auch im Wechsel sowohl als Pumpe als auch als Motor betrieben werden.
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Der Hydrostat 1 umfasst mehrere Kolben 5, die axial zu der Antriebswelle 4 angeordnet sind. Axial bedeutet in Richtung oder parallel zu einer Drehachse der Antriebswelle 4. Durch eine Schwenkwiege 8, die auch als Schrägscheibe bezeichnet wird, kann ein von der Axialkolbenmaschine geförderter Volumenstrom stufenlos verstellt werden. Daher wird der Hydrostat 1 mit der Schwenkwiege 8 auch als Verstellpumpe bezeichnet.
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Im Pumpenbetrieb wird die Antriebswelle 4 durch einen (nicht dargestellten) Antriebsmotor mit Drehmoment und Drehzahl angetrieben. Über die Antriebswelle
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4, die auch als Triebwelle bezeichnet wird, wird der Zylinder 3, zum Beispiel über eine Verzahnung, mitgenommen und in Drehung versetzt. Bei jeder Umdrehung führen die Kolben 5 in Zylinderbohrungen des Zylinders 3 einen Hub aus, dessen Größe von der Schrägstellung der Schwenkwiege 8 abhängig ist.
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Zwischen der Schwenkwiege 8 und den Kolben 5 sind Kolbenschuhe oder Gleitschuhe 10 angeordnet. Die Gleitschuhe oder Kolbenschuhe 10 werden mit den Kolben 5 durch eine Rückzugplatte 12 auf einer Gleitfläche der Schwenkwiege 8 gehalten und geführt.
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Durch die Schrägstellung der Schwenkwiege 8 bewegt sich jeder Kolben 5 während einer Umdrehung über einen unteren und einen oberen Totpunkt zurück in seine Ausgangslage. Dabei wird durch Steuerschlitze in einer Steuerplatte oder Verteilerplatte 13 eine dem Hubvolumen entsprechende Druckflüssigkeit zu- und abgeführt.
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Auf einer Saugseite strömt Druckflüssigkeit in einen sich vergrößernden Kolbenraum. Gleichzeitig wird auf einer Hochdruckseite die Druckflüssigkeit durch die Kolben 5 aus dem Zylinderraum in ein angeschlossenes Hydrauliksystem gedrückt.
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Der Schwenkwinkel der Schwenkwiege 8 ist stufenlos verstellbar. Durch die Verstellung des Schwenkwinkels der Schwenkwiege 8 verändert sich der Kolbenhub und damit das Verdrängungsvolumen der Axialkolbenmaschine 1. Die Verstellung des Schwenkwinkels erfolgt hydraulisch über einen Stellkolben 15. Die Schwenkwiege 8 ist leicht gängig in Schwenklagern gelagert und wird von einem Gegenkolben 16 im Gleichgewicht gehalten. Bei einer Vergrößerung des Schwenkwinkels steigt das Verdrängungsvolumen der Axialkolbenmaschine 1, bei einer Verkleinerung verringert sich dieses entsprechend.
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In den 2A, 2B, 2C; 3A, 3B; 4A, 4B und 5A, 5B sind vier verschiedene Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung 20; 50; 60; 70 in verschiedenen Ansichten dargestellt. Die Verstelleinrichtungen 20; 50; 60; 70 ersetzen in einer Axialkolbenmaschine, wie sie in 1 dargestellt ist, eine herkömmliche Verstelleinrichtung mit dem Stellkolben 15 und dem Gegenkolben 16. Die erfindungsgemäße Verstelleinrichtung 20; 50; 60; 70 dient, wie die herkömmliche Verstelleinrichtung, dazu, eine als Schwenkwiege 8 ausgeführte Schwenkeinrichtung der Axialkolbenmaschine 1, die auch als Hydrostat bezeichnet wird, zu verstellen.
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In den am Ende mit A bezeichneten Figuren ist die Verstelleinrichtung in einem teilweise aufgebrochenen Längsschnitt durch die Verstelleinrichtung dargestellt. In den am Ende mit B bezeichneten Figuren ist jeweils ein Schnitt durch ein Kopplungselement der Verstelleinrichtung dargestellt, wobei die Blickrichtung durch Pfeile angedeutet ist. In 2C ist ein gegenüber 2A um neunzig Grad versetzter Längsschnitt durch die Verstelleinrichtung angedeutet.
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Die in den 2 bis 5 in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Verstelleinrichtung 20; 50; 60; 70 umfasst einen Verstellkolben 21, der im Wesentlichen die Gestalt eines geraden Kreiszylinders aufweist. Der Verstellkolben 21 ist in einer im Wesentlichen kreiszylindermantelförmigen Ausnehmung in dem Gehäuse 2 hin und her bewegbar geführt, wie durch einen Doppelpfeil 24 angedeutet ist. Dabei ist der Verstellkolben 21 nicht nur in axialer Richtung verschiebbar, sondern auch um seine Längsachse drehbar in der Ausnehmung 22 geführt, die auch als Führungsausnehmung bezeichnet wird.
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Sofern an den entgegengesetzten Stirnseiten des Verstellkolbens 21 hydraulische Kräfte wirken, ist die Führung in der Führungsausnehmung 22 vorzugsweise so gestaltet, dass die Darstellung einer ausreichenden Druckdifferenz zum Betätigen des Verstellkolbens 21 ermöglicht wird. Zu diesem Zweck kann vorteilhaft ein enges Führungsspiel für den Verstellkolben 21 in der Ausnehmung 22 vorgesehen werden. Alternativ oder zusätzlich können Dichtelemente am Umfang des Verstellkolbens 21 vorgesehen werden.
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Der Verstellkolben 21 ist durch ein Kopplungselement 25 so mit der Schwenkwiege 8 gekoppelt, dass eine Hin- und Herbewegung des Verstellkolbens 21, die durch den Doppelpfeil 24 angedeutet ist, in eine Schwenkbewegung der Schwenkwiege 8 umgewandelt wird. Eine entsprechende Schwenkbewegung der Schwenkwiege 8 ist durch einen Doppelpfeil 32 angedeutet. Dabei ist die Schwenkwiege 8 um eine Schwenkachse 30 schwenkbar, die sich durch einen Punkt 30 senkrecht zur Zeichenebene erstreckt.
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Das Kopplungselement 25 umfasst einen Verstellbolzen 26, der an einem dem Verstellkolben 21 abgewandten Ende einstückig mit einem Grundkörper 28 der Schwenkwiege 8 verbunden ist. Mit einem der Schwenkwiege 8 abgewandten Kopplungsende 29 ist der Verstellbolzen 26 in einer Querausnehmung 34 aufgenommen, die in dem Verstellbolzen 21 ausgespart ist. Der Begriff quer bezieht sich dabei auf eine Längsachse 33 des Verstellkolbens 21. Durch einen Doppelpfeil 35 ist angedeutet, dass sich das Kopplungsende 29 in der Querausnehmung 34 hin und her bewegen kann.
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Der Verstellbolzen 26 hat an seinem Kopplungsende 29 eine kugelförmige Geometrie und ist drehbar und axial verschiebbar mit kleinem Spiel in der Querausnehmung 34 des Verstellkolbens 21 geführt. Ein Schaft des Verstellbolzens 26 und die Querausnehmung 34 in dem Verstellkolben 21 sind dabei so gestaltet, dass ausreichend Freiheitsgrade für Verstellbewegungen und zum Ausgleich von Lagetoleranzen zueinander vorhanden sind.
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Die Verstelleinrichtung 20; 50; 60; 70 funktioniert wie folgt. Durch Pfeile an den entgegengesetzten Stirnflächen des Verstellkolbens 21 sind Kräfte F1 und F2 angedeutet, durch die der Verstellkolben 21 entlang seiner Längsachse 33 verstellt werden kann. Sobald F1 ungleich F2 ist, bewegt sich der Verstellkolben 21 in Richtung der kleineren Kraft, bis wieder ein Kräftegleichgewicht hergestellt ist.
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Durch die Anordnung des Verstellbolzens 26 mit dem Kopplungsende 29 in der Querausnehmung 34 des Verstellbolzens 21 wird der Verstellbolzen 26 mitgenommen und geneigt, wodurch eine Schrägstellung der Schwenkwiege 8 um die Schwenkachse 30 bewirkt wird. Bei dieser gekoppelten Bewegung gleitet das Kopplungsende 29, das als Kugelkopf ausgeführt ist, des Kopplungselements 25 in der Querausnehmung 34 des Verstellkolbens 21.
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Die Verstell- beziehungsweise Gegenkraft F1, F2 kann auf beliebige Art und Weise erzeugt werden, zum Beispiel hydraulisch, elektromagnetisch oder mechanisch, zum Beispiel durch eine Federeinrichtung. Die jeweiligen Kräfte können dabei nicht jeweils nur durch eine der genannten technischen Möglichkeiten dargestellt werden, sondern auch durch Kombinationen von zwei oder mehreren der dargestellten technischen Möglichkeiten. Welche der Kräfte durch welche der technischen Möglichkeiten erzeugt, geregelt und zur Verstellung der Schwenkwiege 8 verwendet werden, ist frei wählbar und abhängig von einer gewünschten Wirkungsweise oder von Gegebenheiten des Systems, bei dem der Verstellmechanismus beziehungsweise die Verstelleinrichtung 20; 50; 60; 70 eingesetzt wird.
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Im bevorzugten Anwendungsfall wird die Verstelleinrichtung 20; 50; 60; 70 zur Verstellung der Schwenkwiege 8 in einem Hydrostaten 1 verwendet, der auch als Axialkolbenmaschine bezeichnet wird. Im Anwendungsfall Hydrostat ist in der Bilanz der Verstell- und Haltekräfte zusätzlich die Wirkung von Kräften aus einem Triebwerk FTr beziehungsweise ein daraus resultierendes Drehmoment MTr zu berücksichtigen, das in den 2A, 3A, 4A, 5A durch einen Pfeil im Gegenuhrzeigersinn angedeutet ist.
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Bei den Verstellbewegungen bewegt sich das Kopplungsende 29 des Kopplungselements 25 in der Querausnehmung 34, die vorzugsweise als Bohrung ausgeführt ist. Bei dieser Bewegung muss Hydraulikmedium verdrängt werden beziehungsweise nachströmen können.
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Um unerwünschte Querkräfte auf die Schwenkwiege 8 zu vermeiden, werden gemäß weiterer Aspekte der Erfindung Ausgleichsbewegungen des Hydraulikmediums zwischen dem Kopplungsende 29 und der Querausnehmung 34 durch geeignete Maßnahmen ermöglicht. Das kann zum Beispiel durch ein vergrößertes Spiel zwischen dem Kopplungsende 29 und der Querausnehmung 34 erreicht werden.
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Bei der in den 3A und 3B dargestellten Verstelleinrichtung 50 ist ein Kopplungsende 52 des Verstellbolzens 26 in der Querausnehmung 34 mit Ausnehmungen versehen, die vorteilhaft als Anflachungen 54, 55 oder Abflachungen ausgeführt sind. Zwischen den Anflachungen 54, 55 und der Querausnehmung 34 ergeben sich Strömungsquerschnitte für das Hydraulikmedium.
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Bei der in den 4A und 4B dargestellten Verstelleinrichtung 60 werden die Ausgleichsströmungen des Hydraulikmediums durch eine Querausnehmung 64 in dem Verstellkolben 21 ermöglicht. Die Querausnehmung 64 ist im Unterschied zur der in dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel dargestellten Querausnehmung 34 nicht als Sackloch, sondern als Durchgangsbohrung ausgeführt.
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Darüber hinaus weist der Verstellkolben 21 im Bereich der Querausnehmung 64 einen geringeren Außendurchmesser auf, so dass ein Abströmen und Zuströmen von Hydraulikmedium über die Ventilkolbenführung ermöglicht wird.
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Bei der in den 5A und 5B dargestellten Verstelleinrichtung 70 ist in dem als Kugelkopf ausgeführten Kopplungsende 29 des Verstellbolzens 26 eine Ausgleichsaussparung 74 vorgesehen, um den Ausgleich von Hydraulikmedium zu ermöglichen. Die Ausgleichsaussparung 74 umfasst eine Längsausnehmung 75, zum Beispiel in Form einer Längsbohrung, und eine Querausnehmung 76, zum Beispiel in Form einer Querbohrung.
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Die Längsausnehmung 75 erstreckt sich von dem freien Ende des Kopplungsendes 29 in Richtung Schwenkachse 30. Dabei ist die Längsausnehmung 75 als Sackloch ausgeführt. Die Querausnehmung 76 geht von der Längsausnehmung 75 aus und mündet außerhalb der Querausnehmung 34.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010052067 A1 [0002]
