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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer hydrostatischen Maschine mit einem Triebwerk. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine hydrostatische Maschine mit einem Triebwerk. Die Erfindung betrifft darüber hinaus einen Hydraulikantrieb, insbesondere einen Hydraulikhybridantrieb, mit mindestens einer derartigen hydrostatischen Maschine.
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Stand der Technik
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Die hydrostatische Maschine ist zum Beispiel als hydrostatische Axialkolbenmaschine ausgeführt, wie sie in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2012 215 392 A1 offenbart ist. Die bekannte Axialkolbenmaschine umfasst ein Triebwerk mit einer Triebwelle und einer damit drehfest verbundenen Zylindertrommel.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, den Wirkungsgrad einer hydrostatischen Maschine mit einem Triebwerk zu verbessern.
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Die Aufgabe ist bei einem Verfahren zum Betreiben einer hydrostatischen Maschine mit einem Triebwerk dadurch gelöst, dass das Triebwerk in einer Drehmoment-optimalen Lage positioniert und/oder angehalten wird. Bei der Drehmoment-optimalen Lage handelt es sich um eine Lage des Triebwerks, in der ein maximal verfügbares Drehmoment bereitgestellt werden kann, wenn die hydrostatische Maschine als Motor betrieben wird. Wenn die hydrostatische Maschine als Pumpe betrieben wird, dann handelt es sich bei der Drehmoment-optimalen Lage um eine Lage, in der ein zum Pumpenantrieb benötigtes Drehmoment minimal ist. Im Betrieb der hydrostatischen Maschine dreht sich mindestens ein Triebwerksteil relativ zu einem anderen Teil der hydrostatischen Maschine. Aufgrund der Relativverdrehung ist ein Drehmoment der hydrostatischen Maschine immer ungleichförmig. Ein theoretischer Unförmigkeitsgrad für eine Axialkolbenmaschine mit sieben oder neun Kolben beträgt zum Beispiel ein bis drei Prozent. Messungen der Drehungleichförmigkeit bei Axialkolbenmaschinen haben bei im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchgeführten Untersuchungen real deutlich größere Werte für den Unförmigkeitsgrad ergeben. So wurde zum Beispiel bei einer Axialkolbenmaschine mit neun Kolben ein realer Unförmigkeitsgrad von etwa zehn Prozent gemessen. Gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung werden die Anfahr-Randbedingungen der hydrostatischen Maschine aus dem Stillstand, das heißt aus einer Drehzahl Null, optimiert. Dadurch kann bei der Nutzung der hydrostatischen Maschine als Hydraulikmotor das maximal verfügbare Drehmoment genutzt werden. Bei einer Nutzung der hydrostatischen Maschine als Hydraulikpumpe kann ein zum Antrieb benötigter Drehmomentbedarf reduziert werden. Ein Drehmoment zum Antrieb der als Hydraulikpumpe genutzten hydrostatischen Maschine kann zum Beispiel durch einen Elektromotor bereitgestellt werden, dessen Drehzahl variabel, vorzugsweise regelbar, ist.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass eine rotatorische Triebwerksposition im Betrieb der hydrostatischen Maschine erfasst wird. Die rotatorische Triebwerksposition kann so oder so ähnlich erfasst werden wie die Drehzahl bei einem herkömmlichen Verbrennungsmotor.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die erfasste rotatorische Triebwerksposition der hydrostatischen Maschine in einer Motorsteuerung berücksichtigt wird. Das liefert den Vorteil, dass die hydrostatische Maschine auf einfache Art und Weise automatisch immer in der Drehmoment-optimalen Lage positioniert oder angehalten werden kann.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass eine vorhandene Fahrzeugbremse verwendet wird, um das Triebwerk in der Drehmoment-optimalen Lage anzuhalten. Die vorhandene Fahrzeugbremse kann zum Beispiel kurz vor dem Stillstand des Triebwerks der hydrostatischen Maschine genutzt werden, um das Triebwerk in der Drehmoment-optimalen Lage anzuhalten. Die Verwendung der vorhandenen Fahrzeugbremse liefert den Vorteil, dass der konstruktive Aufwand zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens gering gehalten werden kann.
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Bei einer hydrostatischen Maschine mit einem Triebwerk ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass dem Triebwerk eine Codierung und eine Sensoreinrichtung zugeordnet sind. Dadurch ist es auf einfache Art und Weise möglich, die Drehzahl und/oder Stellung des Triebwerks im Betrieb der hydrostatischen Maschine zu erfassen.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der hydrostatischen Maschine ist dadurch gekennzeichnet, dass die Codierung eine Verzahnung mit einer Lücke umfasst. Mit der Lücke kann auf einfache Art und Weise eine bestimmte Stelle an einem rotierbaren Triebwerksteil markiert oder hervorgehoben werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der hydrostatischen Maschine ist dadurch gekennzeichnet, dass dem Triebwerk eine Bremseinrichtung zugeordnet ist. Mit der Bremseinrichtung kann das Triebwerk der hydrostatischen Maschine auf einfache Art und Weise in der Drehmoment-optimalen Lage angehalten werden. Die Bremseinrichtung ist zum Beispiel als Scheibenbremse ausgeführt. Zu diesem Zweck ist ein sich drehendes Triebwerksteil mit einer Bremse ausgestattet, die zwischen Bremsbacken einklemmbar ist. Die Bremseinrichtung kann mit der Codierung und/oder Sensoreinrichtung kombiniert sein. Zu diesem Zweck kann zum Beispiel die Scheibe der Scheibenbremse mit der Codierung versehen werden. Die Sensoreinrichtung kann in einen feststehenden Bremssattel integriert sein.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der hydrostatischen Maschine ist dadurch gekennzeichnet, dass die hydrostatische Maschine als Axialkolbenmaschine ausgeführt ist. Die Axialkolbenmaschine kann ein konstantes Fördervolumen beziehungsweise einen konstanten Förderhub aufweisen. Das Fördervolumen beziehungsweise der Förderhub der Axialkolbenmaschine können aber auch verstellbar sein. Eine Axialkolbenmaschine mit verstellbarem Fördervolumen beziehungsweise Förderhub wird auch als Verstellpumpe oder Verstellmotor bezeichnet.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Hydraulikantrieb, insbesondere einen Hydraulikhybridantrieb, mit mindestens einer vorab beschriebenen hydrostatischen Maschine, die insbesondere gemäß einem vorab beschriebenen Verfahren betreibbar ist beziehungsweise betrieben wird. Der Hydraulikantrieb, insbesondere Hydraulikhybridantrieb, umfasst vorteilhaft zwei hydrostatische Maschinen, die auch als Hydrostaten bezeichnet werden. An einen Ausgang des beziehungsweise der Hydrostaten ist vorteilhaft ein hydraulischer Druckspeicher angeschlossen.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Hydraulikantriebs ist dadurch gekennzeichnet, dass die Bremseinrichtung steuerungsmäßig so mit der Sensoreinrichtung verbunden ist, dass das Triebwerk in der Drehmoment-optimalen Lage angehalten wird. Zu diesem Zweck sind vorteilhaft sowohl die Bremseinrichtung als auch die Sensoreinrichtung mit einem geeigneten Steuergerät verbunden. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die Sensoreinrichtung auch mit der Bremseinrichtung kombiniert sein.
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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 eine vereinfachte Darstellung eines Hydraulikhybridantriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs mit zwei hydrostatischen Maschinen;
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2 eine als Axialkolbenmaschine ausgeführte hydrostatische Maschine mit einer Codierungseinrichtung gemäß zwei Ausführungsbeispielen der Erfindung und
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3 eine vereinfachte Darstellung der Codierungseinrichtung aus 2.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In der beiliegenden 1 ist ein Hydraulikhybridantriebsstrang 1 eines Kraftfahrzeugs mit einem angetriebenen Rad 2 vereinfacht dargestellt. Das angetriebene Rad 2 ist zum Beispiel über ein Differenzial 3 antriebsmäßig an den Hydraulikhybridantriebsstrang 1 angebunden. Der Hydraulikhybridantriebsstrang 1 umfasst einen primären Antrieb 4, der zum Beispiel eine Brennkraftmaschine 6 aufweist, die auch als Verbrennungsmotor bezeichnet wird. Das Rad 2 kann alleine durch den primären Antrieb 4 angetrieben werden.
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Der Hydraulikhybridantriebsstrang 1 umfasst des Weiteren einen sekundären Antrieb 10. Der sekundäre Antrieb 10 umfasst eine erste Hydraulikmaschine 11 und eine zweite Hydraulikmaschine 12. Die beiden Hydraulikmaschinen 11 und 12 werden auch als hydrostatische Maschinen bezeichnet und sind eingangsseitig hydraulisch mit einer Niederdruckseite 13 verbunden. Die Niederdruckseite 13 umfasst einen Niederdruckspeicher 14 mit Hydraulikmedium, das mit Niederdruck beaufschlagt ist.
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Ausgangsseitig sind die Hydraulikmaschinen 11 und 12 hydraulisch mit einer Hochdruckseite 16 verbunden. Die Hochdruckseite 16 umfasst einen Hochdruckspeicher 17 mit Hydraulikmedium, das mit Hochdruck beaufschlagt ist. Durch insgesamt sechs Rechtecke 18 sind Ventileinrichtungen bezeichnet, die den Betrieb des sekundären Antriebs 10 mit den beiden Hydraulikmaschinen 11 und 12 ermöglichen.
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Ein Getriebe 20 ist zwischen den primären Antrieb 4 und den sekundären Antrieb 10 geschaltet. Das Getriebe 20 ist als Planetengetriebe mit einem Hohlrad 30, einem Sonnenrad 32 und Planetenrädern 34 ausgeführt. Die Planetenräder 34 sind an einem Planetenträger 35 drehbar angebracht.
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Eine erste Welle 21 ist über eine Zahnradstufe drehfest mit dem Planetenträger 35 verbunden. Die erste Welle 21 ist an ihrem in der 1 rechten Ende über eine weitere Zahnradstufe drehfest mit dem Differenzial 3 verbunden.
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Eine zweite Welle 22 ist drehfest mit dem Hohlrad 30 des Planetengetriebes 20 verbunden. Die zweite Welle 22 ist antriebsmäßig mit dem primären Antrieb 4 verbindbar. Eine dritte Welle 23 ist drehfest mit dem Sonnenrad 32 des Planetengetriebes 20 verbunden.
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Eine Kupplungs- und/oder Synchronisiereinrichtung 27 ist auf der Abtriebsseite antriebsmäßig zwischen die zweite Hydraulikmaschine 12 des sekundären Antriebs 10 und das Differenzial 3 mit dem angetriebenen Rad 2 geschaltet. Dabei können zur Darstellung von Zusatzfunktionen, wie zum Beispiel einem Rückwärtsgang, weitere Getriebestufen zwischen die Kupplungs- und/oder Synchronisiereinrichtung 27 und das Differenzial 3 geschaltet sein.
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Bei dem Hydraulikhybridantriebsstrang 1 handelt es sich um einen mechanischhydraulisch leistungsverzweigten Antriebsstrang. Je nach Betriebspunkt kann die Leistung des Hydraulikhybridantriebsstrangs 1 über den auch als mechanischen Antrieb bezeichneten primären Antrieb 4 oder über den auch als hydraulischen Antrieb bezeichneten sekundären Antrieb 10 geführt werden. Darüber hinaus kann die Leistung auch gleichzeitig über die beiden Antriebe 4, 10 beziehungsweise Systemzweige geführt werden. Es können Betriebszustände eintreten, in denen einzelne Systemteile inaktiv sind oder deaktiviert werden müssen.
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Die in 1 nur symbolisch dargestellten Hydraulikmaschinen 11 und 12 werden auch als Hydrostaten bezeichnet und sind vorzugsweise als Axialkolbenmaschinen ausgeführt. Der Aufbau und die Funktion von Axialkolbenmaschinen werden im Folgenden erläutert.
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Die in 2 dargestellte hydrostatische Axialkolbenmaschine ist eine Axialkolbenpumpe und weist ein Triebwerk 101 auf, das in einem Gehäuse 102 angeordnet ist. Zum Einsetzen des Triebwerks 101 in das Gehäuse 102 ist das Gehäuse 102 an einem Ende offen. Das offene Ende wird nach der Montage des Triebwerks 101 in dem Gehäuse 102 durch einen Deckel 103 verschlossen. An dem Deckel 103 sind nicht dargestellte Leitungsanschlüsse angeordnet.
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Das Triebwerk 101 weist eine Triebwelle 104 und eine damit drehfest verbundene Zylindertrommel 105 auf. Die Zylindertrommel 105 ist mit der Triebwelle 104 gemeinsam drehbar in dem Gehäuse 102 angeordnet.
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Dazu ist die Triebwelle 104 an einem Ende des Gehäuses 102 in einem ersten Lager 106 drehbar gelagert. An dem entgegengesetzten Ende der Triebwelle 104 ist ein zweites Lager 107 vorgesehen, welches in dem Deckel 103 angeordnet ist. Die Triebwelle 104 durchdringt mit einem Ende 108 das erste Lager 106 sowie die Stirnseite des Gehäuses 102.
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In der Zylindertrommel 105 sind auf einem Umfangskreis gleichmäßig verteilt mehrere Zylinderbohrungen 109 ausgebildet. In jeder Zylinderbohrung 109 ist ein Arbeitskolben 110 axial verschiebbar angeordnet.
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Der Arbeitskolben 110 ist an seinem aus der Zylinderbohrung 109 herausragenden Ende mit einem Gleitschuh 111 über eine Kugelgelenkverbindung 112 beweglich verbunden. Die Gleitschuhe 111 der Arbeitskolben 110 stützen sich mit einer Gleitfläche an einer ebenen, geläppten Lauffläche 113 einer Schrägscheibe 114 ab.
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Die Schrägscheibe 114 ist als Schwenkwiege ausgebildet, die in einem sphärischen Lager drehbar angeordnet ist. Bei einer Drehung der Triebwelle 104 dreht sich aufgrund der drehfesten Verbindung auch die Zylindertrommel 105. Die Gleitschuhe 111 stützen sich dabei auf der Lauffläche 113 der Schrägscheibe 114 ab und zwingen die Arbeitskolben 110 in eine Hubbewegung.
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Um während eines Saughubs zu verhindern, dass die Gleitschuhe 111 von der Lauffläche 113 der Schrägscheibe 114 abheben, ist eine Rückzugplatte 115 vorgesehen. Die Rückzugplatte 115 folgt dem Neigungswinkel der Schrägscheibe 114 und ist in einem sphärischen Lager 116 gelagert.
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Zur zeitweiligen Verbindung der Zylinderbohrung 109 mit den Leitungen eines hydrostatischen Kreises ist eine Steuerplatte 117 vorhanden. In der Steuerplatte 117 sind Steueröffnungen 118, 119 ausgebildet, mit den die Zylinderbohrungen 119 während eines Umlaufs der Zylindertrommel 105 wechselweise kommunizieren.
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Um die Zylindertrommel 105 an der Mündungsseite der Zylinderbohrungen 109 an der Steuerplatte 117 in dichtender Anlage zu halten, ist im Inneren der Zylindertrommel 105 eine Druckfeder 120 vorgesehen. Die Druckfeder 120 stützt sich einerseits an der Zylindertrommel 105 ab, in der ein Sicherungsring als erste Federlager dient. Ein zweites Federlager ist an der gegenüberliegenden Seite der Druckfeder 120 an der Triebwelle 104 ausgebildet.
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Zum Einstellen des Hubvolumens der Axialkolbenpumpe ist eine Verstellvorrichtung 121 vorgesehen. Die Verstellvorrichtung 121 weist einen gehäusefest angeordneten Stellzylinder 122 auf, in dem ein Stellkolben 123 parallel zur Drehachse der Triebwelle 104 axial verschiebbar angeordnet ist.
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Das der Schrägscheibe 114 zugewandte Ende 140 des Stellkolbens 123 ist kugelartig gewölbt ausgebildet und an der Lauffläche 113 der Schrägscheibe 114 in Anlage. Der Stellzylinder 122 ist von einem Hydraulikdruck beaufschlagt, so dass der Stellkolben 123 eine Stellkraft auf die Schrägscheibe 114 ausübt, um deren Neigung gegenüber der Drehachse 126 der Triebwelle 104 einzustellen.
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Die Verstelleinrichtung 121 weist weiterhin einen gehäusefest angeordneten Gegenzylinder 124 auf, in dem ein Gegenkolben 125 parallel zur Drehachse 126 der Triebwelle 104 axial verschiebbar angeordnet ist. Das der Schrägscheibe 114 zugewandte Ende 141 des Gegenkolbens 125 ist ebenfalls kugelartig gewölbt ausgebildet und an der Lauffläche 113 der Schrägscheibe 114 in Anlage.
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Stellzylinder 122 und Gegenzylinder 124 sind in Bezug auf die Drehachse 126 diametral einander gegenüberliegend angeordnet.
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Der gegenüber dem Stellkolben 123 einen geringeren Querschnitt aufweisende Gegenkolben 125 ist ebenfalls von einem Hydraulikdruck beaufschlagt, so dass der Gegenkolben 125 gegen die Schrägscheibe 114 beaufschlagt ist. Darüber hinaus ist der Gegenkolben 125 auch noch von einer vorgespannten Druckfeder 127 gegen die Schrägscheibe 114 beaufschlagt, die den Gegenzylinder 124 und den Gegenkolben 125 mit Abstand umschließt.
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Bei der in 2 dargestellten Axialkolbenmaschine handelt es sich zum Beispiel um den Primärhydrostaten 11 in 1. Die Triebwelle 104 und die Zylindertrommel 105 stellen jeweils ein erstes Maschinenelement dar, das relativ zu dem Gehäuse 102 drehbar ist, das ein zweites Maschinenelement darstellt.
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Durch einen Kreis 41 ist eine Codierungseinrichtung angedeutet, die der Triebwelle 104 zugeordnet ist. Durch einen Kreis 42 ist eine Codierungseinrichtung angedeutet, die der Zylindertrommel 105 zugeordnet ist.
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In 3 ist eine Codierungseinrichtung 50 vereinfacht dargestellt, die in 2 nur durch die Kreise 41 und 42 angedeutet ist. Die Codierungseinrichtung 50 umfasst einen Zahnkranz 51 an dem ersten Maschinenelement. Der Zahnkranz 51 kann zum Beispiel an der Triebwelle 104 oder der Zylindertrommel 105 vorgesehen sein. Eine Lücke 52 in dem Zahnkranz 51 ermöglicht die Darstellung eines Bezugs zu einer Drehmoment-optimalen Lage der Axialkolbenmaschine.
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Wenn sich der Zahnkranz 51 mit der Lücke 52 in Richtung eines Pfeils 53 dreht, dann kann die entsprechende Drehzahl und/oder Position der Lücke 52 mit einer Sensoreinrichtung 55 erfasst werden. Die Erfassung der Drehzahl und/oder Position der Lücke 52 des Zahnkranzes 51 erfolgt mit der Sensoreinrichtung 55 vorzugsweise berührungslos.
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Der Zahnkranz 51 kann direkt an dem ersten Maschinenelement angebracht sein. Der Zahnkranz 51 kann auch an einem Zahnrad angebracht sein, welches dem ersten Maschinenelement zugeordnet ist. Das Zahnrad kann auch außerhalb der hydrostatischen Maschine angeordnet sein. Die Verwendung der Codierungseinrichtung 50 ermöglicht, dass die hydrostatische Maschine in passiven Zeiten, also im Stillstand, in eine Drehmoment-optimale Lage gebracht werden kann.
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In 2 ist jeweils durch ein Rechteck 61, 62 eine Bremseinrichtung angedeutet, die dem Triebwerk 101 der hydrostatischen Axialkolbenmaschine zugeordnet ist. Die Bremseinrichtung 61 ist der Triebwelle 104 des Triebwerks 101 zugeordnet. Die Bremseinrichtung 62 ist der Zylindertrommel 105 des Triebwerks 101 zugeordnet. Alternativ zu den Bremseinrichtungen 61 und 62 kann eine (nicht dargestellte) fahrzeuginterne Bremseinrichtung verwendet werden.
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Mit Hilfe der Bremseinrichtung 61, 62 kann das Triebwerk 101 der hydrostatischen Axialkolbenmaschine in 2 auf einfache Art und Weise in einer Drehmoment-optimalen Lage angehalten werden. Die Bremseinrichtung 61, 62 kommt vorzugsweise dann zum Einsatz, wenn sich das Triebwerk 101, insbesondere die Triebwelle 104 oder die Zylindertrommel 105, nur noch mit einer geringen Drehzahl dreht. Mit der Bremseinrichtung 61, 62 kann das Triebwerk 101 kurz vor dem Stillstand einfach und effektiv in der Drehmoment-optimalen Lage angehalten werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012215392 A1 [0002]
