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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine mit ringförmig angeordneten Zylindern. Die Erfindung betrifft außerdem ein Wärmerückgewinnungssystem mit einer derartigen Axialkolbenmaschine.
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Bei bekannten Axialkolbenmaschinen mit ringförmig angeordneten Zylindern, in welchen Kolben translatorisch verstellbar angeordnet sind, erfolgt eine Befüllung mit Arbeitsmedium, beispielsweise mit Dampf, über zugehörige Einlassöffnungen, die in einer Zylindermantelfläche oder einer Zylinderstirnwand angeordnet sein können. Die Anordnung der Einlassöffnungen in der Zylinderstirnwand erfordert einen abnehmbaren Deckel. Ein Befüllen der einzelnen Zylinder mit Arbeitsmedium erfolgt dabei über eine drehfest mit der Welle verbundene Steuerwalze oder Steuerscheibe, je nachdem, ob sich die Einlassöffnungen in der Zylindermantelfläche oder der Zylinderstirnwand befinden. Ein Medienaustritt kann über ein zweites zentral zwischen den Zylindern angeordnetes Steuerorgan, insbesondere eine Walze auf der Welle, gewährleistet. Dieses stellt über einen Kanal zwischen einer Wellenbohrung und einer radial im Zylinder angeordneten Auslassöffnung eine Verbindung zum Niederdruckbereich der Axialkolbenmaschine her.
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Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Axialkolbenmaschinen mit in einer Zylindermantelfläche angeordneten Einlasskanälen bzw. -öffnungen ist jedoch eine vergleichsweise aufwändige und damit auch teure Herstellung eines Zylinderblocks. Die für eine Steuerzeit relevante Lage einer Ober- und Unterkante der jeweiligen Einlasskanäle bedingt eine komplexe Toleranzkette aus Definition ihrer Lage und Tolerierung im Rohteil selbst bis hin zur Bearbeitung des Zylinderblocks. Zur Reduzierung dieser Toleranzkette müssten die Rohkonturen der Einlasskanäle als Fertigungsbezug verwendet werden, was aufgrund ihrer Größe und komplexen Form ein zeitaufwendiger Schritt und mit einem nicht zu unterschätzenden Fehlerrisiko behaftet ist.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, eine Axialkolbenmaschine anzugeben, mit welchen die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden können.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht gemäß einer Ausführungsform auf dem allgemeinen Gedanken, zylindermantelflächenseitige Einlassöffnungen bei einer Axialkolbenmaschine, insbesondere in einem Wärmerückgewinnungssystem, nicht mehr in einem Zylinderblock auszubilden, sondern in einem separaten Steuerblockeinsatz, welcher separat vorgefertigt und in vorgefertigtem Zustand in den Zylinderblock der Axialkolbenmaschine eingesetzt werden kann. Hierdurch ist eine bislang bei zylindermantelflächenseitigen Einlassöffnungen aufwendige und damit auch teure und schwierige Bearbeitung bzw. Herstellung der Einlassöffnungen bzw. Einlasskanäle zu vermeiden. Der separate Steuerblockeinsatz besitzt somit die Einlasskanäle, über welche bei in der Axialkolbenmaschine eingebautem Zustand ein Arbeitsmedium, beispielsweise Dampf, in einem mit einem jeweils zugehörigen Einlasskanal kommunizierend verbundenen Zylinder einleitbar ist. Ein derartig separat hergestellter Steuerblockeinsatz ermöglicht auch eine deutlich gesteigerte Flexibilität hinsichtlich einer Variabilität der Einlasskanäle in Form, Breite und Höhe sowie Lage und Ausströmwinkel der jeweiligen Einlasskanäle relativ zur Form der Kanäle in einer dabei verwendeten Steuerwalze. Erst beim Einbau des Steuerblockeinsatzes in den Zylinderblock wird die funktionsrelevante Lage der Einlasskanäle relativ zum Funktionsbezug am Zylinderblock ausgebildet. Insgesamt stellt ein derartiger, separat herzustellender Steuerblockeinsatz eine deutliche Vereinfachung der Herstellung einer Axialkolbenmaschine bzw. eines Zylinderblocks einer solchen Axialkolbenmaschine dar, wobei der Steuerblockeinsatz beispielsweise als zylindrischer Körper ausgeführt sein kann. Ein Verbinden mit dem Zylinderblock kann dabei beispielsweise über ein Verkleben, Verpressen, Verlöten oder Verschweißen erfolgen. Insgesamt kann mit dem Steuerblockeinsatz eine äußerst exakte und dennoch kostengünstige Herstellung von Einlasskanälen, auch Steuerkanäle genannt, im Vergleich zu einer Ausbildung derartiger Einlasskanäle bzw. Steuerkanäle in einem Zylinderblock erreicht werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist der Steuerblockeinsatz aus Metall oder aus Kunststoff ausgebildet. Bei einer Ausbildung des Steuerblockeinsatzes aus Metall ist es möglich, diesen beispielsweise als Drehteil herzustellen und die einzelnen Einlasskanäle bzw. Steuerkanäle durch Bohrungen einzubringen. Rein theoretisch ist es selbstverständlich auch denkbar, den Steuerblockeinsatz aus Kunststoff, beispielsweise als Kunststoffspritzgießteil, auszubilden, wodurch eine gewichtsoptimierte Fertigung erreichbar ist, was insbesondere bei einer in einem Wärmerückgewinnungssystem eines Kraftfahrzeugs eingesetzten Axialkolbenmaschine von Vorteil ist.
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Zweckmäßig weist der Steuerblockeinsatz eine zentrale Lageöffnung zur Lagerung der Steuerwalze auf. Über die Steuerwalze werden die einzelnen Einlasskanäle und darüber auch die einzelnen Zylinder angesteuert, wobei sich die Steuerwalze in dem Steuerblockeinsatz dreht. Durch die Lagerungsmöglichkeit in der zentralen Lageröffnung des Steuerblockeinsatzes kann eine besonders exakte Lagerung bzw. Führung der Steuerwalze erreicht werden, wodurch diese aufgrund ihrer relativ zum Steuerblockeinsatz vorliegenden Drehbewegung in demselben koaxial geführt ist und dadurch sowohl eine zuverlässige Steuerung der Zuführung von Arbeitsmedium zum jeweiligen Zylinder bzw. zum jeweiligen Einlasskanal ermöglicht, als auch ein reduziertes Verschleißrisiko aufweist. Um dabei die Lagerfläche in der zentralen Lageröffnung zur Lagerung der Steuerwalze zu vergrößern und dadurch die Lagerung zu verbessern, kann der Steuerblockeinsatz auch einen axial abstehenden, ringförmigen Fortsatz aufweisen.
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Zusätzlich oder alternativ weist der Steuerblockeinsatz eine weitere zentrale Lageröffnung zur Lagerung einer Abtriebswelle auf. Die Abtriebswelle ist dabei über eine Taumelscheibe mit den einzelnen Kolben in den Zylindern verbunden und koaxial zur Steuerwalze gelagert. Rein theoretisch ist dabei sogar denkbar, dass die Steuerwalze drehfest auf der Abtriebswelle angeordnet ist, wobei die Abtriebswelle in der zentralen Lageröffnung des Steuerblockeinsatzes als auch in der weiteren zentralen Lageröffnung des Steuerblockeinsatzes oder einer Lageröffnung im Zylinderblock gelagert ist.
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Zweckmäßig weist der Steuerblockeinsatz eine axiale Dichtkontur auf, über welche eine Abdichtung gegenüber dem Zylinderblock der Axialkolbenmaschine erfolgt. Um eine unerwünschte Bypassströmung an Arbeitsmedium zu vermeiden, ist eine derartig axiale Dichtkontur vorgesehen, die beim Einbau des Steuerblockeinsatzes in den Zylinderblock der Axialkolbenmaschine einen Innenraum, in welchem die Abtriebswelle bzw. die Steuerwalze angeordnet sind, gegenüber einem Außenraum, das heißt den Zylindern, abdichtet.
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Die axiale Dichtkontur kann dabei beispielsweise eine axiale Dichtfläche aufweisen, wobei der Zylinderblock eine zugehörige und komplementär dazu ausgebildete axiale Dichtfläche aufweist, die beide beispielsweise bearbeitet, insbesondere planbearbeitet, sein können und dadurch dicht aufeinander aufliegen. Zusätzlich oder alternativ kann die axiale Dichtkontur auch eine axiale Dichtnut, insbesondere eine Ringnut zur Aufnahme einer Dichtkontur des Zylinderblocks oder zur Aufnahme einer Ringdichtung aufweisen. Im ersten Fall ist am Zylinderblock eine Art ringförmige Feder vorgesehen, insbesondere in der Art einer ringförmigen in Axialrichtung vorstehenden Dichtrippe, welche bei der Montage des Steuerblockeinsatzes in dem Zylinderblock dicht in die axiale Dichtnut am Steuerblockeinsatz eingreift und dadurch eine Art Labyrinthdichtung erzeugt. Wiederum alternativ können selbstverständlich auch sowohl am Steuerblockeinsatz als auch am Zylinderkopf komplementär zueinander ausgebildete Dichtnuten vorgesehen sein, in welche eine gemeinsame O-Ringdichtung eingreift. Insgesamt kann mit sämtlichen aufgeführten Ausführungsformen der Dichtkontur eine zuverlässige Abdichtung von einem Innenraum zu den Zylindern bei in dem Zylinderblock montiertem Steuerblockeinsatz erreicht werden.
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Mittels einer derartigen erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine ist eine deutlich kostengünstigere, da einfachere Fertigung des Zylinderblocks möglich, wobei zudem auch Ausführungsformen des Zylinderblocks denkbar sind, bei welchen beispielsweise eine Zylinderstirnwand und eine Zylindermantelfläche zumindest bereichsweise einstückig ausgebildet sind. Eine derartige Ausführungsform war bislang ausschließlich Axialkolbenmaschinen mit Einlasskanälen in einem Deckel vorbehalten.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist die Steuerwalze einen nutartigen Einströmkanal sowie einen Ausströmkanal auf, sodass mit der speziell ausgestalteten Steuerwalze sowohl ein Befüllen eines Zylinders als auch ein Entleeren zumindest eines anderen Zylinders gleichzeitig möglich ist. Durch die sowohl zum Einströmen als auch zum Ausströmen nutzbare Steuerwalze kann auf bislang separat ausgebildete Einlassschieber bzw. Einlasswalzen und Auslassschieber bzw. Auslasswalzen verzichtet werden, wodurch eine erhebliche Reduzierung der Bauteile und damit eine Kostenreduzierung möglich sind.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist zumindest eine Einlassöffnung an einer Seite im Bereich der Zylinderstirnwand eine größere Umfangserstreckung auf als auch einer gegenüberliegenden Seite, wodurch ein Einströmen von Arbeitsmedium über die Einlassöffnung in den zugehörigen Zylinder im oberen Totpunkt des Kolbens erleichtert wird. Hierdurch kann erreicht werden, dass kurz nach dem Überschreiten des oberen Totpunkts, das heißt sofern ein Kolben den Einlasskanal teilweise freigegeben hat, über die größere Umfangserstreckung an der oberen Seite mehr Arbeitsmedium in den jeweiligen Zylinder geleitet werden kann. Weg von der Zylinderstirnwand verjüngt sich die Einlassöffnung auf der gegenüberliegenden Seite, um ein Totvolumen zu verringern, wodurch eine bedarfsgerechte Anpassung der Geometrie auf einen erforderlichen Strömungsquerschnitt und auf ein Totvolumen möglich ist.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, ein Wärmerückgewinnungssystem an einem Kraftfahrzeug mit einer solchen Axialkolbenmaschine auszustatten, wodurch Herstellungskosten des Kraftfahrzeugs, insbesondere durch einen kostengünstiger und einfacher zu fertigenden Zylinderblock der Axialkolbenmaschine erreicht werden können. Ein derartiges Wärmerückgewinnungssystem kann beispielsweise einen Wärmeübertrager aufweisen, der das zum Antrieb der Axialkolbenmaschine erforderliche Arbeitsmedium erhitzt.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondem auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
- 1 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine mit einem erfindungsgemäßen Steuerblockeinsatz,
- 2 eine Darstellung wie in 1, jedoch bei einem anderen Steuerblockeinsatz,
- 3 eine mögliche Ausführungsform einer axialen Dichtkontur zwischen dem Steuerblockeinsatz und einem Zylinderblock der Axialkolbenmaschine,
- 4, 5 Darstellungen wie in 3, jedoch bei jeweils anderen Ausführungsformen der axialen Dichtkontur,
- 6 eine Ansicht auf eine mögliche Ausführungsform einer Steuerwalze der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine,
- 7 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine mit einer Steuerwalze entsprechend der 6.
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Entsprechend den 1 und 2, weist eine erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine 1, die beispielsweise Bestandteil eines Wärmerückgewinnungssystems 2 eines Kraftfahrzeuges 3 sein kann, einen Zylinderblock 4 auf, in dem mehrere Zylinder 5, üblicherweise sechs Zylinder 5, ringförmig angeordnet sind. In den einzelnen Zylindern 5 sind dabei Kolben 6 translatorisch verstellbar angeordnet. Zur Beaufschlagung der Zylinder 5 mit Arbeitsmedium, beispielsweise Dampf, sind an ein Zylindermantelfläche 7 Einlassöffnungen 8 vorgesehen, die mit entsprechenden Einlasskanälen 9 in einem erfindungsgemäßen Steuerblockeinsatz 10 periodisch verbunden werden. Der Steuerblockeinsatz 10 ist dabei getrennt vom Zylinderblock 4 und als Einsatzteil ausgebildet, was den großen Vorteil bietet, dass der Zylinderblock 4 selbst ohne Einlassöffnungen 8 bzw. Einlasskanäle 9 gefertigt werden kann. Hierdurch ist dieser deutlich weniger aufwändig und damit deutlich kostengünstiger herstellbar.
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Der Steuerblockeinsatz 10 kann beispielsweise als zylinderförmiges Teil ausgebildet sein, in welchen später die Einlasskanäle 9 eingebracht/eingearbeitet werden. Jeder dieser Einlasskanäle 9 schafft dabei eine fluidleitende Verbindung zu einem zugehörigen Zylinder 5. Der Steuerblockeinsatz 10 kann beispielsweise aus Metall oder aus Kunststoff ausgebildet sein und dadurch nicht nur verschleißbeständig, sondern zugleich auch äußerst exakt und kostengünstig hergestellt werden.
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Betrachtet man den Steuerblockeinsatz 10 gemäß den 1 und 2, so weist dieser eine zentrale Lageröffnung 11 zur Lagerung einer Steuerwalze 12 (vergleiche 1) auf. Die Steuerwalze 12 ist dabei drehbar um eine Achse 13 gelagert und besitzt zumindest einen darin ausgebildeten Kanal 14, über welchen Arbeitsmedium zum Einlasskanal 9 und dessen Einlassöffnung 8 in den jeweiligen Zylinder 5 zum Antrieb des in diesem Zylinder 5 translatorisch verstellbar angeordneten Kolbens 6 geleitet wird. Rein theoretisch kann sich dabei der Steuerblockeinsatz 10 gemäß den 1 und 2 auch noch weiter nach unten erstrecken und dadurch eine weitere zentrale Lageröffnung zur Lagerung einer nicht näher gezeichneten Abtriebswelle aufweisen. Die Abtriebswelle (nicht gezeigt) wiederum ist über eine Taumelscheibe mit den Kolben 6 verbunden, wodurch die translatorische Bewegung der Kolben 6 in eine rotatorische Bewegung der Abtriebswelle übertragen werden kann.
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Betrachtet man die Axialkolbenmaschine 1 gemäß der 1, so sind deren Zylinder 5 nach oben mittels eines Deckels 15 verschlossen, der zugleich eine jeweilige Zylinderstirnwand 16 im Zylinder 5 bildet. Eine Fixierung des Deckels 15 am Zylinderblock 4 erfolgt über Schrauben 17, von denen gemäß der 1 zwei dargestellt sind. Diese sind in Umfangsrichtung zwischen den Zylindern 5 in zugehörige Einschrauböffnungen des Zylinderblocks 4 eingeschraubt. Zwischen dem Deckel 15 und dem Zylinderblock 4 ist zusätzlich noch eine Dichtung 18 angeordnet.
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Betrachtet man demgegenüber die Axialkolbenmaschine 1 gemäß der 2, so kann man bei dieser erkennen, dass zumindest ein Teil der jeweiligen Zylinderstirnwände 16 einstückig mit dem Zylinderblock 4 ausgebildet sind. Ein deutlich kleinerer Teil der Zylinderstirnwände 16, beispielsweise ein innerer Ring, wird durch den Steuerblockeinsatz 10 gebildet. Gemäß der 2 kann somit auf einen Deckel 15 und zusätzliche Schrauben 17 verzichtet werden.
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Gemäß den 1 und 2 sind die Einlasskanäle 9 im Steuerblockeinsatz 10 radial verlaufend eingezeichnet, wobei selbstverständlich auch ein schräg nach oben in Richtung der Zylinderstirnwand 16 orientierter Verlauf denkbar sein kann. Dies hilft insbesondere, ein Totvolumen zu reduzieren. Um zudem ein erleichtertes Anlaufen der Axialkolbenmaschine 1 zusätzlich zu unterstützen, kann an dem jeweiligen Kolben 6 auch eine Fase 19 vorgesehen sein.
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Die Fase 19 kann beispielsweise als kombinierte Fase mit 15° und 0,4 mm mit Auslaufradius von 2 mm ausgebildet sein, was bezogen auf einen oberen Totpunkt eine maximal mögliche Verschiebung eines translatorischen Steuerbeginns des Kolbens 6 auf 1,2 mm bzw. 20°, auf 0,9 mm bzw. 17° oder 0,5 mm bzw. 13° Kurbelwinkel nach oberem Totpunkt ermöglicht. Die Steuerwalze 12 kann generell als Kunststoffwalze, beispielsweise aus PEEK-Kunststoff mit einem engen Keilspiel von 0,01 mm ausgebildet sein, wobei alternativ auch eine Ausbildung aus Guss mit einer entsprechenden Beschichtung denkbar ist. Die Einlasskanäle 9 können dabei beispielsweise gebohrt sein und insbesondere einen Durchmesser von ca. 9 mm aufweisen.
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Ebenfalls zum erleichterten Anlaufen bzw. Starten der Axialkolbenmaschine 1 kann zumindest eine Einlassöffnung 8 an einer Seite im Bereich der Zylinderstirnwand 16, das heißt im vorliegenden Fall an einer oberen Seite, eine größere Umfangserstreckung aufweisen als auf einer gegenüberliegenden, das heißt im vorliegenden Fall der unteren, Seite. Hierdurch kann bei einem sich nahe des oberen Totpunkts befindlichen Kolbens 6 ein schnelleres und leichteres Einströmen von Arbeitsmedium in den jeweiligen Zylinder 5 erreicht werden.
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In Bezug auf den Zylinderblock 4 ist der erfindungsgemäße Steuerblockeinsatz 10 über eine axiale Dichtkontur 20 (vgl. insbesondere die 3 bis 5) abgedichtet. Die axiale Dichtkontur 20 kann dabei eine axiale Dichtfläche 21 an dem Steuerblockeinsatz 10 und eine korrespondierend dazu ausgebildete axiale Dichtfläche 22 am Zylinderkopf 4 aufweisen. Diese können plan ausgebildet sein und dadurch dicht aufeinander aufliegen. Die axiale Dichtkontur 20 kann auch im Bereich des Steuerblockeinsatzes 10 eine axiale Dichtnut 23 (vergleiche die 3 und 5) aufweisen, in welche beispielsweise eine Ringdichtung 24 (vgl. 3) dicht eingreift. Gemäß der 3 ist deshalb am Zylinderblock 4 ebenfalls eine Dichtnut 23' vorgesehen. Anstelle der Ringdichtung 24 kann auch eine axiale Dichtrippe 25 (vgl. die 4 und 5) entweder am Steuerblockeinsatz 10 oder am Zylinderblock 4 angeordnet sein, die komplementär zur Dichtnut 23' bzw. 23 ausgebildet ist und dicht in diese eingreift und dadurch eine Labyrinthdichtung bildet. Ein dichtes Verbinden zwischen dem Steuerblockeinsatz 10 und dem Zylinderblock 4 kann beispielsweise durch ein Verstemmen, Verpressen, Verklemmen, Verkleben, Verlöten oder Verschweißen erfolgen.
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Entsprechend der 6, weist eine Steuerwalze 12 einen nutartigen Einströmkanal 26 sowie einen Ausströmkanal 27 auf, wobei gemäß der Darstellung in 7 erkennbar ist, dass mit der speziell ausgestalteten Steuerwalze 12 sowohl ein Befüllen eines Zylinders 5 als auch ein Entleeren eines anderen Zylinders 5 gleichzeitig möglich ist. Durch die sowohl zum Einströmen als auch zum Ausströmen nutzbare Steuerwalze 12 kann auf bislang separat ausgebildete Einlassschieber bzw. Einlasswalzen und Auslassschieber bzw. Auslasswalzen verzichtet werden, wodurch eine erhebliche Reduzierung der Bauteile und damit eine Kostenreduzierung möglich sind. Zudem kann die Axialkolbenmaschine 1 insgesamt weniger hoch bauen.
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Der Steuerblockeinsatz 10 kann auch einen Zylinderlaufflächenabschnitt 28 bilden, wobei zumindest ein Einlasskanal 9 über eine in diesem Zylinderlaufflächenabschnitt 28 benachbart zu einer Zylinderstirnwand 16 angeordnete Einlassöffnung 8 in den zugehörigen Zylinder 5 mündet.
