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Taumelscheibenpumpe Die Erfindung bezieht sich auf Taumelscheibenpumpen,
die insbesondere als zweite Pumpenstufe einer mehrstufigen Flüssigkeitspumpe mit
einer ersten Pumpenstufe ohne zwangläufige Verdrängung, wie Zentrifugalpumpe, Verwendung
finden können und bei denen eine Einrichtung zum Einstellen des Neigungswinkels
der Taumelscheibe vorgesehen ist. Derartige Pumpen lassen sich an die Schwankungen
des Bedarfs leicht anpassen.
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Da bei diesen bekannten Pumpen die erste Stufe nicht zwanglä.ufig
arbeitet, ist es nicht erforderlich, zwischen den Pumpenstufen Ausgleichsmittel
vorzusehen, um die Förderleistung der ersten Stufe entsprechend den Änderungen der
Förderleistung der zweiten Stufe zu regeln.
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Bei einer bekannten Taumelscheibenpumpe sind die von der Scheibe betätigbaren
Pumpenkolben axial verschiebbar in einem mit der Pumpenwelle umlaufenden Zylinderblock
angeordnet. Die Taumelscheibe ist mittels Drucklagern an ihrem Umfang in einer zur
Pumpenachse geneigten Ebene frei drehbar in dein feststehenden Pumpengehäuse gelagert.
Bei einer anderen bekannten Anordnung ist die Taumelsaheibe um eine Achse drehbar
angeordnet, welche die Achse der Antriebswelle in einem Punkt schneidet, zu dem
konzentrisch ein Druckaufnahmelager für die Ta.umelscheibe angeordnet ist. Die Taumelscheibenachse
ist um den Schnittpunkt dieser beiden Achsen mittels eines Hebelgestänges mechanisch
verstellbar, so daß sich die Förderleistung der Pumpe bei gleicher Drehzahl von
Nullen aufwärts einstellen läßt.
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Es ist auch bekannt, die Neigung der Taumelscheibe hydraulisch zu
steuern. Bei einer bekannten Taumelscheibenpumpe dieser Art ist die Taumelscheibe
in einer den Gegendruck aufnehmenden, frei drehbaren Lagerung um einen senkrecht
zur Drehachse angeordneten Zapfen schwenkbar gelagert. Ein hydraulischer Kolben
greift zentrisch auf der Rückseite der Taumelscheibe an, um diese je nach dem Druck
eines auf den Kolben wirkenden Strömungsmittels um den Zapfen zu verschwenken. Bei
einer anderen bekannten Taumelscheibenpumpe ist der Betätigungszylinder geneigt
zur Drehachse innerhalb des Druckaufnahmegliedes der Taumelscheibe angeordnet, und
die Kolbenstange greift exzentrisch an der Taumelscheibe an. Das Druckaufnahmeglied
ist zusätzlich zu der Abstützung im Pumpengehäuse in dem umlaufenden Pumpenzylinder
gelagert, um eine Druckmittelzuleitung über den Pumpenzylinder zu dem Betätigungskolben
der Taumelscheibe zu ermöglichen. Es ist weiter eine TaumeIsaheibenpumpe bekannt,
bei der zwei derartige Taumelscheiben auf der gleichen Welle angeordnet sind und
in entgegengesetzte Richtungen arbeiten. Bei den bekannten Taumelscheibenpumpen
sind stets besondere Drucklager für die Taumelscheibe erforderlich, welche den von
den Pumpenkolben auf die Taumelscheibe übertragenen Reaktionsdruck aufnehmen können.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine TaumeIscheiben.-pumpe zu schaffen,
welche ein solches Druckaufnahmeglied übeirfiüssig macht und einen wesentlich leichteren
Lauf der Taumelscheibe sicherstellt sowie eine einfache Verstellung der Taumelscheibenneigung
mit geringem Kraftaufwand ermöglicht.
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Die Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung erreicht durch
zwei in an sich bekannter Weise auf der gleichen Welle angeordnete und in entgegengesetzte
Richtungen arbeitende Taumelscheiben, wobei zwischen den Taumelscheiben ein mit
diesen umlaufendes Stellglied der Einrichtung zum Einstellen des Neigungswinkels
angeordnet ist, das auf beide Taumelsaheiben gleichzeitig einwirkt und deren Neigungswinkel
im entgegengesetzten. Sinne ändert sowie die von den Scheiben ausgeübten Reaktionsdrücke
aufnimmt.
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Durch die neue Anordnung von zwei gleichen, im entgegengesetzten Sinne
wirkenden Taumelscheiben, wird neben einer außerordentlich gedrängten Bauweise zugleich
ein Druckausgleich erzielt, der verhindert, daß der von den Taumelscheibm ausgeübte
Reaktionsdruck über die Drehwelle auf das Pumpengehäuse übertragen wird. Durch die
erfindungsgemäße Anordnung werden. besondere Drucklager für die Welle bzw. die zur
Einstellung des Neigungswinkels erforderlichen Einrichtungen entbehrlich. Außerdem
kann hierdurch
die Welle wesentlich schwächer ausgebildet werden
als bei den bekannten Taumelscheibenpumpen, so daß es auch möglich ist, bei einer
hydraulischen Einstellung des Neigungswinkels sowohl einen das Stellglied betätigenden
Servomotor als auch das diesen steuernde Schieberventil zwischen den Taumelscheiben
bzw. innerhalb der Drehwelle anzuordnen und mit diesem umlaufen zu lassen. Hierdurch
ergibt sich eine außerordentlich- gedrängte Bauweise und außerdem die :Möglichkeit,
bei gleicher Pumpenleistung die Hebellänge der einzelnen Pumpenkolben auf die Hälfte
herabzusetzen, was insbesondere hei schnell laufenden Pumpen von Vorteil ist, da
der Pumpenkolben nur eine kurze Wegstrecke zwischen seinen beiden Endstellungen
zurückzulegen hat.
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Zur Einstellung des Neigungswinkels der Taumelscheibe auf hydraulischem
Wege kann vorteilhafterweise ein hydraulischer Servomotor, wie Drehkolbenmotor,
vorgesehen sein, dessen Drehkolben mit einem als Stellglied wirkenden Nocken verbunden
sind und der zusammen mit einer ihn steuernden Steuervorrichtung gemeinsam mit den
Taumelscheiben umläuft. Hierbei kann zur Betätigung der Steuervorrichtung und/oder
Betätigung des Servomotors diese über in der die Taumelscheibe unterstützenden Welle
vorgesehene Zuleitungskanäle mit einer Strömungsmittelquelle außerhalb der umlaufenden
Teile in Verbindung stehen.
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Bei einer bevorzugten Ausbildungsform der Erfindung ist der Taumelscheibenpumpe
als erste Stufe eine Schleuderpumpenstufe vorgeschaltet. Zwar arbeitet eine Schleuderpumpenstufe
nicht sehr wirtschaftlich, abgesehen von hohen Drehzahlen und Strömungsgeschwindigkeiten,
doch kann man dafür sorgen, daß die in der zweiten Stufe entwickelte Leistung etwa
dreißigmal größer ist als die in der ersten Stufe entwickelte Leistung. Die erste
Pumpenstufe kann das Strömungsmittel z. B. auf einen Druck von etwa 6,5 kg/cm2 bringen,
während die zweite Stufe einen Druck von etwa 280 kg/cm2 erzeugt.
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`'orzugsweise ist die Schwenkachse der Taumelscheibe gegenüber der
Drehachse der Taumelscheibe von derjenigen Fläche, an welcher der Nocken an der
Taumelscheibe angreift, weg versetzt, damit ein resultierendes Drehmoment um die
Anlenkachse stets bestrebt ist, die Taumelscheibe in Berührung mit dem Nocken zu
halten.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen
an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine zweistufige Strömungsmittelpumpe
mit Taumelscheibenpumpenstufe gemäß der Erfindung, die für den Betrieb mit einer
Drehzahl von 6000 Umdrehungen in der Minute bestimmt ist; Fig.2 ist eine Fig. 1
ähnelnde schematische Darstellung, welche den von dem Strömungsmittel zurückgelegten
Weg erkennen läßt; Fig.3 ist eine perspektivische Darstellung des hydraulischen
Betätigungsgliedes zum Andern des Neigungswinkels der in der zweiten Pumpenstufe
vorgesehenen Taumelscheiben.
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Die Pumpe besitzt eine nicht zwangläufig wirkende, als Schleuderpumpe
ausgebildete erste Stufe, die durch einen Schleuderpumpenläufer 11 gebildet wird,
der auf der Hauptwelle 12 angeordnet ist, wobei diese Hauptwelle gemäß Fig. 1 über
ihr linkes Ende angetrieben wird. Die zweite Stufe ist als Taumelscheibenpumpe ausgebildet
und weist zwei; Taumelscheiben 13 und 14 auf, die sich zusammen mit>der Welle 12
drehen. Jeder dieser Taumelscheiben sind sieben in Längsrichtung hin- und herbewegbare
Pumpenkolben zugeordnet, die in der Nähe der Außenfläche der betreffenden Taumelscheibe
um die Welle 12 im Kreise parallel zur Pumpenachse angeordnet sind. Wie aus Fig.
2 hervorgeht, sind die Taumelscheiben 13 und 14 um eine querliegende Achse 15 schwenkbar,
und diese Achse ist gegenüber der Achse der Welle 12 um ein kleines Stück seitlich
versetzt, so daß sich die Tanmelscheiben zwischen einer Stellung, in der sie mit
der Achse der Welle 12 jeweils einen rechten Winkel bilden, und einer Stellung,
in der sie mit der Achse der Welle 12 einen kleineren Winkel bilden, bewegen bzw.
verstellen lassen. In Fig. 1 und 2 nehmen die Taumelscheiben eine mittlere Stellung
ein.
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Jedes der Aggregate, die von den Taumelscheiben betätigt werden, umfaßt
einen feststehenden Zylinder 21, der in das Gehäuse 22 der Pumpe eingesetzt ist,
und einen Kolben 23, der durch ein in dem Zylinder gleitend bewegliches Rohr gebildet
wird, das an der zugehörigen Taumelscheibe über ein hohles halbkugel-bzw. becherförmiges
Bauteil 25 angreift, das zwischen einer an dem geschlossenen Ende des Kolbens
23 ausgebildeten, zu dem Bauteil 25 passenden Sitzfläche und der gegenüberliegenden
Fläche der Taumelscheibe angeordnet ist. Die Enden der Kolben sind ebenso wie die
zugehörigen becherförmigen Bauteile 25 durchbohrt, um zu ermöglichen, daß der in
dem Zylinder 21 herrschende Strömungsmitteldruck auf die Fläche der Taumelscheibe
wirkt, wodurch ein Druckausgleich erzielt wird. Die Berührung zwischen dem becherförmigen
Bauteil 25 und der Taumelscheibe sowie die Berührung zwischen dem Kolben 23 und
dem zugehörigen becherförmigen Bauteil wird durch eine den Kolben umgebende Feder
27 aufrechterhalten, die sich zwischen einem feststehenden Bauteil und einem ringförmigen
äußeren Flansch 24 am geschlossenen Ende des Kolbens abstützt. Ein Begrenzungsstift
26 bewirkt, daß sich das becherförmige Bauteil 25 unter allen vorkommenden Bedingungen
nur um ein kurzes Stück von seiner Sitzfläche wegbewegen kann. Es kÖnnen auch zwangläufig
wirkende Mittel vorgesehen sein, um den Kolben mit der Taumelscheibe zu verbinden;
dies kommt insbesondere bei hohen Drehzahlen in Frage.
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Es sei bemerkt, daß die Taumelscheibenstufe der Pumpe in der Weise
arbeitet, daß die Taumelscheiben gedreht werden, um eine hin- und hergehende Bewegung
der Pumpenkolben 23 in den Zylindern 21 hervorzurufen. Die Hublänge der Pumpenkolben
variiert von Null bei rechtwinkliger Einstellung der Taumelscheiben zur Achse der
Welle 12 bis zu einem Maximum, das erreicht wird, wenn die Taumelscheiben mit der
Achse der Welle den kleinstmöglichen Winkel bilden.
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Das Ansaugen des Strömungsmittels in die Pumpe erfolgt durch eine
Öffnung 31 am rechten Ende der Pumpe. Diese Öffnung verläuft in Richtung der Achse
der Pumpe und führt zur Einlaufseite des Pumpenläufers 11, an der ein Leitkörper
32 vorgesehen ist, der durch drei radiale Rippen 33 in seiner Lage gehalten wird.
In der ersten Pumpenstufe wird das Strömungsmittel auf einen Druck von etwa 6,5
kg/cm2 gebracht, woraufhin das Strömungsmittel einen Kanal 34 passiert, der zu der
die Welle 12 umgebenden Taumelscheibenkammer 35 führt. Innerhalb jeder Stirnwand
der Ta.umelscheibenkammer 35 sind in Umfangsrichtung in gleichmäßigen Abständen
sieben Ventile 36 verteilt. Die Ventile 36 bestehen aus einem Ventilteller 37 und
der Ventilfeder 38. Jedes dieser Ventile
steht über einen in Umfangsrichtung
verlaufenden Kanal mit einem der Zylinder 21 in Verbindung. Bei jedem Saughub eines
Kolbens 23 wird es durch den Druckabfall an den zugehörigen Ventil 36 ermöglicht,
daß das Strömungsmittel aus der Taumelscheibenkammer 35 zu dem Einlaß des betreffenden
Zylinders 21 strömt.
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Der Auslaß des Zylinders 21 wird durch ein ähnliches Rückschlagventil
42 gesteuert, das einen Ventilteller 43 aufweist. Nachdem das Strömungsmittel in
den Zylinder 21 eingeleitet worden ist, wird das Strömungsmittel während des Pumphubes
des Kolbens 23 auf einen Druck von etwa 280 kg/cm2 gebracht, woraufhin sich das
Ventil 42 öffnet, um das nunmehr unter hohem Druck stehende Strömungsmittel in einen
Kanal 44 gelangen zu lassen, der über eine ringförmige Kammer 45 zu einen radialen
Austrittskanal 46 führt. Die Auslässe der sieben Zylinder, die der linken Taumelscheibe
14 zugeordnet sind, führen unmittelbar zu dem Auslaß 46, während die Auslässe der
der rechten Taumelscheibe 13 zugeordneten sieben Zylinder über einen radialen Kanal
47 und einen Längskanal 48 mit dem Auslaß 46 verbunden sind.
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Der Mechanismus zum Einstellen des Neigungswinkels der Ta.umelscheiben
wird durch die Welle hindurch hydraulisch betätigt. Die Welle 12 läuft in Kugellagern
51 und 52, die in Aussparungen des Gehäuses 22 angeordnet sind; das rechte Ende
der Welle 12 ist durch eine Keilverzahnung mit einer Hilfswelle 53 verbunden, die
ihrerseits durch eine Keilverzahnung mit einem Hülsenteil 54 verbunden ist, das
in Kugellagern 55 innerhalb des Gehäuses 22 drehbar gelagert ist. Das Hülsenteil
44 besitzt eine zentrale Bohrung 55a, die zu einer Längsbohrung 56 in der Hilfswelle
53 führt. Die Längsbohrung 56 steht mit einer Kammer 57 innerhalb des rechten Endes
der Hauptwelle 12 in Verbindung; in diese Kammer ist ein Hülsenteil 58 eingeschraubt,
dessen rechtes Ende durch einen Nippel 71 verschlossen ist. Dieses Hülsenteil 71
weist eine zentrale Bohrung auf, in der ein Steuerschieber 59 angeordnet ist, der
gemäß Fig. 1 normalerweise nach rechts gedrückt wird, und zwar durch einen mit einem
Flansch 63 versehenen Teil 61, der sich auf eine vorgespannte Druckfeder 62 abstützt.
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Von dem radialen Kanal 47 aus führt ein enger Kanal 65 über einen
radialen Kanal 66 zu einer Kammer 67, die in dem Lagerstern 32 innerhalb des Einlasses
ausgebildet ist. Auf diese Weise hat das Strömungsmittel, das im wesentlichen unter
den Förderdruck der zweiten Pumpenstufe steht, durch die Bohrung 56a und die Bohrung
56 Zutritt zu der innerhalb der Welle 12 liegenden Kammer 57. Das Strömungsmittel
kann aus der Kammer 57 zu einer zentralen Längsbohrung 74 in dem Steuerventilelement
59 gelangen, und zwar über einen in dem Hülsenteil 58 ausgebildeten Strömungsmittelkanal
75 und eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Aussparung 56d in der Nähe des
rechten Endes des Bauteiles 59. Die Anordnung ist so getroffen, daß das Strömungsmittel
den Druck der Feder 62 ausgleicht, wenn der Förderdruck den Sollwert erreicht hat.
Bei diesem Betriebszustand nimmt das Steuerventilelement 59 die in Fig. 1 dargestellte
Lage ein.
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Das Hülsenteil 58 weist an seinem Umfang zwei Durchbrüche
81 und 82 auf, die normalerweise durch an dem Steuerventilelement 59 vorgesehene
Stege 84 und 85 geschlossen gehalten werden. Das Steuerventilelement 59 wird jedoch
beim Steigen oder Sinken des Förderdrucks der zweiten Pumpenstufe, d. h. der Taumelscheibenstufe,
nach links bzw. nach rechts bewegt, um das unter Druck stehende Strömungsmittel
zu dem Durchbruch 81 bzw. zu dem Durchbruch 82 und von dort in ein Betätigungsaggregat
strömen zu lassen.
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Das in Fig. 3 schematisch dargestellte Betätigungsaggregat 83 umfaßt
einen Zylinder 91, der mit der Welle 12 aus einem Stück besteht und zwei einander
diametral gegenüberliegende, nach innen ragende Wände 92 aufweist, zwischen deren
inneren Enden die Welle 93 eines Drehflügelkolbens angeordnet ist, der in Lagern
drehbar ist, die in Platten 97 und 98 an beiden Enden des Zylinders 91 ausgebildet
sind (Fig. 1). Die Flügel 94 und 95 des Drehflügelkolbens liegen jeweils in einer
der beiden sektrn-förmigen Kammern, in die das Innere des Zylinders 91 durch die
Wände 92 unterteilt ist. Die beiden Durchbrüche 81 und 82 führen jeweils zu einer
dieser Kammern (Fig. 3) , und die Welle 93 besitzt zwei diametrale Bohrungen 96
zum Überleiten des Strömungsmittels zu der anderen Kammer, so daß das Strömungsmittel
auf die beiden Flügel 94 und 95 wirkt und den Drehflügelkolben drehen kann. Gemäß
Fig. 1 ist am oberen Ende der Welle 93 ein ovaler Nocken 101 befestigt, der mit
zwei Fortsätzen 102 in Berührung steht, von denen je einer an jeder der beiden Taumelscheiben
13 und 14 ausgebildet ist, so daß die Taumelscheiben dann, wenn der I\Tocken 101
durch die Welle 93 gedreht wird, entweder weiter auseinandergedrückt werden oder
sich einander nähern können, so daß die Taumelscheiben eine Schwenkbewegung ausführen,
um den Winkel, den sie mit der Achse der Welle 12 einschließen, zu ändern, wodurch
die Fördermenge der Taumelscheibenstufe der Pumpe entsprechend geändert wird.
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Wie bereits erwähnt, werden die Taumelscheibei uni eine Achse geschwenkt,
die, bezogen auf den Nocken 101, auf der anderen Seite der Achse der Welle 12 liegt,
und hierdurch wird bewirkt, daß während des Betriebes diejenigen Zylinder 21, die
gerade ihren Pumphub ausführen, ein Drehmoment hervorrufen, das bestrebt ist, die
Taumelscheiben gegen den Nocken 101 zu drücken. Die gleiche Wirkung erzielt man
bei stillstehender Pumpe mit Hilfe eines Kolbens 104, der in einer radialen Bohrung
105 der Welle 12 gleitend beweglich ist und durch eine Druckfeder 106 nach außen
gedrückt wird, so daß das äußere Ende des Kolbens 104 an Fortsätzen 107 der beiden
Taumelscheiben angreift; die Feder 106 ist somit ständig bestrebt, den Kolben 104
nach außen zu schieben, um die beiden Fortsätze 107 auseinanderzubewegen und somit
die Fortsätze 102 in Berührung mit dem Nocken 101 zu halten.
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Man erkennt, daß jede Änderung des Förderdrucks der zweiten Pumpenstufe,
die z. B. von einer Änderung des Strömungsmittelbedarfs herrührt, zu einer Bewegung
des Steuerventilelements 59 führt, wodurch das hydraulische Aggregat 83 betätigt
wird, um den Nocken 101 zu drehen und somit die Neigungswinkel der Taumelscheiben
13 und 14 derart zu ändern, daß eine Änderung der während jedes Arbeitsspiels gepumpten
Strömungsmittelmenge in einem solchen Sinne bewirkt wird, daß die Druckänderung
ausgeglichen wird.
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Da die erste Pumpenstufe 11 als nicht zwangläufig wirkende Stufe ausgebildet
ist, d. h. als eine Stufe, die nicht bei jedem Arbeitsspiel eine bestimmte Strömungsmittelmenge
fördert, sondern als eine Pumpenstufe, deren Fördermenge sich nach den Bedarf richtet,
brauchen hier keine Mittel vorgesehen zu sein, um Änderungen des Bedarfs bezüglich
der zweiten
Pumpenstufe auszugleichen. Die Schleuderpumpenstufe
läßt sich mit hoher Drehzahl und somit auch mit einem ziemlich hohen Wirkungsgrad
betreiben. Da der größte Teil der Pumpenleistung in der zweiten Stufe entwickelt
wird, macht sich der verhältnismäßig niedrige Wirkungsgrad der ersten Stufe nicht
besonders stark bemerkbar. Es können gesteuerte Entlastungsöffnungen vorgesehen
sein, um in unerwünschter Weise erwärmtes Strömungsmittel in der ersten Stufe abzuführen,
wenn diese Stufe kein Strömungsmittel fördert.
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Dadurch, daß zwei Taumelscheiben Rücken an Rücken angeordnet sind,
wird die resultierende axiale Belastung der Welle ausgeglichen, so daß kein Drucklager
benötigt wird. Diese Tatsache ist im Hinblick darauf, daß die Mittel zum Einstellen
des Neigungswinkels der Taumelscheiben in Abhängigkeit vom Förderdruck innerhalb
der Welle 12 angeordnet sind, wichtig.
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Die Charakteristik der Pumpe ist derart, daß bei 6000 Umdrehungen
in der Minute eine Strömungsmittelmenge von etwa 801 in der Minute gepumpt werden
kann, wenn der Neigungswinkel der Taumelschziben 4° beträgt, während diese Fördermenge
bei einem Neigungswinkel von 21/E° auf etwa die Hälfte zurückgeht. Somit läßt sich
eine ziemlich große Anderung des Bedarfs durch eine kleine Änderung des Neigungswinkels
ausgleichen.