DE1939297A1

DE1939297A1 - Axialkolbenmaschine

Info

Publication number: DE1939297A1
Application number: DE19691939297
Authority: DE
Inventors: Franz Forster; Heyl Dipl-Ing Walter
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1969-08-01
Filing date: 1969-08-01
Publication date: 1971-02-11
Also published as: GB1269879A; FR2057929A5

Description

(A 412) LINDE AKTIENGESELLSCHAFT

TP-St/S1

den Ib. Juni I969

Axialkolbenmaschine

Die Erfindung betrifft eine AxialkolbenraasGhxne (Pumpe ode..-Motor) mit einer die Zylinder, in denen die Kolben verschieobar sind, aufnehmenden Zylindertramme1* die mit einer senkrecht auf der Umlaufachse stehenden Stirnfläche, in der jeweils einem Zylinder zugeordnete Durchbrechungen münden, gegen eine nach außen und nach innen durch je eine kreisförmige Kante begrenzte Sueuerflachc anläuft, in eier zwei zumindest annähernd halbkreisförmige Steuerkanale angeordnet sind. Die senkrecht auf der Umlaufachse stehende Zylindertrommelstirnfläche ist dabei meist; eben, kann aber auch gewölbt, beispielsweise sphärisch gewölbt, sein, wobei dio Wölbung einem RotationsKurper um die Umlaufachse entspricht. Umlaufachse ist dabei die Achse, um die die Heiativdrehung zwischen Zylindertrommel und Steuerfläche erfolgt«

Ö 9 § 11 I 1 1 1 8 BAD ORiGiNAL

LINDE AKTIENGESELLSCHAFT

Um diese Relativdrehung der Zylindertrommel gegenücer der Steuerfläche zu ermöglichen, muß zwischen der Stirnfläche und der Steuerfläche ein Flüssigkeitsfilm aufrechterhalten Dieioen, der sich in einem Spalt zwischen Stirnfläche und Steuerfläche befindet. In diesen Spalt dringt die Flüssigkeit, die unter hohem Druck den Steuerkanal passiert, ein und drängt dadurch die Stirnfläche von der Steuerfläche ab. Bei den bisher bekannten AxialkolDeneinheiten wird dieses Abdrängen dadurch vermieden, daß mittels mindestens eines besonderen DrucKraumes,äer von dem ArbeitsdrucK beaufschlagt wird, eine Kraft erzeugt wird, die die Zylindertrommel gegen die Steuerfläche drückt. Hierzu ist ein beachtlicher Bauaufwand erforderlich. ,Die durch diesen Druckraum erzielte Kraft wirkt jedoch immer nur· in Richtung eier Umlaufachse, kann also Momente nicht ausgleichen, die dadurch entstehen, daß jeweils nur einer der beiden Steuer^anäle von -em Arbeitsdruck beaufschlagt ist, so daß die Resultierende dar

Das Spaltkraft außerhalb der Umlaufachse angreift, durch dieses außermittige Armreifen der durch den Druck im Spalt erzeugten Kraft erzeugte Moment muß durch die Lagerung der Zylindertrommel auf dem Mittelzapf en aufgenommen wer den. Dadurch wirci weiterer erheblicher Bauaufwand erforderlich. Bei den bisher bekannten Axialkolbenmaschinen ist es üblich, zur Verminderung dieses Moments, aber auch des hydraulischen Radius am Umfang des Steüerkänäls und zur Verminderung der Umfangsgeschwindigkeit die Durchbrechungen; in der Stirnfläche der Zylindertrommel auf

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Τ.3.Λ-. .

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einen Kleineren Durchmesser zu legen als die Achsen der Zylinder. Die dui-ch diese Anordnung erzielten Vorteile sind jedoch nur sehr gering.

Der Erfindung Ixeyt die Aufgabe zugrunde, durch Ausgleich der Kräfte und Momente, die durch den AroeitsdrucK der Flüssigkeit '' 'hervorgerufen werden, einen geringeren Bauaufwand und geringere Reibung an der Steuerfläche und damit geringere Reibungsvex·- luste zu erzielen und gleichzeitig geriiigs unogliche Spaltweite an aer Steuerfläche, d.h. geringstmoglicne Leckverluste an dieser, zu erzielen.

Zu diesem ZwecK sind gemäü der Erfinaung die Summe der Zylinder· querschnittflächeii in aer Zylindertrommel, die Fläche jedes S^euerkanaies una die Durchmesser der äußeren und der inneren Kanuen der Steuerfläche derart bemessen, daß sie folgende Bedingungen erfüllen:

F - (F. + 0,5 F) C
und

V, - (M. + 0,3 Mj K

Z lv S ..

' wobei

F„ - (Anzahl der Zylinder - 1) . o,p . Zylinderquerschnietfluche jedes einzelnen Zylinders in der Zylindertrommel

?. --- ?_äche jedes Steuer »canal es in der Steuerfläche

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'— - BADORiGiNAL

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F_o =■ Hälfte der Ringfläche zwiscnen äußerer und.

innerer Kante der Steuerfläche abzüglich der

Fläch& eines Steuericanals M_; M₁.; M_ = Moment der Kraft im Schwerpunkt der

Fläche F : F bzw. F um eine Achse,

Z ft. S

die durch die Umlaufachse geht und parallel zu der Achse ist, um die die KoluenfUhrungsebene gegenüber der Senürechten auf der Umlauf achse verschwendet wird.
C - Zuschlagfaktor, der wenige Prozent größer als

ist, beispielsweise insbesondere = I,o2 ist K = Zuschlagfaktor, der größer als C, aber vorzugsweise kleiner als 1,1 ist.

Diese Zuschlagfaktoren C und K ermöglichen, besondere Einflüsse zu erfassen, insbesondere parallel zur Umlaufachse wirkende Kräfte, die durch Reibung der durch jeweils eine jeweils beim Arbeitshut· auftretende QuerKraft beiasteten Kolben in den Zylindern verursacht werden. Ferner ist zu berücksichtigen, daß ein vollkommener Ausgtich nicht angestrebt wird, sondern eine geringfügige Anpreßkraft gewünscht wird. Ggfs. sind auch v/eitere Größen zu berücksichtigen, beispielsweise daß bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten an der Kündung der Durchbrechung in die Zylindertrommel der dynamische Druck kleiner ist als der fast statische DrucK im Zylinder. Insbesondere bei dem Zuschlagfaktor K sind

auch die Kippmomente

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zu üerücksiehtigen, die durch dio Mitnahme der Zylindertrommel über sich schräg stellende Pleuel bei mit solchen versehenen Axialkolbeiirnaschinen entstehen» Die Gi-öße der Fläche der Durchbrechungen in der Stirnwand der Zylindertrommel hat keinen grundsätzlichen Einfluß auf die Berechnung. Die Fläche jedes Stcuerkanals ergibt sich aus dem Radius der äußeren Kante und dem Radius der inneren Kante desselben, aus der Breite desselben und dem Viinkel (Bogenmaß), das der Steuerl-canal überdeckt zuzüglich der normalerweise jeweils halbkreisförmigen Flächen am Übercang von der inneren zur äußeren Fläche» Sind im Trennsteg Dämpfung mit en angeordnet, die den Druckweohsel bei Umsteuervorgang dämpfen sollen, so ist die Fläche dieser Dämpfungsnut der Steuerkanalfläche zuzurechnen»

Die Berechnung wird jeweils nur auf die Hälfte der gesamten Steuerfläche bezogen, in der der den Arbeitsdruck führende Steuerkanal angeordnet ist« Da der gemäß der Erfindung erzielte Kräfteausgleich druckunabhängig ist, wird oei Berechnung der Kräfte auf nur der den Arbeitsdruck führenden Seite auch auf der den Niederdruck führenden Seite ein Ausgleich erzielt, so daß auch dann, wenn der Miederdruck relativ hoch ist, eine besondere Berechnung nicht erforderlich ist»

Es ist auch bei den Axialkolbenmaschinen, bei denen zum Andrücken der Zylindertrommel an die Steuerfläche mindestens ein

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Blatt ο ,

DrucKraum vorgesenen ist, bekannt, 3ine Grundanarüe^.xai't durch eine Feder au erzeugen. BeiGpieisweise cei einer Pumpe wäre es ohne eine solche Feuer nicht mobilen, aus dem di-uc<cxosen Zustand anzufahren, weil ohne das Vorhanaensein von Arteitsdruck die Zylindertrommel nicht ο υ liefen den Steuerspiegel gedrückt wurde, daß der Spalt kleingehalten wird. Gleichzeitig wird durch diese Feder eine Grundanarückicrai't verursache. Bei den bisher bekannten Einheiten war es ziemlich schwierig, die Feder räumlich unterzubringen und mußten verhälanicraüßi^· kräftige Federn mit steilerKennung verwendet werden» Die Ausge* staltung gemäß der Erfindung ermöglicht die Weiterausgestaltun,:;, daß die Feder eine Spiralfeder ist, die aen I-iittelzapfen umgibt. Diese Spiralfeder ist dann an dem steuerflächenseitigen Ende der Zylindertrommel über ein V/älzlager gegen die Zylindertrommel abgestützt und mit ihrem anderen Ende gegen den Hittelzapfen abgestützt»

Es ist auch bereits bekannt, die Steuerfläche nicht unmittelbar an einem Teil des Gehäuses anzuordnen, sondern an einer besonderen Platte, deren Bearbeitung leichter ist und die insbesondere aus einem anderen Material Gestehen, kann als das üorige Gehäuse. Bei einer solchen Axialkolbenmaschine liegt gemäß einer Weiteraus gestaltung"'der Erfindung die mit der Steuerfläche versehene Steuerbodenpiatte lose gegen den Steuer-Dodenaufnahmeköroer an und sind die Berührungsflächen zwischen

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Blatt 7 _Λ _ΛΑ

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, Steuercoaenpiatte und Steueroodenaufnahmefläche derart bemessen, j daß durch axe durch den Druck der Arbeitsflüssigkeit hervorgerufenen Kräfte eine Kraft erzeugt wird, die die Steuerboden- !^platte ve :en den Steuerbodenaufnahmekörper drückt. Zu diesem j; Zweck Rann beispielsweise vorgesehen sein, daß die den Steuerkanai u:n.':eDende, den Spalt begrenzende Fläche in der Steuerfläche um beispielsweise ;><#> größer ist, als die den gleichen

Steuerkanai umgebende, die abzudichtende Fläche bildende Fläche, Γ -

mit der die Steuerboaenplatte gegen die Steuerbodenaufnähme

j! anlieft. Um ein sattes Anliefen der Sceuerbodenplatte gegen den

;| Sv-euerbodenaufnahmeKorper zu erzielen, kann vorgesehen sein, dal; die beiden Flächen, mit denen di i Steuerbodenplatte und der Steuerbodenaufnahmekürper sich berühren, geläppt sind.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß i- die Steuerbodenpiatte eine Zentralbohrung aufweist, mit der ' sie auf dem Wittelzapfen zentriert ist. Dadurch sind die Zylinder· lj trommel und die Steuerbodenplatte und damit auch die Steuer-'^!| fläche unmittelbar auf dem gleichen Teil zentriert. Die Steuerbodenplatte kann durch eine einfache Einrichtung, beispielsweise einen Stift, gegen Mitdrehen gesichert sein. Diese Baufurm der Steuerbodenplatte ist wesentlich einfacher in der Herstellung und verhindert, daß durch die bisher erforderlichen Befestigungsmittel die Schrauben oder dergl·,durch die die bisher bekannten Steuerbodenplatten mit dem Gehäuse verbunden

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Biatt 8 1 93 32 97

wurden, Verformungen in der Steuerbodenplatte liervorgerufen werden. Auch wird der Bauaufwand für derartige Verbindungselemente erspart und die Montage wird wesentlieh vereinficht.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Wandstärke der Steuerbodenplatte in der Nähe des Mitteizapfens verringert, so daß auch vom Mitteizapfen her bzw. durch das Einpressen desselben in die Bohrung des Steueroodens keine Verformungen auf die Steuerfläche übertragen werden können.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispxel des Erfindungsgegenstandes dargestellt.
Figur I zeigt Teile einer' Axialkolbenmaschine im Schnitt aurch

aie Umlaufachse
Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf aie Steuerfläche der gleichen Axialkoiuenmaschine

In Figur 1 ist von einer Axialkolbenmaschine die Zylindertrommel 1 mit ihrer Lagerung in dem Gehäusekopfteil 2 dargestellt. Die Kolben und die Kolbenführungebene der Axialkolbenmaschine sind in der Zeichnung nicht mehr mit dargestellt.

Die Zylindertrommel 1 weist" Zylinder J auf, in denen die nicht mehr dargestellten Kolben verschiebbar sind. Die Zylindertrommel 1 weist eine Stirnfläche 4 auf, die mit einer Bronze-

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BAD

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1 9 ? Q ? Q 7

Blatt 9 ' ^Ό ° ^J ^ ° ⁷

Schicht 3 belegt ist. In der Stirnfläche 4 sind Durchbrechungen ο angeordnet, wobei jede dieser Durchbrechungen 6 mit einem Zylinder j verbunden istρ

Zwischen der Zylindertrommel i und dem Gehäusekopfteil 2 ist die Steuerbodenplatte 7 angeordnet, gegen deren Steuerfläche die Stirnfläche der Zylindertrommel l anliegt. Die Steuerfläche b ist nach außen durch eine Kante Io und zur Umlaufachse hin, d.h. zur Mittelachse des Mittelzapfens 12 hin, durch eine Kante 11 begrenzt. Die Kante 11 begrenzt eine Eindrehung k2, durch die die Wandstärke der Steuerbodenplatte 7 im Bereich des Mittelzapfens verringert ist. Auch von der gegenüberliegenden Seite her ist die Wandstärke der Steuerbodenplatte 7 durch eine Eindrehung Ij5 verringert. Außerhalb der Kante Io ist ein Flussigkeitssammelkanal 14 angeordnet« Die weitere Fläche 15 liegt in einer Ebene mit der Steuerfläche 8 und stützt bei drucklosem Zustand der Maschine die Zylindertrommel 1 mit ihrer Stirnfläche 4 gegen die Steuerbodenplatte 7 ab. Da der Kanal 14 drucklos gehalten wird, baut sich in dem Spalt zwischen der Stirnfläche 4 der Zylindertrommel 1 und der Fläche 1> kein Spaltdruck auf. In der Steuerbodenplatte 7 sind zwei jeweils annähernd halbkreisringförmige Steuerkanäle 16 vorgesehen. Jeder dieser Kanäle ΐβ setzt sich in dem Gehäusekopfteil 2 in einem Zuführungs- bzw. Abfuhrungskanal 17 fort, durch den durch in der Zeichnung nicht dargestellte weitere Kanäle die Arbeitsflüssigkeit zu- bzw. abgeführt wird.

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Die Steuerbodenplatte 7 lies- mit ihrer Dichtfläche 1υ ,je^en die Stirnfläche 19 des Gehäuse^o_±jfteiles ^ an, das also .gleichzeitig den Steuerbodenaufnahmekörper· biiuet. Die Dichtfläche ir ■ ist in Richtung zum Mittelzapfen j.2 hin durch eine Kante du begrenzt und nach außen durch eine Kante 2i begrenzt. In oezu.^ auf den SteuerKanal l6 außerhalb der Kanten 2o uno. 21 sina Ausnehmungen 22 vorgesehen, die ebenso wie die Ausnehmung Λ drucklos sina.

Die Zylindertrommel 1 ist mittels eines Radialnadexlagers 23 und eines Wälzlagers 24 auf dem Mxttelzapfen 12 gelagert. Das Radialnadeilager 23 ist durch einen Seegerring 24 gegen Langsverschiebung gesichert« Gegen den Innenkäfig des Radiamadellagers 23 ist eine Zwischenplatte 25 abgestützt, gegen die sich eine Schraubenfeder 26 abstützt, die sich mit ihrem anderen Enae gegen das Wälzlager 24 abstützt, das seinerseits über einen Seegerring 27 in der Zylinüeitrommel 1 abgestützt ist. In dem Mittelzapfen 12 ist eine Zvintralbohrung 26 mit Stichbohrungen vorgesehen, durch welche die Lager 23 una 24 mit Schmierstoff versorgt werden.

Jeder Zylinder j5 hat eine freie ^uerschnittflache, diο praktisch der Stirnfläche des in der Zeichnung nicht mehr dargestellten Kolbens entspricht.

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In der Draufsicht auf die üteuerfxäche ti gemäß Fxgur 2 sind die einzelnen bereits beschriebenen· Kanten wiederum zu ernennen. Die Steuerfläche o'ist aiso nach innen durch die Kante ll und nach auüen durch die Kante xo begrenzt. Innerhalb der Steuerfxäcne c sina die beiden S ,euerKanäle iö angeordnet, von denen jeder durcn eine innere Kante 3o und eine äußere Kante 3i oejrenst ist, aeren Abstand voneinander die Brexte b des Sieuei'^anaiE ±6 bestimmt. Mit D als Durchmesser der Kanten JH über axe timxaufachse 34 gemessen und d als Durchmesser der Kanten 3" ü^ex- axe Umlaufachse 34 gemessen ergibt sxoh die Fläche F . ~u:

F - (D^ - d^) , ft-, cc ' +-r-. o^ . }i" + F wobei F, die Fläche der Drosselnut 32 in der Steuerfläche b ist.

Zwischen der Kante 31 und der Kan:;e Iu sowie zwisäien der Kance jo und der Kante 11 fällt der Druck der FlussigKeit xn dem SpaJ.t von dem Druck der Flüssigkeit in derr. Steuerkanal auf aen AuSendruck annähernd linear ab. Eine ggfs. auftretende Abweichung von der Linearität ist derart gering, daß die Abweichung vernachlässigt werden kann.

Bei der vorstehend angegebenen Bestimmung der Fläche F handelt es sich nicht um eine geometrische Flächenbestimmung, sorüern der Faktor 0,5 vor F berücksichtigt den Druck in dem Spalt

zwischen den Kanten 31 und Io bsw. 3o und 11, wobei infolge

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der linearen Aonahme des Druckes die resultierende Kraft bestimmt werden Kann aus der Hälfte des HochstdrucKes, der in dem Steuerkanal Io herrscht, mal der Fläche zwischen den genannten Kanten»

Die Steuerfläche b ist insgesamt begrenzt durch die Kanten Io und 11 sowie die Kanten der Steuerkanäle' 16 einschließlich
der Dämpfungsnuten >2. Bei der Berechnung gemäß der Erfindung wira jedoch nicht diese gesamte Steuerfläche ο zugrunde gelegt, sondern nur die Hälfte. Ebenso wird bei dei- Berechnung der
Momente nur die Hälfte der Fläche zugrunde gelegt und der Abstand des Schwerpunktes der jeweiligen Flächenhäifte von der Achse j3, die durch die ümlaufachse j?4 geht und parallel ist zu der Schwenkachse, urn die die in der Zeichnung nicht mehr
dargestellte Kolbenführungsebene gegenüber der Parallelen zu der Stirnfläche 4 verschwenkt ist.

Infolge des durch die Erfindung erzielten Ausgleiches treten an der Steuerfläche 8 nur geringe Kräfte auf, die auf die Zylindertrommel 1 wirken, so daß der Mittelzapfen 12 nur sehr geringe Momente zur Führung der Zylindertrommel 1 aufzunehmen hat.

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Patentansprüche

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Claims

(A 4i2) LiNDEAKTIENGESELLSCHAFT

TP-St/Sl

Patentansprüche

1. Axialkolbenmaschine (Pumpe oder Motor) mit einer die Zylinder, in denen die Kolben verschiebbar sind, aufnehmenden Zylindertrommel, die mit einer senkrecht auf der Umlaufachse stehenden Stirnfläche, in der jeweils einem Zylinder zugeordnete Durchbrechungen münden, gegen eine nach außen durch eine kreisförmige Kante begrenzte Steuerfläche anläuft, in der zwei annähernd halbkreisringförmige Steuerkanäle angeordnet sind, wobei die Steuerfläche auch zur Umlaufachse hin durch eine kreisförmige Kante begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittfläche der Zylinder(3)in der Zylindertrommel (l), die Fläche jedes Steuerkanals (ΐβ) und die Radien der äußeren (lo) und der inneren (11) Kanten der Steuerfläche (8) derart bemessen sind, daß sie folgende Bedingungen

F = (P, +
ζ ^v k

M_z = (i\ +0,5 M₃) K

wobei >

F = (Anzahl der Zylinder - 1) . ο,5 « Zylinder-

querschnittflache

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LINDE AKTIENGESELLSCHAFT

V 1939227

P. = Fläche jedes Steuericanals (lo) in der

Steuerfläche (6),

P- '= Hälfte der Ringfläche zv/ischen äußerer (lo) und innerer (ll) Kante der Steuerfläche (ö) abzüglich aer Fläche eines 3^uer.<ianals (lo), M · ΙΊ. ;M = Moment des Schwerpunktes der Fläche b\ ?. bzv/. F, um eine Achse (JJ), aie äurch die Umlaufachse (J^f) geht und parallel zu der Achse ist, um die die Koloenführungseoene gegenüber der Senkrechten auf aer Umlaufachse (J^) verschv/enkt ist,

C = Züschlagfaictor, der v;enige Prozent größer als i ist j K =Zuschlagfa^tor, der größer als C, aber kleiner als 1,1 ist»

2. AalalkolDenmaschine mit einer auf einem Mittelzapfen gelagerten umlaufenden Zylindertrommel, bei der eine GrondKraft zum Andrücken der Zylindertrommel an die Steuerfläche durch eine Feder erzeugt viird, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (26) eine Spiralfeder ist, die den Mittelzapfen (12) umgibt.

J₀ Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1, oei der die Steuerfläche an einer Steuerbodenplatte angeordnet ist, die an einem Steuerbodenaufnahmekörper angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerbodenplatte(7)lose gegen den Steuer-

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LINDE AKTIENGESELLSCHAFT

bodenaufnahmekörper (2) anliegt und daß die Berührungsflächen zwischen Steuerbodenplatte (7) und SteuerbodenaufnahKiekörper (2) derart bemessen sind, daß durch die Druckkraft eine Kraft erzeugt wird, die die Steuerbodenplatte (7) gegen den Steuerbodenaufnahmeicörp-jr (Γ-) drückt.

4. Axialkolbenmaschine nach anspruch ;>, dadurch gekennzeichnet, daß die Berührunrsflächen zwischen Steueroodenplatte (7) und SteuerbodenaufnaiameKörper (2) geläppt sind.

'j. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß dxe Steuerbodenpiatte (7) auf dem Kattelzapfen (12) zentriert ist.

L. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder vorzugsweise Anspruch ^, dacurch .gekennzeichnet, aaß die 'ViandstärKe der Steuercodenplatte (7) in der Nähe des Mittelzapfens (12) verringert ist.

Axialkolbenmaschine nach Anspruch ß, aadui'ch ^, -daii aie i;ali:c SteuerspttltfiäCiie (die yi'lche F_) um zumindest annär.e-rnd ^o ;Ό großer ist-als axe M-ilfte aer 5erührun_Lsflächen zwischen Steuerbodenplatte (7) und Sceuerbodenaufnarjne-Kor ρ ex· (2).

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LINDE AKTIENGESELLSCHAFT

8. Axialkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils der Schwerpunkt einer Durchbrechung (6) in der Zylinaertrommelstirnfläche (4) auf der verlängerten Achse des zugehörigen Zylinders (j>) liegt.

INSPECTED

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