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Die Erfindung betrifft eine Hydro-Drehoszillator, mit mindestens einer kontinuierlich angetriebenen Hydro-Rotationspumpe, die einen stetigen Hydro-Fluidstrom erzeugt, mit einem von dem Hydro-Fluidstrom angetriebenen Hydro-Drehstellglied, das ein vollzylindrisches Drehstellglied-Innenteil und mindestens ein hohlzylindrisches Drehstellglied-Außenteil aufweist, die konzentrisch zueinander mit radialem Abstand angeordnet sind, mindestens zwei ringsegmentförmige Arbeitskammern radial begrenzen und einander gegenüber in zwei Drehrichtungen begrenzt drehbar sind, wobei die Arbeitskammern durch eine mitdrehende sich radial erstreckende Drehstellgliedwand voneinander getrennt und in der Größe änderbar sind und mit der Hydro-Rotationspumpe über Hydro-Verbindungsleitungen verbunden sind, und mit mindestens einem Steuermittel, das den Hydro-Fluidstrom wechselweise zu den mindestens zwei Arbeitskammern lenkt.
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Derartige hydraulische Drehantriebvorrichtungen, mit einer Hydro-Rotationspumpe und einem von diesem angetriebenen Hydro-Drehstellglied, sind aus dem Stand der Technik in vielfältigen Ausführungsformen bekannt. Gebräuchliche Hydro-Rotationspumpen erzeugen in der Regel einen quasi kontinuierlichen Fluidstrom aus einer Hydraulikflüssigkeit, der auch dann in der Regel konstant bleibt, wenn durch Widerstände wie beispielsweise Drosselstellen, Schaltelemente oder Antriebe sich im Hydrauliksystem ein Druck aufbaut. Solche Hydraulikpumpen sind üblicherweise als Flügelzellen-, Zahnrad- oder Schraubenspindelpumpen ausgeführt und können in einem offenen oder geschlossenen Kreislauf arbeiten. Beim geschlossenen Kreislauf ist die Hydro-Rotationspumpe mit ihrer Saugseite und mit ihrer Druckseite, abhängig von der Anzahl der Arbeitskammern des Hydro-Aktuators, gleichzeitig direkt oder wechselweise über ein Steuermittel, beispielsweise ein hydraulische Mehrwegeventil, mit dem Hydro-Aktuator verbunden. Hydro-Aktuatoren sind als Axialkolben- oder als Drehkolben-Stellglieder bekannt. Bekannte Hydro-Drehstellglieder weisen einen Rotor und einen Stator auf, üblicherweise einen in einem Gehäuse (Stator) abgedichtet drehbar gelagerten Drehkolben (Rotor). Solche Hydro-Drehstellglieder weisen üblicherweise mindestens zwei Arbeitskammern auf, die von einem Ringspaltabschnitt zwischen dem Gehäuse und dem Drehkolben gebildet sind. Die Arbeitskammern werden radial von dem Gehäuse und dem Drehkolben und in Umfangsrichtung von Anschlägen des Gehäuses und einem Drehkolbenflügelfortsatz des Drehkolbens begrenzt, die sich radial erstrecken.
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Ein derartiges Hydro-Drehstellglied ist aus der Offenlegungsschrift
DE 102 10 756 A1 bekannt. Diese Schrift offenbart eine Drehkolbenvorrichtung mit einem zylindrischen Gehäuse, das mit Lagerdeckeln stirnseitig abgedichtet ist und in welchem ein kolbenwellengelagerter Drehkolben endlich in beide Drehrichtungen bis maximal zu einem drehfesten Anschlagkörper mit zwei seitlichen Anschlägen drehbar ist, wobei der Anschlagkörper im wesentlichen mediumdicht zwischen der Zylinderwand und der Kolbenwelle sowie bezüglich der Lagerdeckel angeordnet ist. Der Drehkolben weist einen sich radial erstreckenden Flügelfortsatz auf, der zusammen mit dem Anschlagkörper den Gesamthubraum in Abhängigkeit von der Stellung des Drehkolbens in zwei Arbeitskammern, einen Druck- und einen Saugraum aufteilt. Die beiden Arbeitskammern werden abwechselnd als Druck- und Saugraum verwendet, d. h. alternierend mit der Druck- und der Saugseite einer Hydro-Rotationspumpe, beispielsweise über ein hydraulisches Mehrwegeventil verbunden.
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Als nachteilig wird bei dieser bekannten hydraulischen Drehantriebvorrichtung angesehen, dass der Rotor innenliegend angeordnet ist und somit die Kopplung mit einem Hebelarm oder dergleichen einer externen Einrichtung erschwert ist, und dass die Hydro-Rotationspumpe indirekt über mindestens ein Umschaltventil mit den beiden Arbeitskammern des Hydro-Drehstellgliedes verbunden ist, was die maximale Oszillationsgeschwindigkeit des Drehkolbens mindert.
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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit vorzuschlagen, mit der die Ankopplung an den Rotor vereinfacht und die Oszillationsfrequenz des Rotors gesteigert wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Hydro-Drehoszillator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den rückbezogenen Ansprüchen zu entnehmen.
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Danach ist das Hydro-Drehstellglied ein Außenläufer. Erfindungsgemäß ist das Drehstellglied-Außenteil drehbar als Rotor und das Drehstellglied-Innenteil drehfest als Stator ausgebildet. Das Drehstellglied-Innenteil bildet eine unbewegliche Achswelle, die das Drehstellglied-Außenteil in Umfangsrichtung schwenkbeweglich trägt. Das Drehstellglied-Außenteil ist abgedichtet drehbar auf dem Drehstellglied-Innenteil gelagert und in zwei Drehrichtungen gegenüber dem Drehstellglied-Innenteil Anschlag begrenzt drehbar. Daraus ergibt sich ein konstruktiv einfacherer Aufbau des Hydro-Drehstellgliedes gegenüber dem Stand der Technik, mit einem verbesserten Zugang zu dem Rotor, indem das bewegliche Drehstellglied-Außenteil eine direkte mechanische Ankopplung einer externen Einrichtung an der Außenumfangsfläche ermöglicht. Dazu können dort geeignete Verbindungselemente, beispielsweise Gewindebuchsen oder Gewindestifte vorgesehen sein. Dies ermöglicht zudem eine in axialer Richtung kürzere Bauform, da die Ankopplung nicht neben dem Rotor erfolgen muss, wie es bei einem innenliegenden Drehkolben der Fall ist.
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Die den Hydro-Fluidstrom führenden Hydro-Verbindungsleitungen führen vorzugsweise zu dem drehfest angeordneten Drehstellglied-Innenteil, da diese dann biegestarr ausgeführt werden können. Die Verbindung von den Hydro-Verbindungsleitungen zu der mindestens einen ersten und zweiten Arbeitskammer des Hydro-Drehstellglieds erfolgt in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung über zwei sich axial in dem vollzylindrischen Drehstellglied-Innenteil erstreckende Haupt-Strömungskanäle, von denen aus sich jeweils Neben-Strömungskanäle zu einer der Arbeitskammern erstrecken. Die Haupt- und die Neben-Strömungskanäle sind beispielsweise als Bohrungen ausgebildet, wobei die Neben-Strömungskanäle quer zu den Haupt-Strömungskanälen, vorzugsweise senkrecht dazu verlaufen.
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Bei einer begünstigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hydro-Drehoszillators weist das mindestens eine Drehstellglied-Außenteil außen mindestens einen sich radial erstreckenden Außenteil-Fortsatz auf. Der Außenteil-Fortsatz vereinfacht die Verbindung einer durch den Hydro-Drehoszillator oszillierend zu bewegenden externen Einrichtung mit dem Drehstellglied-Außenteil. Zudem wird damit ein verlängerter Hebelarm zur Verfügung gestellt, der das ausgeübte Schwenkmoment wirkungsvoller überträgt. Die Wirkung ist abhängig von der Länge des Hebelarms.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist das Hydro-Drehstellglied eine dritte und eine vierte Arbeitskammer auf, die der ersten und der zweiten Arbeitskammer diametral gegenüber liegen. Durch die weiteren Arbeitskammern wird die Schwenkkraft des Hydro-Drehstellgliedes entsprechend vergrößert. Die dritte und die vierte Arbeitskammer sind mit der ersten bzw. zweiten Arbeitskammer direkt oder indirekt gekoppelt und vergrößern das Arbeitsvolumen des Hydro-Drehstellgliedes und damit sein Schwenkmoment. Prinzipiell können noch weitere Arbeitskammern paarweise in Umfangsrichtung des Hydro-Drehstellgliedes auf die dritte und vierte Arbeitskammer folgend angeordnet sein, sofern genügend Raum zur Verfügung steht. Auch in diesem Fall ist die Anordnung aller Arbeitskammern vorzugsweise symmetrisch. Die weiteren Arbeitskammern sind fluidtechnisch wie die dritte und die vierte Arbeitskammer mit der ersten bzw. zweiten Arbeitskammer gekoppelt.
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Vorzugsweise ist dabei die dritte und die vierte Arbeitskammer indirekt über zu den Haupt-Strömungskanälen führenden Neben-Strömungskanäle oder direkt über Zusatzquer-Strömungskanäle mit der ersten bzw. zweiten Arbeitskammer kreuzweise verbunden. Die Zusatzquer-Strömungskanäle verlaufen in axialer Richtung des Hydro-Drehstellgliedes längs versetzt zueinander und zu den Neben-Strömungskanälen und in der Regel geneigt zu den Neben-Strömungskanälen. Die vier Arbeitskammern des Hydro-Drehstellgliedes sind in Umfangsrichtung des Hydro-Drehstellglieds nacheinander angeordnet und entsprechend in der Beschreibung fortlaufend nummeriert. Unter kreuzweiser Verbindung der Arbeitskammern wird in diesem Zusammenhang verstanden, dass die erste und die dritte sowie die zweite und die vierte Arbeitskammer miteinander fluidtechnisch in Verbindung stehen. Das soll heißen, dass die erste und die dritte Arbeitskammer gleichzeitig druckbeaufschlagt sind, wenn die zweite und die vierte Arbeitskammer gemeinsam sogbeaufschlagt sind, oder umgekehrt.
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Natürlich kann das Drehstellglied-Innenteil, abhängig von seiner Länge und der des Drehstellglied-Außenteils, mehrere Drehstellglied-Außenteile drehbeweglich nebeneinander aufnehmen. Die vorhandenen Drehstellglied-Außenteile können dabei jeweils über eine eigene Hydro-Rotationspumpe mit einem Hydro-Fluidstrom versorgt werden, so dass die Drehstellglied-Außenteile unabhängig voneinander in den zwei möglichen Drehrichtungen drehbar sind. Alternativ können zwei oder mehr Drehstellglied-Außenteile über eine gemeinsame Hydro-Rotationspumpe mit einem Hydro-Fluidstrom versorgt werden. Die Bewegung der über die gemeinsame Hydro-Rotationspumpe angetriebenen Drehstellglied-Außenteile erfolgt in diesem Fall durch die fluidtechnische Kopplung synchron.
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Bevorzugt wird eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hydro-Drehoszillators, bei dem das Hydro-Drehstellglied ein Drehstellglied-Innenteil und mindestens zwei nebeneinander angeordnete Drehstellglied-Außenteile aufweist, wobei sich mindestens ein Drehstellglied-Außenteil phasenversetzt, vorzugsweise entgegengesetzt zu dem mindestens einen anderen Drehstellglied-Außenteil bewegt. Dies kann durch geeignete Ansteuerung der Arbeitskammern über mehrere steuerbaren Hydraulikventile und/oder über entsprechende Hydraulik-Drosseln erreicht werden. Falls notwendig, kann das gemeinsame Drehstellglied-Innenteil weitere Haupt-Strömungskanäle aufweisen.
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Bevorzugt wird in diesem Zusammenhang ein Hydro-Oszillator, mit einem Hydro-Drehstellglied, das ein Drehstellglied-Innenteil und drei nebeneinander angeordnete Drehstellglied-Außenteile aufweist, wobei das mittlere der drei Drehstellglied-Außenteile stets in entgegengesetzter Richtung der beiden äußeren Drehstellglied-Außenteile bewegt. Idealerweise führen dabei zu dem Hydro-Drehstellglied nur zwei Hydro-Verbindungsleitungen, die abwechselnd druck- bzw. sogbeaufschlagt werden. Dies kann prinzipiell auch mit vier Hydro-Verbindungsleitungen erreicht werden, die zu vier Haupt-Strömungskanälen des Drehstellglied-Innenteils führen. Die zwei äußeren Drehstellglied-Außenteile sind dann gemeinsam an ein erstes Paar der Haupt-Strömungskanäle und das mittlere Drehstellglied-Außenteil an die zwei anderen Haupt-Strömungskanäle angeschlossen. Vorzugsweise weist das Drehstellglied-Innenteil nur zwei Haupt-Strömungskanäle auf, an die alle Arbeitskammern angeschlossen sind. Dadurch ist die Bewegung aller drei Drehstellglieder-Außenteile zwangsläufig vorgegeben.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Arbeitskammern von sich phasenversetzt bewegenden Drehstellglied-Außenteilen gegensinnig und die Arbeitskammern von sich phasengleich bewegenden Drehstellglied-Außenteilen gleichsinnig mit den Haupt-Strömungskanälen verbunden. Damit sind die Arbeitskammern der sich phasengleich bewegenden Drehstellglied-Außenteile fluidtechnisch direkt parallel zueinander geschaltet, während die Arbeitskammern der sich phasenversetzt bewegenden Drehstellglied-Außenteilen vorzugsweise kreuzweise mit den Haupt-Strömungskanälen verbunden sind. In diesem Fall genügen zwei Hydro-Verbindungsleitungen zu dem Hydro-Drehstellglied und entsprechend zwei Haupt-Strömungskanäle in dem Drehstellglied-Innenteil. Es ist selbstverständlich dass die Neben-Strömungskanäle sowie gegebenenfalls die Zusatzquer-Strömungskanäle für das jeweilige Drehstellglied-Außenteil in Längsrichtung des Hydro-Drehstellgliedes versetzt zueinander angeordnet sind und sich dem zufolge räumlich nicht im Wege stehen.
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Vorzugsweise sind die Steuermittel, die den Hydro-Fluidstrom zu dem Hydro-Drehstellglied steuern und beim Stand der Technik üblicherweise als eigenständige Hydro-Ventile ausgebildet und abgesetzt von der Hydro-Pumpe angeordnet sind, in die Hydro-Rotationspumpe integriert. Damit ist eine sichere und schnelle Umschaltung zwischen der Druck- und der Sogbeaufschlagung der Hydro-Verbindungsleitungen bzw. der Haupt-Strömungskanäle möglich. Zudem ist der Aufbau des erfindungsgemäßen Hydro-Drehoszillators vereinfacht und weniger störanfällig. Die Steuermittel können beispielsweise hydrodruckbesteuerte Ventile sein.
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Bei einer einfachen und zweckmäßigen Variante der Erfindung ist der von der Hydro-Rotationspumpe ausgehende Hydro-Fluidstrom oszillierend. Damit sind keine zusätzlichen Steuermittel zur Umkehr der Richtung des Hydro-Fluidstroms in den Hydro-Verbindungsleitungen zu dem Hydro-Drehstellglied erforderlich. Dies führt zu einer hohen Funktionssicherheit und zu einer Kostenreduzierung des vorgeschlagenen Hydro-Drehoszillators. Bei dem zyklisch oszillierenden Hydro-Fluidstrom weist die Druck- und die Sog-Amplitude günstigerweise über die Zeit einen sinusförmigen Anstieg oder Abfall auf. Damit treten keine schlagartigen Abbremsungen oder Beschleunigungen des mindestens einen von dem Hydro-Fluidstrom angetriebenen Drehstellglied-Außenteils auf. Dies ist besonders vorteilhaft bei der Drehrichtungsumkehr des Drehstellglied-Außenteils und ermöglicht somit hohe Oszillationsfrequenzen des Drehstellglied-Außenteils.
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Ein derartiger oszillierender Hydro-Fluidstrom kann beispielsweise mit einer aus der Druckschrift
DE 20 2008 013 877 U1 bekannten Hydro-Rotationspumpe erzeugt werden, die einen kugelabschnittförmigen, mit einem Hydro-Fluid gefüllten Hohlraum mit einer kreisförmigen Hohlraumbodenplatte aufweist. In dem Hohlraum ist ein rotierend angetriebenes Kugelsegment angeordnet, das vorzugsweise als Halbkugel ausgebildet ist. Das Kugelsegment weist einen ebenen Kugelsegmentboden und eine sphärische Kugelsegmentkappe auf. Die Hohlraumbodenplatte und der Kugelsegmentboden sind in einem Winkel zueinander angeordnet und begrenzen einen kugelkeilförmigen Zwischenraum zwischen der Hohlraumbodenplatte und dem Kugelsegmentboden. Das Kugelsegment weist dabei eine Rotationsachse auf, die sich senkrecht zu der Hohlraumbodenplatte und geneigt gegenüber der zentralen Mittelachse des Kugelsegments erstreckt und mit dem Mittelpunkt der Hohlraumbodenplatte fluchtet. Der kugelkeilförmige Zwischenraum ist durch einen zwischen der Hohlraumbodenplatte und dem Kugelsegmentboden beweglich angeordnete Pendelplatte in zwei Arbeitskammern unterteilt. Die Pendelplatte ist mittig rechtwinklig in die Hohlraumbodenplatte eingelassen und berührt den Kugelsegmentboden mit einer Anlagekante, wobei die Pendelplatte um einen virtuellen Drehpunkt in der Mitte der Anlagekante schwenkbar ist. Beidseitig der Pendelplatte sind in der Hohlraumbodenplatte Durchtrittskanäle für das Hydro-Fluid vorgesehen. Diese ermöglichen den Transport des Hydro-Fluids aus den bzw. in die Arbeitskammern des Zwischenraumes zwischen der Hohlraumbodenplatte und dem Kugelsegmentboden. Das Kugelsegment rotiert mit einstellbarer Geschwindigkeit in dem kugelabschnittförmigen Hohlraum mit Abstand zu der Hohlraumbodenplatte, wobei die Pendelplatte stets am Kugelsegmentboden über die gesamte Länge ihre Anlage dichtend in Anlage ist. Die Rotation des Kugelsegmentes bewirkt einen oszillierenden Hydro-Fluidstrom in einem geschlossenen hydraulischen System, wie es beispielsweise von der Hydro-Rotationspumpe, den Hydro-Verbindungsleitungen und dem Hydro-Drehstellglied des erfindungsgemäßen Hydro-Oszillators gebildet ist.
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Bevorzugt wird die Verwendung von zwei derartigen Hydro-Rotationspumpen für den erfindungsgemäßen Hydro-Drehoszillator, wobei die zwei Hydro-Rotationspumpen zueinander und zu dem Hydro-Drehstellglied parallel geschaltet sind. Damit können Menge und Druck des Hudro-Fluidstroms in dem zu dem Hydro-Drehstellglied führenden Hydro-Verbindungsleitungen variabel eingestellt werden.
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Zur Einstellung des Hydro-Fluidstroms kann die Phasenlage der rotierenden Kugelsegmente der beiden Hydro-Rotationspumpen zueinander, vorzugsweise zwischen 0° und 180° verändert werden. Laufen die beiden Kugelsegmente phasengleich, so ist die Fördermenge und der Druck des Hydro-Fluidstroms in den Hydro-Verbindungsleitungen zu dem Hydro-Drehstellglied maximal, laufen die Kugelsegmente um 180° phasenversetzt zueinander, so sind diese minimal. Bei einer anderen Phasenlage der Kugelsegmente zueinander variiert der jeweilige Wert zwischen dem Maximal- und dem Minimalwert. Bei zwei in der Leistung identischen Hydro-Rotationspumpen ist der Minimalwert gleich Null. Der Maximalwert ist durch die Dreh-Anschläge des Drehstellglied-Innenteils und des Drehstellglied-Außenteils begrenzt. Damit kann der Schwenkwinkel des mindestens einen Drehstellglied-Außenteils gegenüber dem Drehstellglied-Innenteil zwischen null Grad und dem von den Dreh-Anschlägen bestimmten Gradwert festgelegt werden. Die Schwenkfrequenz wird dabei lediglich von der Oszillationsfrequenz des Hydro-Fluidstroms und damit von der Rotationsgeschwindigkeit der Hydro-Rotationspumpe vorgegeben, wobei die Rotationsgeschwindigkeit der Hydro-Rotationspumpe an sich in einem weiten Umfang frei einstellbar ist.
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In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn die beiden Hydro-Rotationspumpen eine gemeinsame Antriebseinheit mit einem Antriebsmotor aufweisen und die Antriebsachsen der Kugelsegmente der Hydro-Rotationspumpen über eine Phasenverstelleinrichtung miteinander gekoppelt sind, die geeignet konfiguriert ist, die Stellung der Antriebsachsen zueinander in entgegengesetzter Richtung synchron einzustellen. Dabei ist die Antriebswelle des Antriebsmotors über eine Antriebskette oder einen Antriebsriemen mit den Antriebsachsen der Kugelsegmente verbunden. Die Phasenverstelleinrichtung kann einen selbsthemmenden Antrieb oder eine arretierende Einrichtung aufweisen, so dass nach der Einstellung der Phasenlage der beiden Kugelsegmente zueinander ein unbeabsichtigtes Verstellen der Phasenlage ausgeschlossen ist. Die Phasenverstelleinrichtung kann anstelle eines einzigen Einstellelementes, das gleichzeitig auf die beiden Kugelsegmente einwirkt, natürlich auch zwei voneinander getrennte Einstellelemente aufweisen, mit denen die Phasenlage der Kugelsegmente unabhängig voneinander einander gegenüber einstellbar ist. Die Verstellung der Phasenlage erfolgt dabei vorzugsweise durch Verdrehen der Antriebsachse mindestens eines Kugelsegmentes. Bei eingestellter Phasenverstelleinrichtung treibt der gemeinsame Antrieb der beiden Hydro-Rotationspumpen die beiden Kugelsegmente unter Beibehaltung des gewählten Phasenversatzes synchron in gleicher Drehrichtung an, wobei die Drehrichtung frei wählbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des vorgeschlagenen Hydro-Drehoszillators weist die Phasenverstelleinrichtung der Antriebseinheit vier Umlenkstellen auf, die an dem Antriebsmotor, an den Hydro-Rotationspumpen und an mindestens einer zusätzlichen um eine Drehachse drehbare Umlenkwalze angeordnet sind, wobei jeweils der Antriebsmotor und eine Umlenkwalze oder zwei Umlenkwalzen und die beiden Hydro-Rotationspumpen einander gegenüberliegend angeordnet sind. Die Phasenverstelleinrichtung der Antriebseinheit weist vier Umlenkrollen für die Antriebskette oder den Antriebsriemen auf, die die Antriebskette oder den Antriebsriemen kreuzförmig führen, wobei die vier Umlenkrollen nahe den Hydro-Rotationspumpen ortsfest angeordnet sind. Dabei sind der Antriebsmotor und die eine Umlenkwalze oder die beiden Umlenkwalzen von einem Schiebeschlitten getragen, der senkrecht gegenüber einer gedachten Verbindungslinie der beiden Hydro-Rotationspumpen längs verschiebbar geführt ist. Die kreuzförmige Führung ermöglicht erst, dass der Umlaufweg der Antriebskette bzw. des Antriebsriemens um Antriebsachsen der Kugelsegmente, die Antriebswelle des Antriebsmotors und die Drehachse der Umlenkwalze beim Verschieben des Schiebeschlittens in der Länge gleichbleibend ist, sodass auf eine aufwändige Ketten-Spannvorrichtung unnötig ist.
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Der als Außenläufer konzipierte erfindungsgemäße Hydro-Drehoszillator weist gegenüber dem Stand der Technik einen einfacheren Aufbau und eine verbesserte Zugänglichkeit zu dem Rotor auf. Insbesondere können beliebige externe Einrichtungen besonders einfach mit dem Rotor, d. h. mit dem Drehstellglied-Außenteil außen gekoppelt werden. Zudem besteht die Möglichkeit, das in zwei Drehrichtungen drehbare Drehstellglied-Außenteil an seiner Außenumfangsfläche mit einem sich radial nach außen erstreckenden, einen Hebelarm bildenden Außenteil-Fortsatz ausbilden, an der die externe Einrichtung befestigt werden kann. Das Drehstellglied-Außenteil kann dabei temporär um einen gewünschten Schwenkwinkel drehend temporär hin oder her geschwenkt oder kontinuierlich oszillierend bewegt werden, indem der Hydro-Fluidstrom zu dem Hydro-Drehstellglied entsprechend gesteuert wird. Im ersten Fall kann ein solcher Hydro-Drehoszillator beispielsweise in einer Ruderanlage eines Luft- oder Seefahrzeuges eingesetzt werden, im zweiten Fall beispielsweise als oszillierender Antrieb für eine Schubstange einer beliebigen Maschine. Weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass der Hydro-Drehoszillator mit mehreren Drehstellglied-Außenteilen ausgebildet werden kann, die von einem gemeinsamen Drehstellglied-Innenteil mit oder ohne seitlichen Abstand zueinander getragen werden. Damit können mit einem einzigen Hydro-Drehoszillator eine entsprechende Anzahl von externen Einrichtungen phasengleich oder phasenversetzt betätigt werden. In Verbindung mit zwei geeigneten parallel zueinander und zu dem Hydro-Drehstellglied geschalteten Hydro-Rotationspumpen, die über einen gemeinsamen Antriebsmotor verfügen und über eine Phasenverstelleinrichtung der vorstehend beschriebenen Art gekoppelt sind und, kann sowohl die Schwenkfrequenz des mindesten einen Drehstellglied-Außenteils, wie auch dessen Schwenkwinkel gesteuert werden. Ein derart gesteuerter Hydro-Drehoszillator eignet sich beispielsweise als Flossenantrieb für ein Wasserfahrzeug, wenn eine Flosse an den Außenteil-Fortsatz des Drehstellglied-Außenteils befestigt oder angeformt wird. Dabei hat sich insbesondere ein Hydro-Drehoszillator mit drei Drehstellglied-Außenteilen und jeweils daran angeformten Flossen als besonders günstig erwiesen, bei dem sich das mittlere der drei Drehstellglied-Außenteile mit Flosse stets entgegengesetzt zu den beiden äußeren Drehstellglied-Außenteilen mit Flosse bewegt. Idealerweise sind dabei die beiden äußeren Flossen in der Fläche bzw. Größe gleich, während die mittlere Flosse diesen gegenüber deutlich größer, idealerweise doppelt so groß ausgebildet ist, d. h. die mittlere Flosse weist dabei ein Fläche bzw. Größe auf, wie die beiden äußeren Flossen zusammen. Zweckmäßig ist es in diesem Fall außerdem, zwischen den Drehstellglied-Außenteilen mit Flosse Trennwände vorzusehen, so dass die von einer der Flossen ausgehenden Wasser-Verwirbelungen nicht auf die anderen Flossen einwirken bzw. die von diesen erzeugten Wasser-Verwirbelungen beeinflussen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert. Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit den Ansprüchen und der beigefügten Zeichnung. Die einzelnen Merkmale der Erfindung können jeweils für sich allein oder zu mehreren bei unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung verwirklicht sein. Es zeigen:
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1 einen erfindungsgemäßen Hydro-Drehoszillator, mit einer Hydro-Rotationspumpe und mit einem Hydro-Drehstellglied mit zwei Arbeitskammern in zwei Drehstellungen (1a, 1b);
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2 eine Variante des Hydro-Drehstellglieds aus 1, die vier Arbeitskammern mit unterschiedlicher Anbindung an die Hauptströmungskanäle aufweist (2a, 2b);
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3 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hydro-Drehoszillators, mit einem Hydro-Drehstellglied mit einem Drehstellglied-Innenteil und drei darauf angeordneten Drehstellglied-Außenteilen in Draufsicht in Draufsicht (3a) und Seitenansicht (3b);
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4 die Hydro-Rotationspumpe aus 1, in einer vergrößerten Darstellung;
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5 eine dritte Variante des erfindungsgemäßen Hydro-Drehoszillators, mit zwei parallel geschalteten Hydro-Rotationspumpen, mit unterschiedlichen Drehstellungen des rotierenden Kugelsegments (5a, 5b); und
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6 eine Phasenverstelleinrichtung zur Einstellung des Phasenversatzes der Kugelsegmente der beiden zueinander parallel geschalteten Hydro-Rotationspumpen mit unterschiedlicher Stellung der Phasenverstelleinrichtung (6a, 6b).
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Die 1a, 1b zeigen eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hydro-Drehoszillators 1, mit einer Hydro-Rotationspumpe 2 und einem Hydro-Drehstellglied 3, die über zwei Hydro-Verbindungsleitungen 4, 4' miteinander verbunden sind. Das Hydro-Drehstellglied 3 weist zwei Arbeitskammern 5, 5' auf, die sich als Ringspalt zwischen einem vollzylindrischen Drehstellglied-Innenteil 6 und einem hohlzylindrischen Drehstellglied-Außenteil 7 erstrecken. Das Drehstellglied-Außenteil 7 ist dichtend auf dem Drehstellglied-Innenteil 6 angeordnet und gegenüber diesem in zwei Drehrichtungen begrenzt drehbar. Dazu weist das Drehstellglied-Außenteil 7 eine sich radial nach innen erstreckende sich mitdrehende Drehstellgliedwand 8 und das Drehstellglied-Innenteil 6 beidseitig der Drehstellgliedwand 8 jeweils eine Querwand 9, 9' auf, die die beiden Arbeitskammern 5, 5' in Umfangsrichtung begrenzen. Die 1a und 1b zeigen den Hydro-Drehoszillator 1 in unterschiedlichen Drehstellungen. Für die weitere Beschreibung wird die in Umfangsrichtung links der Drehstellgliedwand 8 angeordnete Arbeitskammer 5 als erste und die rechts der Drehstellgliedwand 8 befindliche als zweite Arbeitskammer 5' bezeichnet.
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Der erfindungsgemäße Hydro-Drehoszillator 1 weist generell ein geschlossenes Hydraulik-System auf. Zur Linksdrehung des Drehstellglied-Außenteils 7 wird die erste Arbeitskammer 5 druckbeaufschlagt und die zweite Arbeitskammer 5' gleichzeitig sogbeaufschlagt. Der Hydro-Fluidstrom fließt somit hin zu der ersten Arbeitskammer 5 und weg von der zweiten Arbeitskammer 5. Zur Rechtsdrehung des Drehstellglied-Außenteils 7 gegenüber dem Drehstellglied-Innenteil 6 wird die Fließrichtung des Hydro-Fluidstroms umgekehrt. Dabei ändern die Arbeitskammern 5, 5' ihre Größe entsprechend. Die Hydro-Verbindungsleitungen 4, 4', die die Hydro-Rotationspumpe 2 mit dem Hydro-Drehstellglied 3 verbinden, führen zu Haupt-Strömungskanälen 10, 10', die sich in dem Drehstellglied-Innenteil 6 in axialer Richtung erstrecken. Von dem Hauptströmungskanal 10 und 10' führt jeweils ein Neben-Strömungskanal 11 bzw. 11' zu den Arbeitskammern 5 oder 5'.
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Die Hydro-Rotationspumpe 2 weist zwei nebeneinander angeordnete voneinander getrennte Pumpenkammern 12, 12' auf, von denen die Hydro-Verbindungsleitungen 4, 4' ausgehen. Dabei wirkt jeweils abwechselnd eine der Pumpenkammern 12, 12' als Sog- und die andere als Druckkammer. Die genaue Funktionsweise der Hydro-Rotationspumpe 2 wird anhand der 4 später näher erläutert. Wie den 1a, 1b zu entnehmen ist, ändern die Pumpenkammern 12, 12' zyklisch ihre Größe. Damit geht von der Hydro-Rotationspumpe 2 ein Hydro-Fluidstrom aus, der oszillierend ist. Dabei ist die Pumpenkammer 12 mit der Arbeitskammer 5 und die Pumpenkammer 12 mit der Arbeitskammer 5' verbunden. In der 1a wirkt die Pumpenkammer 12 als Druckkammer und die Pumpenkammer 12' als Saugkammer 5. In der 1b ist dies umgekehrt.
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Die 2a, 2b zeigen zwei Varianten des in der Figur dargestellten Hydro-Drehstellgliedes 3. Das abgebildete Hydro-Drehstellglied 3 weist in Umfangsrichtung neben den Arbeitskammern 5, 5' zwei weitere Arbeitskammer 13, 13' auf, die in der weiteren Beschreibung als dritte Arbeitskammer 13 und als vierte Arbeitskammer 13' bezeichnet werden. Die dritte Arbeitskammer 13 liegt der ersten Arbeitskammer 5 und die vierte Arbeitskammer 13' der zweiten Arbeitskammer 5' diametral gegenüber und sind jeweils fluidtechnisch miteinander verbunden. Das Hydro-Drehstellglied 3 weist außerdem einen sich außen radial erstreckenden Außenteil-Fortsatz 14 auf, der an das Drehstellglied-Außenteil 7 angeformt ist. An dem Außenteil-Fortsatz 14 ist eine externe Einrichtung 15 in Form eines Flügels oder einer Flosse befestigt. Prinzipiell kann die externe Einrichtung 15 auch integral mit dem Außenteil-Fortsatz 14 ausgebildet sein.
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In der 2a sind die Arbeitskammern 5, 5' und die Arbeitskammern 13, 13' jeweils indirekt miteinander und über Neben-Strömungskanäle 11, 11' mit den Haupt-Strömungskanälen 10, 10' verbunden, wobei die Neben-Strömungskanäle 11, 11' zu den Arbeitskammern 13, 13' in axialer Richtung des Hydrostellglied-Innenteil 6 mit Abstand zu den Arbeitskammern 5, 5' führenden Neben-Strömungskanälen 11, 11' angeordnet sind. In der 2b sind die Arbeitskammern 5, 5' jeweils über Neben-Strömungskanäle 11, 11' mit den Haupt-Strömungskanälen 10, 10' verbunden, während die Arbeitskammern 13, 13' direkt über Zusatzquer-Strömungskanäle 16, 16' mit den Arbeitskammern 5, 5' verbunden sind. Die Zusatzquer-Strömungskanäle 16, 16' verlaufen in axialer Richtung versetzt zu den Neben-Strömungskanälen 11, 11' und können parallel oder geneigt zu diesen angeordnet sein.
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Die 3a, 3b zeigen eine weitere Ausführungsform des Hydro-Drehstellgliedes 3 eines erfindungsgemäßen Hydro-Drehoszillators 1. Das Hydro-Drehstellglied 3 weist ein Drehstellglied-Innenteil 6 und drei nebeneinander angeordnete Drehstellglied-Außenteile 7, 7', 7'' auf. Die Drehstellglied-Außenteile 7, 7', 7'' entsprechen in der Form dem in der 2 dargestellten Drehstellglied-Außenteil 7 und sind mit entsprechenden Außenteil-Fortsätzen 14, 14', 14'' versehen. Jedes der drei Drehstellglied-Außenteile 7, 7', 7'' ist entsprechend der 3 mit vier Arbeitskammern 5, 5', 13, 13' ausgebildet, die in gleicher Weise wie dort miteinander und den beiden Haupt-Strömungskanälen 10, 10' verbunden sind. Dabei bewegen sich die beiden äußeren Drehstellglied-Außenteile 7', 7'' phasengleich und jeweils in gleicher Richtung, während das mittlere Drehstellglied-Außenteil 7 sich phasenversetzt entgegengesetzt zu den beiden anderen Drehstellglied-Außenteilen 7', 7'' bewegt. Die Bewegung ist zwangsläufig. Dies wird dadurch erreicht, dass die Arbeitskammern 5, 5', 13, 13' des mittleren Drehstellglied-Außenteils 7 in umgekehrter Weise, d. h. kreuzweise mit den Haupt-Strömungskanälen 10, 10' verbunden sind, wie es bei den beiden äußeren Drehstellglied-Außenteilen 7', 7'' der Fall ist. Die beiden äußeren Drehstellglied-Außenteile 7', 7'' sind in gleicher Weise mit den Haupt-Strömungskanälen 10. 10' verbunden, d. h. fluidtechnisch parallel geschaltet.
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In der 4 ist die Hydro-Rotationspumpe 2 aus 1 vergrößert gezeigt. Die Hydro-Rotationspumpe 2 ist zum Erzeugen eines oszillierenden Hydro-Fluidstromes ausgebildet und weist einen kugelabschnittsförmigen Hohlraum 17 auf, der eine kreisförmige Hohlraumbodenplatte 18 und eine sphärische Hohlraumkappe 19 aufweist. In dem Hohlraum 17 ist ein rotierend angetriebenes Kugelsegment 20 in Form einer Halbkugel, mit einem Kugelsegmentboden 21 und einer ebenfalls sphärischen Kugelsegmentkappe 22, angeordnet. Der Kugelsegmentboden 21 und die Hohlraumbodenplatte 18 sind geneigt zueinander ausgerichtet und weisen einen Abstand zueinander auf. Sie begrenzen einen kugelkeilförmigen Zwischenraum 23 auf gegenüberliegenden Seiten. Damit ist das Kugelsegment 20, das geringfügig kleiner als der kugelabschnittförmige Hohlraum 17 ausgebildet ist, in dem Hohlraum 17 geneigt angeordnet.
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Das Kugelsegment 20 weist eine gegenüber der zentralen Mittelachse 24 um wenige Winkelgrade geneigte Rotationsachse 25 auf, die mit dem Mittelpunkt 26 der Hohlraumbodenplatte 18 fluchtet und die sich senkrecht zu der Hohlraumbodenplatte 18 erstreckt. Die Neigung der Rotationsachse 25 bezüglich der Mittelachse 24 beträgt dabei typisch zwischen 1 und 10 Grad. In der Hohlraumbodenplatte 18 ist eine Pendelplatte 27 mittig rechtwinklig eingelassen, die an dem Kugelsegmentboden 21 mit einer Anlagekante 28 dichtend in Anlage gehalten ist. Die Pendelplatte 27 ist als Halbkreisscheibe ausgeführt und in einer komplementär ausgebildeten Aufnahmenut 29 aufgenommen, wobei die Pendelplatte 27 am halbkreisförmigen Umfang verschiebbar geführt ist. Das Schwenken der Pendelplatte 27 um einen virtuellen Schwenkpunkt 30 erfolgt beim Drehen des Kugelsegments 20 durch den Kugelsegmentboden 21, der abhängig von der Stellung des Kugelsegments 20 in dem Hohlraum 17 Druck auf die eine oder die andere Hälfte der Anlagekante 28 der Pendelplatte 27 ausübt.
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Die Hohlraumbodenplatte 18 weist außerdem Durchtrittskanäle 31, 31' für ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Fluid auf, die beidseitig der Pendelplatte 27 angeordnet sind. Die Durchtrittskanäle 31, 31' dienen zum oszillierenden Transport des Fluids aus dem bzw. in den Zwischenraum 23 zwischen der Hohlraumbodenplatte 18 und dem Kugelsegmentboden 21, der durch die Pendelplatte 27 in zwei Pumpenkammern 12, 12' unterteilt ist. Die beiden Pumpenkammern 12, 12' beaufschlagen das Fluid in abwechselnder Folge mit Druck oder Sog, wenn das Kugelsegment 20 in dem Hohlraum 17 rotiert, wobei die beiden Durchtrittskanäle 31, 31' abwechselnd als Eintritts- und Austrittskanäle wirken. Die Hydro-Rotationspumpe 2 weist eine gegenüber dem Hohlraum 17 abgedichtete Antriebsachse 32 für das Kugelsegment 20 auf, die in Verlängerung der Rotationsachse 25 auf der dem Kugelsegmentboden 21 gegenüberliegenden Seite der Kugelsegmentkappe 22 angeordnet ist. Die Antriebsachse 32 des Kugelsegments 20 kann mit einer Antriebswelle eines beliebigen Motors gekoppelt werden.
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Die 5 zeigt in den 5a, 5b den in den 1a, 1b abgebildeten Hydro-Drehoszillator 1, jedoch mit zwei Hydro-Rotationspumpen 2, 2'. Die beiden Hydro-Rotationspumpen 2, 2' sind zueinander und zu dem Hydro-Drehstellglied 3 parallel geschaltet. Sie weisen eine gemeinsame Antriebseinheit 33 auf, die in der 6 in Draufsicht abgebildet ist. Die Antriebseinheit 33 weist einen Antriebsmotor 34 auf, dessen Antriebswelle 35 über eine Antriebskette oder einen Antriebsriemen 36 mit den Antriebsachsen 32 der Kugelsegmente 20 der Hydro-Rotationspumpen 2, 2' verbunden ist. Die Antriebseinheit 33 beinhaltet außerdem eine Phasenverstelleinrichtung 37 zur synchronen Einstellung der Stellung der Antriebsachsen 32 der Hydro-Rotationspumpen 2, 2' zueinander. Die Phasenverstelleinrichtung 37 ist mit der Antriebskette bzw. mit dem Antriebsriemen 36 gekoppelt und bewegt die Antriebsachsen 32 der Kugelsegmente 20 zueinander in entgegengesetzter Drehrichtung.
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Die Phasenverstelleinrichtung 37 weist, wie aus der 6 ersichtlich. zudem vier Umlenkrollen 38 für die Antriebskette bzw. den Antriebsriemen 36 sowie eine zusätzliche Umlenkwalze 39 für diesen auf, die die Antriebskette bzw. den Antriebsriemen 36 zusammen mit den Antriebsachsen 32 der Kegelsegmente 20 und der Antriebswelle 35 des Antriebsmotors 34 kreuzförmig führen. Dabei sind jeweils der Antriebsmotor 34 und die Umlenkwalze 39 sowie die beiden Hydro-Rotationspumpen 2, 2' einander gegenüberliegend angeordnet, wobei der Antriebsmotor 34 und die Umlenkwalze 39 von einem Schiebeschlitten 40 getragen sind, der senkrecht gegenüber einer gedachten Verbindungslinie der beiden Hydro-Rotationspumpen 2, 2' längs verschiebbar geführt ist. Die vier Umlenkrollen 38 sind paarweise jeweils nahe einer der Hydro-Rotationspumpen 2, 2' ortsfest angeordnet. Prinzipiell ermöglicht die Verwendung von zwei Umlenkwalzen 39 anstelle von einer Umlenkwalze 39 und dem Antriebsmotor 34 als Umlenkstellen des Schiebeschlittens 40 einen einfacheren Aufbau der Phasenverstelleinrichtung 37, da keine elektrischen Anschlussleitungen beim Verfahren des Scheibeschlittens 40 mitbewegt werden müssen.
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Alternativ kann der Antriebsmotor 34 auch an einer geeigneten anderen Stelle der Antriebseinheit 33 angeordnet sein. In diesem Fall ist an der in der in der 5 vom Antriebsmotor 34 gebildeten Umlenkstelle, anstelle des Antriebsmotors 34 eine zweite Umlenkwalze 39 angeordnet. Diese Ausführungsform ist in der Zeichnung nicht dargestellt.
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Die 6a, 6b zeigen den Schiebeschlitten 40 der Phasenverstelleinrichtung 37 in zwei unterschiedlichen Stellungen. In der 6a sind die Drehachsen 32 der Hydro-Rotationspumpen 2, 2' gleich und in der 6b spiegelbildlich zueinander ausgerichtet, wobei sich der Schiebeschlitten 40 in unterschiedlichen Stellungen gegenüber der Antriebseinheit 33 befindet. In jeder Stellung des Schiebeschlittens 40 bewegt die Antriebskette bzw. der Antriebsriemen 36 die beiden Drehachsen 32 der Kugelsegmente 20 synchron miteinander in derselben Drehrichtung. Bei der in der 6a gezeigten Ausrichtung der Antriebsachsen 32 wird der gesamte Hydro-Fluidstrom oszillierend zu dem Hydro-Drehstellglied 3 geleitet, in der in der 6b dargestellten Ausrichtung oszilliert der Fluidstrom lediglich zwischen den beiden Hydro-Rotationspumpen 2, 2'. Dies bedeutet, dass im ersten Fall bei dem Hydro-Drehstellglied 3 das Drehstellglied-Außenteil 7, 7', 7'' in Umfangsrichtung maximal geschwenkt und im zweiten Fall nicht bewegt wird. In einer Zwischenstellung des Schiebeschlittens 40 zwischen den beiden in den 6a, 6b gezeigten Stellungen oszilliert der Hydro-Fluidstrom sowohl zwischen den Hydro-Rotationspumpen 2, 2' wie auch zwischen den Hydro-Rotationspumpen 2, 2' und dem Hydro-Drehstellglied 3. Die Aufteilung des Hydro-Fluidstroms ist von der Stellung der Antriebsachsen 32 und damit der Kugelsegmente 20 der Hydro-Rotationspumpen 2, 2' einander gegenüber abhängig.
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Durch den oszillierenden Fluidstrom wird das Drehstellglied-Außenteil 7, 7', 7'' des Hydro-Drehstellgliedes 3 zyklisch bewegt, d. h. hin- und hergeschwenkt. Die Bewegungsgeschwindigkeit und damit die Frequenz mit der sich das mindestens eine Drehstellglied-Außenteil 7, 7', 7'' bewegt, ist von der Rotationsgeschwindigkeit der Antriebswelle 35 des Antriebsmotors 34 abhängig. Diese kann an sich beliebig eingestellt werden und wird zudem von der Übersetzung der Antriebswelle 35 zu den Antriebsachsen 32 der Hydro-Rotationspumpen 2, 2' beeinflusst.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10210756 A1 [0003]
- DE 202008013877 U1 [0018]
