DE2107653A1 - Telescopic piston cylinder device for hydraulic machines and machine parts - Google Patents
Telescopic piston cylinder device for hydraulic machines and machine partsInfo
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Description
Dipl.-ing. Hens W. fVienir M
D'p\.-r-hc:ri:. Cr tr--..: ;··ιΟΓ-Dipl.-ing. Hens W. fVienir M
D'p \ .- r-hc: ri :. Cr tr - ..: ; ·· ιΟΓ-
S/N 16-1S / N 16-1
New-Invent S. A., 6, Rue Beilot, Genf/SchweizNew-Invent S. A., 6, Rue Beilot, Geneva / Switzerland
"Teleskopische KoIben-Zylinder-Vorrichtung für hydraulische Maschinen und Maschinenteile"."Telescopic piston-cylinder device for hydraulic Machines and machine parts ".
Die Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Druckmediummaschinen oder Maschinenteile, insbesondere hydraulische Kolbenmaschinen, wie etwa Axial- und Radialkolbenmaschinen aber auch auf Maschinen, die mit gasförmigen Medien arbeiten, wie etwa pneumatische Maschinen und solche Maschinenteile, wie hydraulische und pneumatische Gelenkverbindungen od. dgl. JThe invention relates generally to print media machines or machine parts, in particular hydraulic piston machines, such as axial and radial piston machines, for example, but also machines that work with gaseous media work, such as pneumatic machines and such machine parts as hydraulic and pneumatic articulated connections or the like J
Bei hydraulischen Kolbenmaschinen, insbesondere Axialkolbenmaschinen wird der auf den Kolben wirkende Arbeltsdruck normalerweise auf die Antriebswelle der Maschine oder einen mit der Antriebswelle verbundenen Bauteil mit liilfe einer Kolbenstange oder einem entsprechenden Maschinenteil übertragen. Bei einer üblichen Kolbenbewegung der infragekommenden Art führt der die Kraft übertragende Teil eine klare Winkelbewegung im Verhältnis zum Kolben durch. Die Schräglage des Teiles während des die Kraft übertragenden Zeitraumes bringt seitliche Kräfte und Kippbelastungen auf den Kolben zur Einwirkung, was zu erhöhter Reibung,In hydraulic piston machines, especially axial piston machines the working pressure on the piston is normally on the drive shaft the machine or a component connected to the drive shaft with the aid of a piston rod or a corresponding machine part transfer. With a normal piston movement of the one in question Art, the part transmitting the force performs a clear angular movement in relation to the piston. The inclination of the part during the period of time that transfers the force causes lateral forces and tilting loads to act on the piston, which leads to increased friction,
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erhöhter Abnutzung und dem Risiko des Fressens zwischen dem Kolben und Zylinder und zwischen dem Kolben und dem die Kraft übertragenden Teil an den gemeinsamen Berührungsoberflächen dieser Teile führt. Insbesondere im Falle von hydraulischen Kolbenmaschinen bringen diese Bedingungen schwere Nachteile wegen der hohen Arbeitsdrücke mit sich und weil die Maschinen in der Lage sein müssen, hohe Kräfte abzugeben und bei hohen Belastungen arbeiten zu müssen, sogar während des Anlaufzeitraumes und beim Lauf mit niederer Tourenzahl, da während dieser Stadien des Maschinenbetriebs die Schmierung der Maschinenteile unvollständig ist. Die seitlichen Kräfte und Kippbelastungen, die auf den Kolben einwirken, bedeuten auch, dass diejenigen Oberflächen des Kolbens, die mit dem Zylinder oder den KoIbenführungsoberflächen darin in Berührung stehen, im Verhältnis zum Durchmesser des Kolbens und Zylinders und der Länge des Kolbenhubes lang sein müssen, wodurch die Gesamtabmessungen der Maschine grosser werden mit einer sich daraus ergebenden Erhöhung des Gewichtes und der Kosten der Maschine. Weitere Nachteile, die im Stande der Technik wohl bekannt sind, sind bei den drehbaren, mechanischen Kraftübertragungseinrichtungen vorhanden, die zwischen dem. Arbeitskolben und der getriebenen oder Antriebswelle der Maschine liegen.increased wear and the risk of seizure between the piston and Cylinder and leads between the piston and the part transmitting the force on the common contact surfaces of these parts. In particular in the case of hydraulic piston machines, these conditions bring serious disadvantages because of the high working pressures and because the machines must be able to deliver high forces and with high loads having to work, even during the start-up period and when running with a low number of revolutions, since during these stages of machine operation the lubrication of the machine parts is incomplete. The lateral forces and tilting loads acting on the piston mean also that those surfaces of the piston that are in contact with the cylinder or the piston guide surfaces therein, in the Ratio to the diameter of the piston and cylinder and the length of the piston stroke must be long, reducing the overall dimensions of the Machine become larger with a resulting increase in Weight and cost of the machine. Other disadvantages, well known in the art, are with the rotatable, mechanical Power transmission devices are present between the. Working piston and the driven or drive shaft of the machine.
Zweck der Erfindung ist, für hydraulische Maschinen und Maschinenteile eine Baugruppe zu schaffen, die als eine teleskopische KoIben-Zylinder-Gruppe bezeichnet werden kann und deren Hauptfunktion es ist, dem Arbeitsmedium oder Druckmedium der Maschine zu gestatten, in direkte Berührung mit ihrer angetriebenen oder Antriebswelle zu kommen (oder einem Bauteil, der fest mit der Welle verbunden ist), wodurch eine direkte Kraftübertragungsverbindung zwischen dem Medium und der Welle geschaffen wird, ohne das Dazwischensehalten von mechanischen Elementen, wie etwa drehbar gelagerten Kolbenstangen od, dgl. Auf diese Art und Weise wird die von dem Druckmedium entwickelte Kraft praktisch vollständig auf die Welle der Maschine hydraulisch übertragen und dieThe purpose of the invention is for hydraulic machines and machine parts to create an assembly that acts as a telescopic piston-cylinder group can be designated and whose main function is to allow the working medium or pressure medium of the machine in direct To come into contact with its driven or drive shaft (or a component that is permanently connected to the shaft), creating a direct Power transmission connection between the medium and the shaft is created without the interposition of mechanical elements, such as rotatably mounted piston rods or the like. In this way, the force developed by the pressure medium becomes practical completely transferred hydraulically to the shaft of the machine and the
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Kolbenzylinder gruppe nach der Erfindung kann tatsächlich als eine bewegliche Dichtung in dem hydraulischen System angesehen werden. Weiter hat sich die Erfindung zum Ziel gesetzt, die KoIb en-Zylinder-Gruppe in einer solchen Art und Weise zu bauen, dass der darin auftretende Arbeitsdruck ständig eine Kraft erzeugt, deren Resultierende mit der Symmetrieachse der Gruppe zusammenfällt und dadurch nicht in der Lage ist, die Teile der Baugruppe seitlichen Kräften oder Kraftkippmomenten auszusetzen. Diese Zwecke werden erreicht und eine teleskopische Kolben-Zylinder-Gruppe wird geschaffen, die den Bau von hydraulischen Kolbenmaschinen W Piston-cylinder group according to the invention can actually be viewed as a movable seal in the hydraulic system. Furthermore, the invention has set itself the goal of building the piston-cylinder group in such a way that the working pressure occurring therein constantly generates a force, the resultant of which coincides with the axis of symmetry of the group and is therefore incapable to subject the parts of the assembly to lateral forces or force tilting moments. These purposes are achieved and a telescopic piston-cylinder group is created which enables the construction of hydraulic piston machines W
mit geringen Aussenabmessungen, niedrigem Gesamtgewicht im Verhältnis zu der von ihnen abgegebenen Kraft und von hohem Wirkungsgrad unter allen Arbeitsbedingungen gestaltet, und zwar durch die Gruppe nach der Erfindung, die die charakteristischen Merkmale nach Anspruch 1 hat. with small external dimensions, low overall weight in proportion designed to the power they emit and of high efficiency under all working conditions, namely by the group according to the invention, which has the characteristic features according to claim 1.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung mehrerer in den beigefügten schematischen Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele.Further features and advantages of the invention emerge from the following Description of several embodiments shown in the attached schematic drawings.
Fig. 1 zeigt einen mittigen Längsschnitt durch eine teleskopische Kolben-Zylinder-Gruppe nach der Erfindung, die einen Teil einer hydraulischen Kolbenmaschine darstellt und auch die dazugehörigen Sitzoberflächen zeigt,Fig. 1 shows a central longitudinal section through a telescopic piston-cylinder group according to the invention, which represents part of a hydraulic piston machine and also the associated seat surfaces shows,
Fig. 2 zeigt einen Teil der Ausführungsform nach Fig. 1 in etwas grösserem Masstab,FIG. 2 shows a part of the embodiment according to FIG. 1 in a somewhat larger format Scale,
Fig. 3 ist ein mittiger Längsschnitt durch eine hydraulische Axialkolbenmaschine, bei der die üblichen Kolben und Zylinder durch die teleskopische Kolbenzylinder gruppe nach der Erfindung ersetzt sind, undFig. 3 is a central longitudinal section through a hydraulic axial piston machine, in which the usual pistons and cylinders are replaced by the telescopic piston-cylinder group according to the invention are and
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Fig. 4 ist ein Längsschnitt durch eine KoIben-Zylinder-Gruppe nach der Erfindung in einer Ausführungsform, die sich zur Verwendung in einer hydraulischen Radialkolbenmaschine eignet, wobei die Teile, die die Baugruppe umgeben, schematisch im radialen Schnitt gezeigt sind.FIG. 4 is a longitudinal section through a piston-cylinder group according to FIG The invention in one embodiment which is suitable for use in a hydraulic radial piston machine, wherein the parts, surrounding the assembly are shown schematically in radial section.
Die grundlegenden Konstruktionspiünzipien der Erfindung werden zunächst unter Hinweis auf Fig. 1 und 2 beschrieben. So weist die Kolben-Zylinder-Gruppe nach Fig. 1 einen äusseren hülsenartigen, drehungs artig en, drehungssymmetrischen Zylinder 10 und einen Kolben 12 auf, der gleitend darin aufgenommen ist und von der gleichen konstruktionsmässigen Bauweise ist, d. h. in der Form einer drehungssymmetrischen Hülse, wobei der Kolben in üblicher Art und V/eise im Zylinder mit Hilfe eines Dichtungsringes 13 abgedichtet ist. Die äusseren, nach aussen gedrehten Endteile 14 und 16 des Zylinders bzw. des Kolbens sind mit Sitzoberflächen 28 und 30 versehen, die gleitend an gegenüberliegenden Sitzoberflächen 22 und 24 angreifen, die auf Zapfen-artig en Sitzkörpern 18 bzw. 20 liegen. Die Sitzoberflächen 22 und 24 haben eine konvex-kugelige Form. In der dargestellten Ausführuagsform erstreckt sich durch einen der Sitzkörper, z.B. 20, ein Mittelkanal 26 zum Zuführen und Ablassen von Druckmedium in das Innere der KoIben-Zylinder-Gruppe zu und von einer Umschaltvorrichtung oder einem Verteilerventil, durch das die Gruppe mit dem hydraulischen System im allgemeinen in Verbindung steht.The basic design principles of the invention are presented first with reference to Figs. 1 and 2 described. Thus, the piston-cylinder group according to Fig. 1 has an outer sleeve-like, rotation-like s, rotationally symmetrical cylinder 10 and a piston 12, the sliding is incorporated therein and is of the same structural design, d. H. in the form of a rotationally symmetrical sleeve, wherein the piston is sealed in the usual way in the cylinder with the aid of a sealing ring 13. The outer ones, turned outwards End portions 14 and 16 of the cylinder and piston, respectively, have seating surfaces 28 and 30 which slide on opposing seat surfaces Attack 22 and 24, which are located on pin-like seat bodies 18 and 20, respectively. The seat surfaces 22 and 24 have a convex-spherical shape. In the embodiment shown, extends through one of the seat bodies, e.g. 20, a central channel 26 for supplying and discharging pressure medium into the interior of the piston-cylinder group to and from a switching device or a distribution valve through which the group is in communication with the hydraulic system in general.
Ein wichtiges Merkmal der Erfindung besteht darin, dass die Sitzoberflächen, die in den Enden 14, 16 der KoIben-Zylinder-Gruppe liegen, die Form von geraden, stumpfkegeligen, innen konischen Oberflächen oder Kegeln 28 und 30 haben. Die Achsen der konischen Oberflächen fallen mit der gemeinsamen Mittelachse des Zylinders 10 und des Kolbens 12 zusammen und ihre breiteren Enden erstrecken sich nach aussen vom Zentrum der Gruppe. So findet ein Eingriff zwischen den beiden SitzoberflächenAn important feature of the invention is that the seat surfaces, which lie in the ends 14, 16 of the piston-cylinder group, the In the form of straight, frustoconical, internally conical surfaces or cones 28 and 30. The axes of the conical surfaces coincide the common central axis of cylinder 10 and piston 12 together and their wider ends extend outwardly from the center the group. So there is an engagement between the two seat surfaces
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in jedem Ende der Kolben-Zylinder-Gruppe entlang Kreislinien 32 statt, wie am besten in Fig. 2 gezeigt, die in etwas grösserem Masstab die rechte Hälfte der Ausführungsform der Fig. 1 zeigt, wobei angenommen wird, dass die geometrischen Bedingungen im Prinzip an beiden Enden der Kolben-Zylinder-Gruppe die gleichen sind. Die Hälfte des Kegelwinkels der konischen Sitz oberfläche 28 des Zylinders 10 ist gleich γ , d.h. der Kegelwinkel beläuft sich auf 2 γ · Durch Erfüllung gewisser Bedingungen, die nachstehend noch besprochen werden, können die Sitz ob erfläch en 30 und 24 des entgegengesetzten Kolbenendes (siehe Fig. 1) von entsprechenden Werten am Ende des Zylinders im Verhältnis zum Kegelwinkel und dem \ Radius des gewölbten Sitzkörpers abweichen.in each end of the piston-cylinder group along circular lines 32, as best shown in FIG. 2, which shows on a somewhat larger scale the right half of the embodiment of FIG both ends of the piston-cylinder group are the same. Half of the cone angle of the conical seating surface 28 of the cylinder 10 is γ equal, that the cone angle amounts to 2 γ · By satisfaction of certain conditions, which will be discussed below, the seat can if erfläch s 30 and 24 of the opposite piston end (see Fig. 1) of corresponding values at the end of the cylinder in proportion to the cone angle and the \ differ radius of the curved seat body.
Durch den Bau der teleskopischen KoIb en-Zylinder-Gruppe nach der Erfindung in dex· vorstehend beschriebenen Art und Weise wird eine Serie von Problemen gelöst, die vorher Schwierigkeiten bei hydraulischen Maschinen und Maschinenteilen dieser Art verursacht haben. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass drei entscheidende Vorteile durch die Erfindung erreicht werden, wobei diese Vorteile sowohl im Prinzip als auch in der Praxis sehr wichtig sind. Da die vorstehend erwähnten Vorteile äusserst wichtig für ein besseres Verständnis der Erfindung sind, werden sie anschliessend im einzelnen beschrieben. , "By constructing the telescopic piston-cylinder group according to the invention in the manner described above, a series of problems which previously caused difficulties in hydraulic machines and machine parts of this type are solved. In summary it can be said that three decisive advantages are achieved by the invention, these advantages being very important both in principle and in practice. Since the advantages mentioned above are extremely important for a better understanding of the invention, they are described in detail below. , "
Wenn zunächst der Zylinder 10 untersucht wird, dann ergibt sich, dass der gesamte Mediumdruck, der in seinem Inneren wirkt, sich über die Sitzoberfläche 22 ausbreitet, d.h. über das Ende des Sitzkörpers 18, hinaus zu der Berührungskreislinie 32, wo er fast sofort auf der Aussenseite des Kreises auf null abfällt, d.h. der Kreis bedeutet eine scharfe Abgrenzung zwischen dem Druck der im Innern und ausserhalb der Baugruppe herrscht, in diesem Zusammenhang wird angenommen, dass der Kegelwinkel 2 γ so im Verhältnis zum Radius der Sitzoberfläche 22 gewählt ist, dass der Radius der EerührungskreisliRie 32 geringer Ist als der innere Radius RIf the cylinder 10 is first examined, then it turns out that the total medium pressure acting inside it spreads over the seat surface 22, i.e. beyond the end of the seat body 18 to the contact circle line 32, where it drops almost immediately to zero on the outside of the circle, i.e. the circle means a sharp demarcation between the pressure inside and outside the assembly, in this context it is assumed that the cone angle 2 γ is chosen so in relation to the radius of the seat surface 22 that the radius of the circle of contact 32 is smaller than the inner radius R.
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des Zylinders, und zwar um die Grosse " , Fig. 2. Wenn ein Druckdiagramm auf einem nach innen herausragenden Anschlag 34 aufgetragen wird, der am Ende des Zylinders und axial vor der konischen Sitz oberfläche 28 liegt, ergibt sich, dass der Zylinder an dem Sitz 22 mit einer Kraft anliegt, die dem herrschenden Mediumdruck ρ entspricht, multipliziert mit dem Bereich des kreisförmigen Ringes mit der Breite : . Dieses letztere Mass kann so gewählt werden, dass der genannte kreisförmige Bereich einen sehr geringen Teil des inneren Querschnittsbereiches des Zylinders umfasst, z.B. zwischen 0, 5 und 2%, etwa 1% davon. So bedeutet das, dass die mechanische Anlagekraft zwischen dem Zylinder 10 und dem Sitzkörper 18 nur ungefähr 1% der Gesamtkraft entspricht, die axial durch den Mediumdruck ausgeübt wird, während der Rest dieser Kraft, ungefähr 99%, direkt dem Sitzkörper 38 in der Form hydrostatischen Druckes übermittelt wird, der durch das Druckmedium ausgeübt wird.of the cylinder, namely by the size ", Fig. 2. If a pressure diagram is applied to an inwardly protruding stop 34, the surface 28 at the end of the cylinder and axially in front of the conical seat is, it results that the cylinder rests on the seat 22 with a force that corresponds to the prevailing medium pressure ρ, multiplied by the area of the circular ring with the width:. This latter Dimension can be chosen so that the said circular area is a very small part of the inner cross-sectional area of the cylinder comprises, e.g., between 0.5 and 2%, about 1% thereof. This means that the mechanical contact force between the cylinder 10 and the seat body 18 corresponds to only about 1% of the total force exerted axially by the medium pressure, while the remainder of this force, about 99%, is transmitted directly to the seat body 38 in the form of hydrostatic pressure exerted by the pressure medium.
Die Bedingungen sind identisch am entgegengesetzten Ende der Kolbenzylindergruppe, d.h. am Kolbenende 16, und der Kolben 12 ist hydraulisch ausgeglichen, so dass seine mechanische Anlagekraft gegen die Sitzoberfläche 24 des Sitzkörpers 20 lediglich ungefähr 1% der Gesamtkraft darstellt, die axial durch das Druckmedium entwickelt wird. Wenn es als wünschenswert angesehen wird, sei es aus Konstruktionsgründen oder anderen, kann der Kegelwinkel j und der Radius des teilweise kugeligen Sitzkörpers, wie vorstehend erwähnt, andere Werte haben als diejenigen am Zylinderende 14 der Baugruppe, da offensichtlich die Bedingung für die hydraulische Ausgeglichenheit der Baugruppe als Ganzes lediglich die ist, dass die Berührungskreislinien 32 an beiden Enden gleich oder praktisch gleich sind.The conditions are identical at the opposite end of the piston-cylinder group, ie at the piston end 16, and the piston 12 is hydraulically balanced so that its mechanical contact force against the seat surface 24 of the seat body 20 represents only about 1% of the total force that is axially developed by the pressure medium . If it is considered desirable, be it for design reasons or otherwise, the cone angle j and the radius of the partially spherical seat body, as mentioned above, can have different values than those at the cylinder end 14 of the assembly, since obviously the condition for the hydraulic balance of the The only assembly as a whole is that the circular contact lines 32 are the same or practically the same at both ends.
Der zweite der drei entscheidenden Vorteile, die durch die Erfindung geboten werden, besteht darin, dass vregeu der symmetrischen Bauweise die beschriebenen Druck» und Kraftbedingungen unabhängig von der StellungThe second of the three key advantages offered by the invention be, consists in that vregeu of the symmetrical construction the described pressure and force conditions regardless of the position
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der KoIben-Zylinder-Gruppe 10, 12 im Verhältnis zu den ätisseren, kugeliegen Sitzkörpern 18, 20 herrschen, dh. unabhängig von den Winkeln -.. undvp zwischen den Mittellinien 36 der Baugruppe und den Mittellinien 36 und 40 der Sitzkörper 18 bzw. 20 in Fig. 1. Unabhängig von der Winkelstellung der Gruppe im Vei'hältnis zu den kugeligen Sitzkörpern an deren Enden wirkt die resultierende Kraft der von dem Mediumdruck erzeugten Kräfte stets entlang der Mittellinie der Einheit. Im Zusammenhang mit der niedrigen mechanischen Anlagekraft, die durch den Mediumdruck zwischen den Enden der Gruppe und der äusseren Sitz oberfläche mit sich daraus ergebenden geringen Reibungskräften geschaffen wird, verhütet dieses Zen- M the piston-cylinder group 10, 12 prevail in relation to the ätisseren, spherical seat bodies 18, 20, ie. independent of the angles - .. und vp between the center lines 36 of the assembly and the center lines 36 and 40 of the seat bodies 18 and 20 in FIG resulting force of the forces generated by the medium pressure always along the center line of the unit. In connection with the low mechanical contact force created by the medium pressure between the ends of the group and the outer seat surface with the resulting low frictional forces, this Zen- M prevents
trieren der Kräfte, dass der Mediumdruck von beiden direkt oder indirekt beträchtliche seitliche Kräfte oder Kippmomente zwischen dem Kolben und dem Zylinder auftreten lässt. Andererseits bedeutet dies, dass die innere Reibung in der Gruppe,- abgesehen von der, die durch den Dichtungsring 42 bewirkt wird, niedrig ist und daher sind die Risiken abnormaler Abnutzung oder eines Fressens oder Blockierens in der Baugruppe gering. Schliesslich kann die gemeinsame Führungsoberfläche zwischen dem Kolben und dem Zylinder und so die gesamte Gi*uppe kurz, gebaut werden.trier the forces that the medium pressure of both directly or indirectly significant lateral forces or overturning moments can occur between the piston and the cylinder. On the other hand, it means that the inner Friction in the group, other than that caused by the sealing ring 42, is low and therefore there are risks of abnormal wear or seizure or jamming in the assembly is low. Finally, the common guide surface between the piston and the cylinder and so the entire gi * uppe in short.
Der dritte Vorteil, der mit der Kolben-Zylinder-Gruppe nach der Erfindung erzielt wird, steht im Zusammenhang mit der Tatsache, dass die Sitzober- jfThe third advantage that comes with the piston-cylinder group according to the invention is achieved, is related to the fact that the Sitzober- jf
flächen 28 und 30 an den Enden der KoIben-Zylinder-Gruppe eine innen konische Gestalt haben. Selbstverständlich können diese Oberflächen im Prinzip von einer anderen geometrischen Form sein, beispielsweise kann es sich um konkav kugelige Oberflächen handeln, die den gleichen Radius haben wie entsprechende äussere Sitzoberflächen 22 und 24, wobei diese letztere Form vielleicht die üblichere ist, womit die Gruppe immer noch im wesentlichen die gleichen funktionellen Eigenschaften erreichen würde, wie die vorher beschriebenen. Wenn jedoch die Polgen einer Bauweise, in der die Sitzoberflächen konkav und gebogen in ihrer Form sind, genauer untersucht werden, ergibt es sich, dass eine solche Konstruktion vom prak-surfaces 28 and 30 at the ends of the piston-cylinder group an internally conical Have shape. Of course, these surfaces can in principle be of a different geometric shape, for example it can are concave spherical surfaces which have the same radius as corresponding outer seat surfaces 22 and 24, these the latter form is perhaps the more common, with which the group would still achieve essentially the same functional properties, like the ones previously described. However, if the poles of a construction, in that the seat surfaces are concave and curved in shape, are examined more closely, it turns out that such a construction of the practical
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tischen und wirtschaftlichen Standpunkt aus gesehen ziemlich ungünstig ist. Zunächst und hauptsächlich müssen Sitzoberflächen 28 und 30 mit einer konkav sphärischen Gestalt sich äusserst genau den entsprechenden konvexen, kugeligen Sitz oberflächen anpassen, damit das Dichtungsspiel zwischen den fraglichen Oberflächen eine genaue und reproduzierbare geometrische Form (Parallelität) und Grosse (Spielspalt) erreicht, ein Zustand der teure und zeitraubende Herstellungsmethoden erfordert, wobei die Oberflächenbehandlung beispielsweise ein Läppvorgang ist. Im Gegensatz dazu ist eine innere konische Oberfläche verhältnismässig einfach mit genügender Genauigkeit herstellbar, z.B. durch Drehen und Schleifen und gleichzeitig können so verhältnismässig bescheidene Toleranzen auf den diametralen Messungen der zusammenwirkenden konvexen, sphärischen Sitz ob erf lachen gestattet werden. Diese Toleranz kann zulässig sein, da eine Abweichung im Durchmesser der Kugel von einem nominalen Mass nur den Durchmesser der Berührungskreislinie 32 beeinflusst, d. h. den Grad des hydraulischen Ausgleiches des Zylinders und Kolbens aber nicht die geometrische Form und Grosse der Dichtungslücke, da die konischen Oberflächen sich selbst auf die kugeligen Oberflächen durch gegenseitige axiale Bewegungen einstellen können.is quite unfavorable from a financial and economic point of view. First and foremost, seat surfaces 28 and 30 with a concave spherical shape must adapt extremely precisely to the corresponding convex, spherical seat surfaces so that the seal clearance A precise and reproducible geometric shape (parallelism) and size (play gap) is achieved between the surfaces in question Condition that requires expensive and time-consuming manufacturing methods, where the surface treatment is, for example, a lapping process. in the In contrast, an inner conical surface can be produced relatively easily with sufficient accuracy, e.g. by turning and Grinding and at the same time relatively modest tolerances on the diametrical measurements of the interacting convex, spherical seat whether or not to allow laughing. This tolerance can be permissible because a deviation in the diameter of the sphere from a nominal dimension only affects the diameter of the circle of contact line 32, d. H. the degree of hydraulic compensation of the cylinder and piston but not the geometric shape and size of the seal gap, since the conical surfaces can adjust themselves to the spherical surfaces by mutual axial movements.
Die kugeligen Sitzoberflächen, die überall vorgesehen werden, haben jedoch noch ernsthaftere Folgen in Verbindung mit den unvermeidlichen elastischen Verformungen, die in einem Gerät des hier infragestehenden Typs auftreten. Um u. a. dynamische Kräfte, wie etwa Zentrifugalkräfte, so niedrig als möglich zu halten, ist es wünschenswert, dass die Wandstärke des Zylinders und auch des Kolbens der Gruppe so dünn als möglich ist. Andererseits treten sehr hohe Mediumdrücke auf und diese beiden Zustände bewirken., dass die Diametralabmessungen der Kolbenzylindergruppe sich unter Belastung beträchtlich verändern, aber diese Tatsache in Analogie mit der vorhergehenden beeinträchtigt den Dichtungszustand an den Enden der Gruppe nicht. Stattdessen werden die VeränderungenHowever, the spherical seat surfaces that are provided everywhere have even more serious consequences in connection with the inevitable elastic deformations that occur in a device of the one in question Type occur. To inter alia To keep dynamic forces, such as centrifugal forces, as low as possible, it is desirable that the wall thickness of the cylinder and the piston of the group is as thin as possible. On the other hand, very high medium pressures occur and both of these Conditions cause. That the diametrical dimensions of the piston-cylinder group change considerably under load, but this fact, by analogy with the previous one, adversely affects the sealing condition not at the ends of the group. Instead, the changes
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durch Axialbewegungen des Zylinders und Kolbens im Verhältnis zu ihren entsprechenden Sitz oberflächen 22 und 24 ausgeglichen und beeinflussen die axialen Ausgleichsbedingungen nur in geringem Masse. Wenn die Sitzoberflächen 28 und 30 in den Enden der Gruppen von sphärischer Gestalt wären, würde diese Durchmesserveränderung sowohl die Dichtungsbedingungen als auch die axialen hydraulischen Ausgleichsbedingungen sehr stark beeinflussen und das Ergebnis wäre das Auftreten von hohen Reibungskräften, erhöhter Undichtigkeit und anderer schwierig zu lösender Probleme. Weiterhin wurden die vorstehend beschriebenen funktioneilen Vorteile der Λ compensated by axial movements of the cylinder and piston in relation to their respective seat surfaces 22 and 24 and affect the axial compensation conditions only to a small extent. If the seating surfaces 28 and 30 were spherical in shape in the ends of the groups, this change in diameter would greatly affect both the sealing conditions and the axial hydraulic balance conditions and the result would be the occurrence of high frictional forces, increased leakage and other difficult-to-solve problems. Furthermore, the functional advantages of the Λ
Gruppe vollständig oder teilweise verlorengehen.Group will be completely or partially lost.
Die vorstehend beschriebenen funktionellen und Herstellungsvorteile, die sich bei konischen Sitz oberflächen 28 und 30 im Verhältnis zu Sitzoberflächen von kugeliger oder anderer geometrischer Form ergeben, werden noch verstärkt durch Verringerung des Wertes des Winkels ? , siehe Fig. 2, d.h. umso näher als der Durchmesser der Dichtungsoberfläche 32 sich dem Durchmesser der kugelförmigen Sitz oberfläche 22 nähert. Das bedeutet, dass die Gruppe nach der Erfindung sich ganz besonders zur Verwendung in hydraulischen Maschinen eignet, die axial angeordnete Kolbensysteme haben, was mit den Bedingungen zusammenfällt, die nachstehend im i Zusammenhang mit einer Beschreibung einer solchen Maschine beschrieben werden.The functional and manufacturing advantages described above, which result in conical seat surfaces 28 and 30 in relation to seat surfaces of spherical or other geometric shape, are increased by reducing the value of the angle? , see Fig. 2, that is, the closer as the diameter of the sealing surface 32 approaches the diameter of the spherical seat surface 22. This means that the group according to the invention is particularly suitable for use in hydraulic machines, the axially disposed piston systems have what coincides with the conditions, which are described below in the i connection with a description of such a machine.
Wenn die Gruppe sich in ihrer Ruhestellung befindet oder wenn der Druck des Arbeitsmediums gering ist, können die Enden der Kolben-Zylinder-Gruppe im Eingriff mit entsprechenden äusseren Sitzoberflächen mit HiKe einer Schraubendruckfeder 44 gehalten werden, die aussen um die Gruppe angeordnet ist, wobei diese Feder so beschaffen ist, dass sie an äusseren Anschlägen 40 und 48 an den äusseren Enden des Zylinders 10 bzw. des Kolbens 12 anliegen.When the group is at rest or when the pressure the working medium is low, the ends of the piston-cylinder group in engagement with corresponding outer seat surfaces with HiKe a helical compression spring 44 are held, which is arranged on the outside of the group, this spring is designed so that it is on the outer Stops 40 and 48 at the outer ends of the cylinder 10 and the Piston 12 are in contact.
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Die Enden der Gruppe können jedoch mechanisch gegen damit zusammenwirkende äussere Sitze in anderer bekannter Weise gehalten werden.The ends of the group can, however, be mechanically opposed to interacting therewith outer seats are held in other known ways.
Die grundsätzliche Konstruktion der Kolben-Zylinder-Gruppe nach der Erfindung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, lehrt auch eine praktische nichtmotorische Anwendung der Gruppe. Wenn der äussere Sitzkörper 18, der mit dem Zylinder 10 zusammenarbeitet, ähnlich dem gegenüberliegenden Sitzkörper 20, ebenfalls mit einem durchlaufenden Kanal 27 versehen ist, wie in gestrichelten Linien gezeigt, kann die Gruppe nach der Erfindung als ein hydraulisches Maschinenelement verwendet werden, z.B. in der Form einer Gelenkverbindung oder drehbaren Verbindung in einer Hochdruckleitung für hydraulische oder pneumatische Medien.The basic construction of the piston-cylinder group according to the invention, as shown in Fig. 1 also teaches a practical non-motor application of the group. When the outer seat body 18, the cooperates with the cylinder 10, similar to the opposite seat body 20, is also provided with a continuous channel 27, as shown in dashed lines, the group according to the invention can be used as a hydraulic machine element, e.g. Form of an articulated connection or rotatable connection in a high pressure line for hydraulic or pneumatic media.
Fig. 3 stellt schematisch dar, wie eine Axialkolbenmaschine (Pumpe oder Motor) gebaut sein kann, wenn die Kolben-Zylinder-Gruppe nach der Erfindung benutzt wird. Die Maschine besteht aus einem Gehäuse 50, in dem eine Antriebswelle 52 zur Drehung mit Hilfe einer Lagerbüchse 54 gelagert ist. Die Welle 52 ist auf der Innenseite des Gehäuses mit einem Flansch versehen und mit Hilfe eines Kardangelenkes 58 mit einer kurzen Welle 60 verbunden, die fest mit einer Platte 62 verbunden ist. Die Platte ist auch drehbar in dem Gehäuse 50 in einer nicht gezeigten Art und Weise montiert und bildet einen Winkel X mit dem Flansch 56, der Antriebswelle, wobei die Antriebswelle 52 und die Welle 60 auch den Winkel ~ miteinander bilden. Zwischen dem Flansch 56 und der Platte 62 befindet sich ein Ring von Kolben-Zylinder-Gruppen der vorstehend genannten Art, wobei die Sitzkörper, die hier mit dem Bezugszeichen 118 bezeichnet sind, die mit den Zylinderenden in der Gruppe zusammenarbeiten, auf dem Flansch 56 in einem gleichen Abstand voneinander um einen Teilkreis durch den Mittelpunkt der Sitzkörper montiert, sind« In einer entsprechenden Art und Weise sind die Sitzkörper 120^ die mit den gegenüberliegenden Enden der Gruppe zusammenwirken» auf der Platte 62 in einem gleichen Abstand um ihre AchseFig. 3 shows schematically how an axial piston machine (pump or motor) can be built when the piston-cylinder group according to the invention is used. The machine consists of a housing 50 in which a drive shaft 52 is mounted for rotation with the aid of a bearing bush 54. The shaft 52 is provided with a flange on the inside of the housing and is connected by means of a universal joint 58 to a short shaft 60 which is firmly connected to a plate 62. The plate is also rotatably mounted in the housing 50 in a manner not shown and forms an angle X with the flange 56, the drive shaft, with the drive shaft 52 and shaft 60 also forming the angle with one another. Between the flange 56 and the plate 62 is a ring of piston-cylinder groups of the aforementioned type, the seat bodies, here denoted by the reference numeral 118, which cooperate with the cylinder ends in the group, on the flange 56 in Mounted equidistant from one another around a pitch circle through the center of the seat bodies, "In a corresponding manner, the seat bodies 120 ^ which cooperate with the opposite ends of the group" are equidistantly spaced on the plate 62 about their axis
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60 angeordnet. Die Schraubendruckfedern 144 sind in der oben angegebenen Art und Weise auf den Aussenseiten der Gruppen montiert, um die Kolben und Zylinder gegen die Oberflächen der Sitzkörper 118 in der Ruhestellung oder im Leerlauf zu halten, wobei diese Oberflächen mit den Bezugszeichen 122 bzw. 124 bezeichnet sind.60 arranged. The helical compression springs 144 are in the above Mounted in a manner on the outside of the groups, the pistons and cylinders against the surfaces of the seat body 118 in the rest position or idle, these surfaces being designated by reference numerals 122 and 124, respectively.
Die KoIben-Zylinder-Gruppe steht durch Kanäle 126 in den Sitzkörpern und entsprechende Kanäle 127 in der Platte 62 der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform mit Ventil Öffnung en 68 und 70 in der linken Endwandoberfläche des Gehäuses 50 in Verbindung, wobei die Ventilöffnungen eine M solche Form haben ("Nierenform"), dass während der Drehung der Antriebswelle die Gruppe abwechselnd in Verbindung mit den Einlass- und Rücklaufleiüingen des hydraulischen Systemes in einer Art gebracht werden, die von hydraulischen Axial«Kolbenmaschinen bekannt ist.The piston-cylinder group communicates through channels 126 in the seat bodies and corresponding channels 127 in plate 62 of the embodiment shown in FIG. 3 with valve openings 68 and 70 in the left end wall surface of housing 50, the valve openings being an M. have such a shape ("kidney shape") that during the rotation of the drive shaft the group is alternately brought into connection with the inlet and return lines of the hydraulic system in a manner known from hydraulic axial piston machines.
In Übereinstimmung mit dem Prinzip von Axialkolbenmaschinen, und wie klar in Fig. 3 gezeigt^ verändert sich der Mittelpunktabstand eines jeden Paares kugelförmiger Sitz oberflächen, d.h. der A bet and zwischen dem Mittelpunkt der Oberflächen 122 und 124 zwischen einem Gr-össtwert und einem Kleinstwert, wie das oben und unten in Fig. 3 dargestellt ist. Diese Veränderung mit dazugehörigen Veränderungen in dem Volumen, das von Λ In accordance with the principle of axial piston machines, and as clearly shown in Fig. 3, the center distance of each pair of spherical seat surfaces changes, i.e. the bet and between the center of the surfaces 122 and 124 between a maximum value and a minimum value, as shown above and below in FIG. This change with associated changes in the volume that is determined by Λ
der entsprechenden Kolbenzylinder gruppe umschlossen wird, ist eine Bedingung des Winkels '"^- und stellt eine Funktion von diesem dar und abhängig von den Druckbedingungen und den Rückleitungen der Maschine arbeitet sie demgemäss als Pumpe oder als Motor bei Drehung der Wellethe corresponding piston cylinder group is enclosed is a condition of the angle '"^ - and is a function of this and is dependent depending on the pressure conditions and the return lines of the machine, it works accordingly as a pump or as a motor when the shaft rotates
Wenn die Welle 52 sich dreht, wird die Kolben-Zylinder-Gruppe Zentrifugalkräften unterworfen, die in einer Ebene wivken, die im wesentlichen senkrecht zu den Mittellinien der Gruppen liegt vnd Berührungskräfte zwischen den Enden der Gruppe und entsprechenden Sitzkörpern auftreten lässt, Diese letzteren Kräfte erzeugen als Ergebnis d^·' kegeligen GestaltAs the shaft 52 rotates, the piston-cylinder assembly becomes centrifugal which wivken in a plane which is substantially perpendicular to the center lines of the groups and contact forces occur between the ends of the group and corresponding seat bodies lets, these latter forces produce as a result d ^ · 'conical shape
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der End ob erf lachen Axialkräfte auf den Kolben und Zylinder und diese Kräfte versuchen, die Gruppen zusammenzudrücken und bewirken so, dass sie ausser Eingriff mit der entsprechenden Sitz oberfläche kommen. Um diese axialen Kräfte soweit als möglich zu verringern und die notwendigen Haltekräfte zu schaffen, z.B. mit Hilfe der dargestellten Schraubendruckfeder 144, um den Axialkräften entgegenzuwirken, ist es wünschenswert, dass der Kegelwinkel 2 X der kegeligen Oberflächen so klein als möglich (siehe Fig. 2) ist. Wegen der vorstehend erwähnten Bedingungen ist es im Prinzip nicht schwierig, kleine Kegelwinkel in der Kolben-Zylinder-Gruppe nach der vorliegenden Erfindung zu wählen, beispielsweise wie in den Figuren angegeben. So werden auf diese Art und Weise die Konstrukti ons Schwierigkeiten verringert, die sich ergeben, wenn die Gruppen gegen die Sitzoberflächen bei hohen Umdrehungszahlen gehalten werden sollen und wenn Maschinen mit axial angeordneten, teleskopischen KoIben-Zylinder-Gruppen mit verhältnismässig hohen Maximalgeschwindigkeiten arbeiten und dies bringt weiterhin günstige Ergebnisse mit sich als Ergebnis der Tatsache, dass die Gruppe nach der Erfindung konische Endoberflächen hat.the end if there are axial forces on the piston and cylinder and these forces try to compress the groups and cause them to disengage from the corresponding seat surface. In order to reduce these axial forces as much as possible and to create the necessary holding forces, e.g. with the help of the helical compression spring 144 shown to counteract the axial forces, it is desirable that the cone angle 2 X of the conical surfaces is as small as possible (see Fig. 2 ) is. Because of the above-mentioned conditions, it is in principle not difficult to choose small cone angles in the piston-cylinder group according to the present invention, for example as indicated in the figures. So in this way the construction difficulties are reduced that arise when the groups are to be held against the seat surfaces at high speeds and when machines with axially arranged, telescopic piston-cylinder groups work at relatively high maximum speeds and this brings furthermore favorable results as a result of the fact that the assembly according to the invention has conical end surfaces.
Abgesehen von der Reibung in den Lageroberflächen der Maschine, wobei diese Lageroberflächen weitgehend gebaut werden können, um hydraulisch die Lagerdrücke auszugleichen, ist die beschriebene Maschine durch sehr geringe innere Reibung gekennzeichnet, die durch den Mediumdruck erzeugt wird, und zwar sowohl beim Anlassen der Maschine als auch bei niederen und hohen Geschwindigkeiten. Weiterhin sind die Aussenabmessungen der Maschine gering und ihr Gesamtgewicht ist niedrig und gleichzeitig ist die Maschine vom Standpunkt der Herstellung aus aus den oben angegebenen Gründen günstig. Alle diese Eigenschaften sind direkte Folgen der besonderen Merkmale der Kolben-Zylinder-Gruppe nach der Erfindung.Apart from the friction in the bearing surfaces of the machine, whereby These bearing surfaces can be built to a large extent in order to hydraulically balance the bearing pressures, the machine described is by very much low internal friction, which is generated by the medium pressure, both when the machine is started and when low and high speeds. Furthermore, the external dimensions of the machine are small and its total weight is low and at the same time the machine is inexpensive from a manufacturing standpoint for the reasons given above. All of these properties are direct consequences the special features of the piston-cylinder group according to the invention.
Vorstehend wurde die Kolben-Zylinder-Gruppe beschrieben, die mit äusseren Sitzen zusammenwirkt, die beide kugelförmig ausgestaltet sind. Es mussAbove, the piston-cylinder group was described with the outer Sitting cooperates, both of which are spherical in shape. It must
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jedoch klargestellt werden, dass die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist, die die mehr "universelle" Bewegungsmöglichkeit haben. In vielen Fällen ist es unbedingt genügend oder wünschenswert, dass die Gruppe eine Pendelbewegung in einer Ebene durchführt, in welchem Falle es genügt, die beschriebene Sitzanordnung zwischen einer innen konischen und einer konvexen, gewölbten Oberfläche an einem Ende der Kolbenzylindergruppe anzuordnen, während der Angriff am entgegengesetzten Ende der Gruppe von mehr üblicher Bauweise sein kann. Ein typisches Beispiel der Anwendung der Erfindung ist schematisch in Fig. 4 ge- Λ zeigt, worin dargestellt ist, wie eine KoIben-Zylinder-Gruppe nach der Erfindung in einer Radial-Kolbenmas chine verwendet werden kann. Diese Maschine hat ein Gehäuse 72, in dem eine Welle 74 drehbar montiert ist. Die Welle ist mit einem Exzenter 76 versehen, der eine zylindrische Oberfläche hat und die Mittelpunkte des Exzenters sind mit den Bezugszeichen 0 und O1 bezeichnet. Die äussere zylindrische Oberfläche 78 der Maschine ist auf deren Innenseite mit einer zylindrischen Oberfläche 80 versehen, gegen die ein Sitzkörper 82 anliegt, wobei die Träger oberfläche des Sitzkörpers sich der zylindrischen Oberfläche des Gehäuses anpasst, wie in Fig. 3 gezeigt. Die radial einwärts gedrehte Oberfläche 84 des Sitzkörpers 82 ist in ihrer Form konvex und sphärisch und an der genannten Oberfläche liegt die innen konische Endoberfläche eines Kolbens 90 an, der einen Teil einer Kolben-Zylinder-Anordnung nach der Erfindung bildet, wobei der Kegelwinkel dieser kegeligen Endoberfläche sich auf 2 y beläuft. Das Innere der Kolben-Zylinder-Gruppe steht mit der Umgebung durch einen Kanal 86 in Verbindung, der mittig in dem Sitzkörper 82 angeordnet ist.however, it should be made clear that the invention is not limited to the described embodiments which have the more "universal" possibility of movement. In many cases it is absolutely sufficient or desirable that the group performs a pendulum movement in a plane, in which case it is sufficient to arrange the seat arrangement described between an internally conical and a convex, curved surface at one end of the piston-cylinder group, during the attack on opposite end of the group can be of more common design. A typical example of application of the invention is schematically 4 shows overall Λ in Fig., Wherein shows how a KoIben-cylinder assembly according to the invention in a radial Kolbenmas chine may be used. This machine has a housing 72 in which a shaft 74 is rotatably mounted. The shaft is provided with an eccentric 76 which has a cylindrical surface and the centers of the eccentric are denoted by the reference numerals 0 and O 1. The outer cylindrical surface 78 of the machine is provided on its inside with a cylindrical surface 80 against which a seat body 82 rests, the support surface of the seat body conforming to the cylindrical surface of the housing, as shown in FIG. The radially inwardly turned surface 84 of the seat body 82 is convex and spherical in shape and on said surface rests the internally conical end surface of a piston 90 which forms part of a piston-cylinder arrangement according to the invention, the cone angle of this being conical End surface amounts to 2 y. The interior of the piston-cylinder group communicates with the environment through a channel 86 which is arranged centrally in the seat body 82.
Die gegenüberliegende,radial einwärts gerichtete Endoberfläche der Kolbenzylindergruppe, d.h. die Endoberfläche des Zylinders 92, die einen Teil der Gruppe bildet, ist so geformt, dass sie sich der zylindrischen Oberfläche 1 des Exzenters 76 anpasst und daran angreift. Die hydraulischen BedingungenThe opposite, radially inwardly directed end surface of the piston-cylinder group, ie the end surface of the cylinder 92 which forms part of the group, is shaped so that it conforms to and engages the cylindrical surface 1 of the eccentric 76. The hydraulic conditions
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sind bei dieser Ausführungsform im wesentlichen die gleichen wie diejenigen, die vorstehend beschrieben wurden, wobei der Mediumdruck, der in der Baugruppe herrscht, direkt auf die Oberfläche des Exzenters einwirkt und durch entsprechende Bauweise und Bemessung der Kantenoberfläche des Zylinders, die an dem Exzenter anliegt, kann ein hoher Grad "hydraulischen Ausgleichs zwischen den Oberflächen erzielt werden. Der hydraulische Ausgleich wird am entgegengesetzten Kolbenende in der vorstehend beschriebenen Art und Weise erzielt, wobei der Kegelwinkel 2 ~\ entsprechend dem Radius der Sitzoberfläche 84 angepasst ist.in this embodiment are essentially the same as those described above, the medium pressure prevailing in the assembly acting directly on the surface of the eccentric and, by appropriate construction and dimensioning of the edge surface of the cylinder, which rests on the eccentric, a high degree of "hydraulic compensation can be obtained between the surfaces. the hydraulic balancing is achieved in the above-described manner at the opposite end of the piston, wherein the taper angle of 2 ~ \ is adjusted according to the radius of the seat surface 84.
Bei Drehung der Welle 74 führt die Kolben-Zylinder-Gruppe eine Pendelbewegung um den Mittelpunkt der Sitz oberfläche 84 aus. Was bekannte Kolbenanordnungen in Radial-Kolbenmaschinen anbetrifft, hat die Einheit 90, 92 die gleichen prinzipiellen und Her Stellungsvorteile wie die vorstehend beschriebene Ausführungsform der Gruppe.When the shaft 74 rotates, the piston-cylinder group performs a pendulum motion around the center of the seat surface 84 from. What known As far as piston arrangements in radial piston machines are concerned, the unit 90, 92 have the same principal and manufacturing advantages as those above described embodiment of the group.
Infolge des beträchtlichen Ausgleichens der Kräfte, die von dem Mediumdruck der beweglichen Teile des Mechanismus geschaffen werden, die charakteristisch für die Kolben-Zylinder-Gruppe nach der Erfindung ist mit sich daraus ergebenden niedrigen Reibungsverlusten, kann die Gruppe vorteilhaft für Maschinen verwendet werden, die für gasförmige Arbeitsmedien bestimmt sind, z.B. Pressluftmotoren oder Kompressoren. As a result of the considerable balancing of the forces exerted by the medium pressure of the moving parts of the mechanism are created, which is characteristic of the piston-cylinder group according to the invention With the resulting low friction losses, the group can be used advantageously for machines that are intended for gaseous working media, e.g. compressed air motors or compressors.
Die Erfindung ist nicht auf ihre hier beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen beschränkt, sondern kann innerhalb des Rahmens der folgenden Ansprüche abgewandelt werden.The invention is not limited to its embodiments described and illustrated here but can be varied within the scope of the following claims.
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