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"Kolbenschuh-Schwenkgelenk in von Flüssigkeit
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durchströmten Radialkolben-Aggregaten" Die Erfindung betrifft ein
Kolbenschuh-Schwenkgelenk in von Flüssigkeit oder von Fluid durchströmten Radialkolbenaggregaten,
wobei eine zylinderteilförmige Schwenkwalze des Kolbenschuhes in ein zylinderteilförmiges
Lagerbett im Kolben schwenkbar eingesetzt ist. Die Erfindung besteht darin, daß
in der Kolbenschuhschwenkwalze des Schwenkgelenkes eine mittlere Druck fluidtasche
angeordnet und diese jenseits von Lagenflächenteilen von teilmondförmigen Ringnut-Teil-Druckfluidtaschen
umgeben ist.
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In Radialkolbenaggregaten ist ein Kolbenschuh zwischen dem betreffenden,
im etwa radialen Zylinder aus- und einbewegten Kolben und der Kolbenhubführung angeordnet.
Beim Umlauf des Rotors entsteht eine Schwenkbewegung zwischen Kolben und Kolbenschuh,
so daß zwischen dem Kolben und dem Kolbenschuh ein Schwenk gelenk angeordnet sein
muß. Für hohe Arbeitsdrücke im Druckfluid muß das Schwenkgelenk aneinanderliegende
Flächen beinhalten, da Punktberührung für hohe Fluiddrücke nicht ausreichend ist.
Das Schwenkgelenk besteht daher entweder aus kugel--teilteilförmigen Flächenteilen
oder aus zylindetförmigen Flächen teilen. Eine der Flächen bildet ein Lagerbett
zur Lagerung des Schwenkkörpers des anderen Teiles.
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Bei hohem Druck im Arbeits-Druckfluid ist auch die Lagerung der Flächen
aufeinander nicht mehr ausreichend. Es muß eine Sicherung für gute Schmierung mittels
Schmierfilms zwischen den Flächen angeordnet sein und außerdem müssen die Flächen
teilweise durch hydrostatische mit Druckfluid gefüllte Lagertaschen druckentlastet
werden, wobei sie ein hydrostatisches Lager ausbilden. Diese Ausführung des Schwenkgelenkes
zwischen Kolben und Kolbenschuh für hohe krbeitsdrücke ist in verschiedenen Formen
sowohl aus meinen Patenten als auch aus Patenten anderer bekannt.
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Bei der Ausbildung der Lagerflächen als Teilkugeln ist aber eine Erscheinung
zu beachten, die erst in meinen jüngeren Patentanmeldungen eine klare Erkenntnis
der Verhältnisse bringt.
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Es ist die Erscheinung, daß ein kugelteilförmiges Schwenklager mit
Druckfluidtasche umsamehr zu einer kugelkeilförmigen Festklemmung wird, die die
Schwenkbewegung des Schwenklagers bremst oder verhindert, je größer die hydrostatische
Druckfluidtasche im Vergleich zum Kugelteilradius des Schwenklagers wird. Wie es
eine meiner Patentanmeldungen lehrt, ist/deshalb nicht möglich, das kugelteilförmige
Schwenklager durch Vergrößerung der Druckfluidtasche zu verbessern, sondern derartige
Vergrößerung der Druckfluidtasche würde zu einem Festklemmeffekt und damit zur Verschlechterung
des Schwenklagers führen.
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Dieser negative Effekt tritt nicht auf, wenn anstelle des kugelteilförmigen
Schwenklagers ein zylinderteilförmiges Schwenkge lenk verwendet wird, wie es aus
meinen Patentschriften bekannt ist.
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In den aus meinen Patentschriften bekannten Schwenkgelenken war eine
Druckfluidtasche angeordnet, die zwischen den sie verschließenden endwkrtigen Flächenteilen
ausgebildet war.
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Bei dem hohen Zusammenpreßdruck der Schwenklagerflächen bei hohem
Arbeitsdruck im Druckfluid trat aber ein Abreiben zwischen den die Druckfluidtasche
abdichtenden und aneinander tragenden Schwenklagerflächen auf, deren Ursachen bisher
nicht abgestellt werden konnten.
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Es ist die Aufgabe dieser Erfindung, die beschriebenen Abreibwirkungen
im Schwenklager zwischen zwei aneinander schwenkbaren Teilen so einzuschränken,
daß das Schwenklager für noch höhere Drücke betriebssicher wird und gleichzeitig
der Wirkungsgrad
des Schwenklagers für entsprechende Druckbereiche
erhöht wird, indem die Reibung zwischen den Lagerflächen vermindert wird.
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Zu dem Zwecke werden erfindungsgemäß jenseits der eine mittlere Druckfluidtasche
umgebenden Lagerflächenteile weitere, etwa teilmondförmige Druckfluidtaschen angeordnet,
die mindestens einen Teil der Lagerflächen von zwei Enden her mit Druckfluid beaufschlagen,
so daß von zwei Enden her beaufschlagte, mindestens teilweise nicht einklemmbare
Lagerflächenteile entstehen, wodurch die Tragkraft des Schwenklagers erhöht und
dessen Reibung bei der Schwenkbewegung vermindert wird.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Abmessung des
Schwenklagers im Vergleich zum Durchmesser des Kolbens relativ zu vergrößern und
dadurch die Tragkraft des Schwenklagers und/oder mittels Reibungsverminderung dessen
Wirkungsgrad zu erhöhen.
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Figur 1 ist ein Längsschnitt durch einen Kolben und Kolbenschuh entlang
der Schnittlinie I-I der Figur 2, Figur 2 ist ein Längsschnitt durch die Figur 1
entlang der Schnittlinie II-II der Figur 1, Figur 3 ist ein Blick auf die Bodenfläche
des Kolbenschuhschwenklagerteiles entlang der Schnittlinie III-III der Figur 2,
Figur
4 ist eine schematische Darstellung der Verhältnisse im Schwenkgelenk der Figuren
1 und 2, Figur 5 ist ebenfalls eine schematische Darstellung, Figur 6 ist ebenfalls
eine schematische Darstellung, Figur 7 zeigt das Schwenkgelenk meines bisherigen
Kolbens und Kolbenschuhes aus einer meiner älteren Patentanmeldungen, Figur 8 zeigt
ein bisher üblich gewesenes Schwenkgelenk aus dem Stande der Technik zwischen Kolben
und Kolbenschuh, Figur 9 erklärt die Formgebung der Enden der Kolbenschuhschwenkwalze
zwecks Erzielung der maximalen Lagerfläche pro Schwenkgelenk.
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Der Kolben 4 hat die nach oben geschlitzte Kolbenquerbohrung nach
meinen Patentschriften DBP 1 453 724, 1 403 748, 1 302 469, 1 453 435, 1 653 382,
1 653 383, 1 453 433 usw., in die die Kolbenschuh-Schwenkwalze 6 schwenkbar eingesetzt
und gelagert ist, wobei der Kolbenschuhhals 19 sich durch den aus den be kannten
Patenten bekannten Schlitz zur Kolbenquerbohrung im Kolben 4 erstreckt und der Kolbenschuhhals
19 in dem genannten Schlitz 20 schwenken kann. Die Flächen der Kolbenquerbohrung
bilden das Lagerbett 3 im Kolben 4. Durch den Kolben 4 erstreckt sich die Fluidleitung
18 zwecks Lieferung von Druckfluid aus dem betreffenden Zylinder in das Schwenkgelenk
und in die Druck~
fluidtaschen 7 in der Außenfläche des Kolbenschuhes
5.
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Die Druckfluidverbindung zwischen den Taschen 7 und der Kolbenbohrung
18 erfolgt dabei durch die gegebenenfalls verzweigte Druckfluidleitung 8 durch den
Kolbenschuh 5.
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In Figur 7 ist der Kolben 44 mit dem Kolbenschuh 5 einer meiner älteren
Patentanmeldungen dargestellt. Die Kolbenschuhschwenkwalze 46 hat dabei die Druckfluidtasche
41, die durch die Lagerflächenteile 42, 43 an der Lagerfläche 10 des Bettes im Kolben
abgedichtet und an ihm getragen ist.
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Die Kolbenschuhaussenflächen 9 gleiten an der Kolbenhubführungsfläche
in bekannter Weise und dichten dabei die Druck fluidtaschen 7 ab.
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Die Figur 6 zeigt, daß die Flächenteile 42 und 43 der Figur 6 auf
der Lagerfläche 10 des Bettes im Kolben 44 die Trag und Dichtflächenteile 48 und
49 bilden, in schematischer Darstellung. In die Flächenspalte 48 - 49, also zwischen
die Teile 10,42 und 43 soll nach der hydrostatischen Lagertheorie aus der Druckfluidtasche
41 heraus Druckfluid eintreten-und die Lagerteile 48 - 49 schmieren.
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Die Figur 4 zeigt in schematischer Weise, wie diese Schmierung erfolgen
würde, wenn sie tatsächlich eintreten würde.
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In Figur 4 ist daher die Höhe des Druckes im Fluid zwischen den Flächen
10 und 42 - 43 durch die Druckbenennung "p"
dargestellt. Dieser
Druck nach der hydrostatischen Lagertheorie ist in Figur 4 durch die Linien 11,112,12
gezeigt.
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Erfindungsgemäß wird aber erkannt, daß die Zonen 48 und 49 der Figur
6 solche Zonen sind, die ich die "unsicheren Zonen nenne. Der Begriff unsichere
Zonen besagt, daß in den Bereichen dieser Zonen keine klaren Druckverhältnisse herrschen,
wie sie der hydrostatischen Lagertheorie entsprechend herrschen sollten. Die Erfindung
lehrt, daß solche unsicheren Zonen oft Reibung und Abnutzung verursachen und dadurch
das Schwenklager uneffektiv machen, indem sie hohe Reibung erzeugen und schließlich
das Lager durch Abnutzung unbrauchbar machen.
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Erfindungsgemäß entstehen die unsicheren Zonen 48-49 dadurch, daß
der Zusammenpreßdruck zwischen dem Kolben und der Kolbenschuhschwenkwalze so hoch
ist, daß sich zwischen der Lagerfläche 10 und der Kolbenschuh-Schwenkwalze 6 oder
46 kein Schmierspalt mehr ausbilden kann. Das heißt, daß der Kolben und der Kolbenschuh
auf dem Grunde des Bettes 10 dicht aneinander anliegen. Das kommt daher, daß die
Kolbenschuh~ schwenkwalze innerhalb des Kolbens angeordnet ist und daher die lagernde
Fläche 10 immer kleiner sein muß als der Quer schnitt durch den Kolben 4,44, so
daß die Fluiddruckkraft auf den Kolbenboden immer größer ist als die Gegenkraft,
die im Schwenklager ausgebildet werden kann. Folglich, so lehrt diese Erfindung,
kann der Schmierfilm zwischen den Teilen 10,42,43 entweder nicht mehr entstehen
oder er ist nicht mehr von der
Belastung allein, sondern weitgehend
von der mikrofeinen Material- und Oberflächenausführung der Teile 10,42 und 43 abhängig.
Als Folge dessen ist der Druckverlauf in den genannten Lagerflächenspalten 48,49
nicht mehr der nach den Linien 11,112,12 in Figur 4, sondern etwa grob der Verlauf
der Linien 61,112,62 in Figur 4. Dabei stellen die Linien 61, 62 nur einen angenommenen
Wert dar, der sich Je nach Oberflächen und Materialqualität rapide ändern kann.
Im extremen Falle äußerster Materialundurchlässigkeit und höchster Oberflächengüte
und Maßhaltigkeit ist der Verlauf sogar theoretisch den Linien 13,112,14 entsprechend.
In diesem Falle ist zwischen den Flächen oder Teilen 10,42,43 überhaupt kein Schmierfilm
vorhanden und die Teile laufen hoch reibend und abnutzend, trocken aufeinander.
Die unsicheren Zonen 48,49 können also entsprechend der Erfindung auch so definiert
werden, daß je nach praktischer Ausführung der Druckverlauf jede Linie zwischen
61 und 13 und zwischen Linien 62 und 14 der Figur 4 annehmen kann, wobei man nicht
mehr voraussagen kann, welchen wirklichen Verlauf die Kurven nehmen werden. Denn
diese mikrofeinen Verhältnisse der praktischen Ausbildung bei der Produktion der
Teile beherrscht man noch nicht.
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Erfindungsgemäß werden die negativen Auswirkungen der unsicheren Zonen
im Schwenkgelenk dadurch vermindet, daß eine Mehrzahl von kurzen Lagerflächenteilen
mit dazwischen befindlicher Mehrzahl von Druckfluidtaschen angeordnet wird, wobei
innere
und äußere Lagerflächenteile entstehen. Das ist in Figur 5 schematisch dargestellt.
Die Dichtflächenteile 15 und 16 bilden die äußeren, während die Dichtflächenteile
17 die inneren Lagerflächenteile 17 bilden. Die inneren Lagerflächenteile 17 sind
dabei keine Dichtflächen mehr, sondern reine Lagerflächenteile. Zwischen den Flächenteilen
15,16 und 17 befinden sich nicht numerierte Druckfluidtaschen. Dadurch werden die
Lagerflächenteile 17 von beiden Enden her durch Druckfluid geschmiert. Diese Ausbildung
durch die Erfindung kann auch zur Folge haben, daß dadurch eine höhere Tragkraft
an den beiderends geschmierten Teilen 17 entsteht, so daß die Dichtflächenteile
15 und 16 dadurch etwas angehoben werden können und dann sich wieder mehr der Wirkung
des hydrostatischen Lagers annähern.
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Die praktische Ausführung gestaltet man vorteilhafterweise so, daß
man, wie in Fig. 2 und 3 ersichtlich, eine mittlere Druckfluidtasche 3 anordnet,
die gleichzeitig die Verbindung zwischen den Druckfluidleitungen 18 und 8 herstellt.
Sie wird von den inneren Lagerflächenteilen 17 umgeben, die in den Figuren 2 und
3 mit 2 bezeichnet sind. Diese Lagerflächenteile 2 sind von zwei Enden her durch
Druckfluidbeaufschlagung geschmiert, da um die Fläche(n) 2 herum zum Beispiel die
DruckSluidtasche(n) 1 angeordnet sind. Ihre Beaufschlagung erfolgt durch Bohrungen
oder Druckfluidverb indungs leitungen, wie beispielsweise im Kolbenschuh in der
Figur 2 dargestellt ist. Außerhalb der inneren Druckfluidtasche 1 können weitere
innere LagerflEchenteil^2 ausgebildet werden, die durch Einschaltung
weiterer
Druckfluidtaschen 1 von beiden Enden her durch Druckfluid geschmiert werden. Wenn
die Druckfluidtaschen 1 sehr nahe der Mitte der Schwenkwalze liegen, können sie
Kreisform haben. Wenn sie aber weit von der Mitte entfernt liegen, dann erhalten
sie infolge der Schwenkwalzenform eine teilmondförmige Form, wie in der Figur 3
gezeigt. Da also, je nach Lage, die Druckfluidtaschen und Lagerflächenteile einteilig
oder mehrteilig sein können, wird im Patentanspruch von mindestens einer gesprochen,
was bedeutet, daß die betreffende Druckfluidtasche oder Lagerfläche in der praktischen
Ausführung an der Kolbenschuh-Schwenkwalze einteilig oder mehrteilig sein können,
so daß dabei eine oder mehrere ausgebildet sind.
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Durch die Ausbildung nach der Erfindung ist eine mit den heutigen
Mitteln der Technik und des Maschinenbaues begrenzt mögliche Maximaltragkraft und
maximaler Wirkungsgrad des Schwenkgelenkes an einer Schwenkwalze und einem sie tragenden
Lagerbette geschaffen worden.
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Die Figur 8 beschreibt einen Nachteil des Standes der Technik.
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In dieser Figur haben verwandte Teile die Vorziffer 5. Die Teilkugelform
56 des Schwenkgelenkes der bekannten Technik ist durch die Druckfluidtasche 51 zwar
druckbeaufschlagt, doch liegt sie auf einer kugelteilförmigen Fläche auf, die ich
zwecks prinzipieller Erklärung als Konus mit den Wandteilen
53
darstelle. Unter dem Druck und der Belastung werden also Konusteile aneinander gepreßt,
wie der Morsekonus in der Drehbank. Das ist natürlich vereinfacht beschrieben und
nicht ganz geometrisch exakt. Aber der Morsekonus in der Drehbank oder der Bohrmaschine
hat den Zweck, ein Teil festzuhalten, also festzuklemmen. Je größer der Durchmesser
der Druckfluidtasche 51 ausgebildet wird, je mehr nähert sich die Form dem Konus
an und Je größer wird die Einklemmkraft. Die Druckfluid~ tasche 51 im kugelteilförmigen
Schwenkgelenk der bekannten Technik bewirkt daher nicht die Reibungsverminderung
im Schwenkgelenk,-die man von ihr erwartet hat, sondern sie schafft mehr oder weniger,
je nach Ausbildung,eine Bremse des Schwenkgelenkes oder ein Festklemmen des Schwenkgelenkes.
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Ein Schwenkgelenk kugelteilförmiger Bauart innerhalb eines Kolbens
kann daher
maximale Re ibungsfre ihe it erzielen, und wenn man ein reibungsarmes, also ein
hocheffektives Schwenkgelenk haben will, dann muß man zu der Schwenkwalze im Kolben
etwa nach dieser gegenwärtigen Erfindung uebergehen.
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In meinen früheren Patentanmeldungen habe ich beschrieben, daß die
Kolbenschuh-Schwenkwalze an ihren Enden, dem Bette 10 im Kolben zugekehrt, konische
Zuspitzungen haben mUsse, damit bei der Ausschwenkung die Kolbenschuhschwenkwalzenenden
die Zylinderwand nicht berühren. Inzwischen habe ich aber erkannt, daß die genannte,
frühere Formgebung der Schwenkwalzenenden noch kein Optimum an Lagerfläche ergeben.
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Durch diese Erfindung wird daher gerade das Gegenteil gelehrt, nämlich,
daß der Schwenkwalzenboden fast mit dem Durchmesser des Kolbens ausgebildet werden
kann. Damit solche erfindungsgemäße Kolbenschuh-Schwenkwalze nicht die Zylinderwand
berührt, in der der Kolben gleitet, erhält die Kolbenschuhschwenkwalze der Figur
9 der Erfindung eine nach außen verjüngende Ausnehmung 71 nach der Figur 9.
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Bei Kolbenschuhen mit etwa 15 Prozent Kolbenhub im Vergleich zum Durchmesser
der Kolbenhubführung kann diese Verjüngung mit der Drehbank hergestellt werden und
dann etwa 12 Grad betragen. Bei kleineren Kolbenhüben eine entsprechend geringere
Gradzahl. Die Länge dieser konischen Abschrägung 71 beträgt im allgemeinen nur wenige
Millimeter.
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Durch diese Ausbildung der Schwenkwalzenenden wird gleichzeitig verhindert,
daß die oberhalb der Schwenkwalzenachse liegenden Walzenendteile an die Zylinderwand
anstoßen können. Dieser Überlegung liegen komplizierte geometrische Untersuchungen
zugrunde, die im einzelnen zu bringen den Zweck der Patentanmeldung überschreiten
würden.
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Die Kolbenschuhschwenkwalzen der Erfindung, wenn sie aus Aluminiumbronze
hergestellt sind und auf einem gehärteten Kolben aus Stahl laufen, zeigen keinerlei
Abnutzung nach 300 Bar-Läufen. Man kann kaum erkennen, daß sie im Betrieb mit hohem
Druck eingesetzt waren.
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Während in der Vergangenheit die Kolbenschuhe in Pumpen im allgemeinen
beim Ansaughub mechanisch nach außen gezogen wurden, ging ich in der jüngeren Vergangenheit
oft dazu über, die Kolben hydrostatisch aus dem Zylinder herauszudrücken.
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Den Kolben mit dem mit ihm schwenkbar verbundenen Kolbenschuh nenne
ich dann ein l'Kolbenassembly''. Es ist dann ein radial frei bewegliches Kolbenassembly.
Beim Betrieb von Pumpen oder Motoren mit radial frei beweglichem Kolbenassembly
ist es vorteilh2ft, in die Kolbenbohrung eine Einrichtungs~DurchfluB-sperre einzubauen,
damit der Kolbenschuh beim Auswärtshub nicht etwas vom Bett 10 abhebt. Beim Einwärtshub
würde dann nämlich ein Schließzeitverlust entstehen, der sich in unerwünschter Leckage
äußert. In den Figuren 1 und 2 ist im Kolben 4 eine derartige, Schließzeitverluste
verhindernde Durchfluß-Sperre eingezeichnet. Sie besteht aus der Buchse 21, die
durch das Haltemittel 25 in der Kolbenbohrung 27 gehalten ist und aus einem in der
Buchse 21 beweglichen Sperrkolben 22. Der Sperrkolben 22 kann durch ein Federmittel
23 in die Buchse 21 hereingedrückt und durch Fluiddruck vom Zylinder her gegen diesen
Federdruck geöffnet werden. Sich verjüngende Schlitze 26 können mehr oder weniger
Druckfluid durchlassen, je mehr oder weniger der Sperrkolben 22 gegen den Federdruck
der Feder 23 öffnet.
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Wenn nur geringer Druck vom Zylinder her herrscht, hält der Federdruck
der Feder 23 die Schlitze 26 durch die Buchse 21 verschlossen. Der Kolben mit dem
Kolbenschuh werden dann nach
außen gedrückt, ohne daß Druckfluid
entweichen kann und die Kolbenschuh-Schwenkwalze bleibt unter diesem geringen Druck
auf dem Bette 10 im Kolben dichtend aufliegen. Beim folgenden Hochdruckhub öffnet
der stärkere Fluiddruck das Sperrventil gegen den Federdruck der Feder 23 und läßt
Druckfluid zur Schmierung und Druckfluidbalancierung zum Kolbenschuh. Zwecks Verhinderung
einer radialen Beweglichkeit der Buchse 21 kann diese mit einer Aufweitung 24 versehen
sein, so daß die Buchse 21 durch den Teil 24 und die Halterung 25 im Kolben fest
gehalten wird.