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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Spannungswellen-Getriebe, wie es seit
langem bekannt ist. Neben den aus der Literatur bereits bekannten Verwendungen kann
die hier beschriebene Konstruktion auch Verwendung finden bei Stellantrieben, beispielsweise
nach den gleichzeitigen deutschen Patentanmeldungen ..... (unsere Akte 5632 sowie
5634). Aus der DE-PS 11 35 259 ist bekannt, daß die Verwendung eines Kugellagers
für den Spannungswellen-Erzeuger wesentlich zur Herabsetzung der Reibungskoeffizienten
und zur Erhöhung des Wirkungsgrades beitragen kann. Man hat dort zwischen dem inneren
Laufring und einem äußeren Laufring Kugeln vorgesehen. Die Kugeln sitzen mit enger
Passung in den Laufringen und durch das Spreizen des inneren Laufringes wird der
äußere Laufring in eine etwa elliptische Form gebracht. Beim Drehen des Laufringes
wird im Spannungsrad eine Welle um den äußeren Laufring herum fortgepflanzt. Um
das Erzeugen einer einwandfreien Welle zu gewährleisten, welche die Drehmitnahme
durch die Wand des Spannungsrades hindurch mit gutem Wirkungsgrad ermöglicht, wurde
empfohlen, Kugellager mit mindestens 36 Kugeln zu verwenden.
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In diesem Zusammenhang wurde bereits erkannt, daß der äußere Laufring
dieses Kugellagers ausreichend dünn sein muß, um zu verhindern, daß er über seine
Dauerbiegungsfestigkeit hinaus
beansprucht wird. Das Spreizen des
durch die Laufringe gebildeten Lagers bedingt, daß die Kugeln zusätzliches Spiel,
mit Ausnahme am ScheitelDunkt der Welle, haben. Da eine Belastung des Lagers zur
Seite der Welle hin auftritt, muß der innere Laufring auf jeder Seite des Scheitelpunktes
abgestützt sein.
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Die Anordnung der Kugeln und der Laufringe für die verschiedenen Belastungen
und Durchmesser war bereits früher als recht problematisch erkannt worden. Verschiedene
Detail-Ausführungsvorschläge wurden daher mitgeteilt. Jedoch wurde auch darauf hingewiesen,
daß trotz der starken Stoßdämpfung und hohen Stoßfestigkeit ein Betrieb dieser bisher
angewandten Spannungswellengetriebe unter hoher Belastung nicht zu empfehlen sei,
da hierdurch zusätzliche Beanspruchungen im Spannungsrad entstehen. So stellt beispielsweise
der Umstand, daß diejenigen Getriebezähne, welche die Belastung aufnehmen, sich
nicht genau am Scheitelpunkt der umlaufenden Welle befinden, bei hohen Belastungen
das Bestreben haben, die Form der Spannungswelle zu verzerren oder zu verschieben,
einen Schwachpunkt dar, der durch Stöße, Erhitzung usw.
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verstärkt wird. Dies hat zu der Erkenntnis geführt, daß das Spannungsrad
auch an der Seite der Spannungswelle abgestützt sein muß. Die dafür vorgesehenen
Kugeln erfüllen indessen die Forderung nach möglichst gleichmäßiger Abstützung nur
sehr unvollkommen. Aufgrund der starken Deformationen und hohen Anlage-Drücken ist
die Forderung nach intensiver Schmierung verständlich.
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Die Verwendbarkeit des an sich bekannten Spannungswellen-Getriebes
für hohe Belastungen und erhöhte Umgebungs-Temperaturen und -Drücke sowie Langzeitbetrieb
bzw. Stoßbelastungen, wie sie z. B. auch bei Handhabungsgeräten usw. vorkommen können,
ist aufgrund dieser Zusammenhänge noch sehr eingeschränkt. Auch stellt der Einbau
der Kugellager und der verschiedenen zusätzlichen Laufringe usw. sowie die Wechsel-und
Beulbeanspruchung der dünnen Wand des Spannungsrades erhöhte materialmäßige und
fertigungstechnische Anforderungen, die den Einsatz solcher Getriebe auch aus Preisgründen
behindern. Da die Kugellagerbelastung bei der bekannten Ausführungsform überdies
den gebräuchlichen Rahmen für normale Kugellager-Einsätze weit übersteigt und damit
auch geringere Lebensdauern verbunden sind, mußte bisher bei vielen an sich möglichen
Anwendungsfällen auf konventionelle Getriebe zurückgegriffen werden.
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Aufgabe der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung ist es daher, ein
Spannungswellen-Getriebe zu schaffen, das sich für hohe Belastungen, Langzeitbetrieb
und ggf. auch für höhere Umgebungstemperaturen eignet. Außerdem soll die Anzahl
der benötigten Teile reduziert und deren Verschleiß gemindert werden. Eine weitere
Aufgabe kann es sein, eine im Betrieb nachregulierbare Spreizkraftwirkung und Schmierungsintensität-Beeinflussung
vorzusehen. Insbesondere sollen die punkt- bzw. linienförmigen Belastungen des dünnwandigen
Spannungsrades
durch eine deutlich gleichmäßigere, allseitige Abstützung ersetzt werden. Damit
wird es auch möglich sein, den Ablauf der Eingriffsbcwegungen der Getriebezahnräder
frei von Vibrationen und anderen Unregelmäßigkeiten zu halten.
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Die Vorteile der Erfindung haben die vorerwähnten Probleme auf eine
überraschende Weise lösbar gen acht.
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Mit der Einführung der an sich bekannten, aber für die Spannungswellen-Getriebe
noch nicht in Betracht gezogenen Konstruktionsgrundsätze der hydrostatischen Lagerung
wird eine am gesamten Umfang sich gleichmäßig auswirkende Flächenbelastung bei gleichzeitiger
intensivster Schmierung mit nur ganz wenigen Bauelementen erreicht. Es können keine
Vibrationen durch einen Kugelumlauf mehr entstehen. Im Bereich der dünnen Wand des
Spannungsrades werden Reibungswärme-Konzentrationen und Verschleiß auf ein Minimum
reduziert. Die erfindungsgemäße Anwendung eines Druckmittelumlaufes schließt Trockenlauf-Erscheinungen
aus und kann dazu beitragen, bei Anwendungen mit erhöhter Umgebungstemperatur einen
Wärmestau an der kritischen Stelle des Getriebes auszuschließen. Der Anschluß des
hydrostatischen Lagers an eine Druckquelle für Drücke, die bei Bedarf weit höher,
als lediglich für den internen Umlauf erforderlich, liegen können, bietet auch die
Möglichkeit, bei topfartig ausgebildeten Spannungsrädern (z. B. ähnlich Fig. 44
der DE-PS 11 35 259) die dünne Wand des Spannungsrades gegen die Beulbelastung aus
evtl.
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erhöhten Umgebungsdrücken auf der Abtriebsseite durch entsprechend
Druckmittel-Pressung zusätzlich abzustützen. Die Fähigkeit eines Druckmittels, im
Gegensatz zu Wälzlagern, sich ohne Punkt- oder Linienbelastungen den sich bei Drehung
ständig ändernden verspannbaren Konturen des Spannungsrades fortlaufend anzupassen,
ergibt eine erheblich niedrigere Festigkeitsbeanspruchung, insbesondere für das
ständigem Lastwechsel ausgesetzte Spannungsrad. Durch die auf der gesamten Fläche
am Antriebsdurchgang zwischen dem Spannungswellen-Erzeuger und dem Spannungsrad
angeordneten Drucktaschen, welche untereinander durch schmale Dichtleisten abgegrenzt
sind und über mindestens einen Verbindungskanal je Drucktasche mit einer Druckmittelquelle
verbunden sind, die ihrerseits saugseitig mit dem Rücklauf aus den Dichtspalten
auf den Stirnseiten des Spannungswellen-Erzeugers bzw.
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der an ihn anschließenden Stützelemente verbunden ist, wird eine gleichmäßige
Bespülung nahezu des gesamten Antriebsdurchganges mit Kühl- bzw. Schmierflüssigkeit
erreicht. Die Reibungseffekte werden damit ganz erheblich gesenkt und Verschleiß
und Leistungsverlust ebenfalls deutlich vermindert.
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Ein derartiges Spannungswellen-Getriebe ist infolgedessen höheren
Belastungen, längeren Betriebszeiten und auch höheren Umgebungstemperaturen besser
gewachsen als die mit den bisher für diesen Einsatzbereich gebräuchlichen Lagerelementen
mit
ausschließlicher Gleit- bzw. Rollreibung arbeitenden Konstruktionen. Es ist dabei
möglich, den eigentlichen Spannungswellen-Erzeuger, welcher gekennzeichnet ist durch
vorzugsweise zwei auf dem Umfang diametral einander gegenüberliegende Erhebungen,
zusammen mit evtl. an- bzw.
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abtriebsseitig vor- bzw. nachgeordneten zusätzlichen Stützelementen,
welche sich zu der dem Spannungswellen-Erzeuger abgewandten Seite hin auf einen
Kreisquerschnitt hin verjüngen, als ein gemeinsames Werkstück auszuführen. Die Fertigung
und Montage bzw. auch Reparaturen können damit deutlich erleichtert werden.
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Der Vorteil der gleichmäßigen Druckausbreitung in Flüssigkeiten kann
bei der erfindungsgemäßen Konstruktion auch genutzt werden, um den Eingriff der
Getriebezahnräder, welcher vom Durchfederungsverhalten der Wand des Spannungsrades
abhängig ist, durch entsprechende Arbeitsdruck-Anpassung zum Nachregulieren der
Vorspannung zwischen Spannungswellen-Erzeuger und Spannungsrad ohne Bauteileauswechslung
zu optimieren.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den folgenden
Ansprüchen beschrieben. Mit der Ausgestaltung des Spannungswellen-Getriebes nach
Anspruch 2 wird über die vorerwähnten Vorteile hinaus noch erreicht, daß an dem
hydrostatischen Lager abtriebsseitig eine einfache Drosselstellenanordnung
entsteht,
die eine sichere, gleichmäßige Druckverteilung auf alle Verbindungskanäle zu den
einzelnen Drucktaschen bei minimaler Querschnittsschwachung der Welle erlaubt.
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- Falls Feinregulierungen nötig werden, brauchen nur Düsen auswechselbar
eingesetzt werden. -Mit der Ausgestaltung nach Anspruch 3 wird erreicht, daß der
Spannungswellen-Erzeuger über an ihn nach beiden Seiten anschließende Verlängerungen
noch zusätzliche Abstützfunktionen gegen evtl. Beulkräfte von außen übernehmen kann.
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Außerdem mindert eine Vergrößerung der wirksamen Fläche des Radiallager
nach diesem Anspruch die spezifische Flächenbelastung zwischen Spannungsrad und
Spannungswellen-Erzeuger.
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Zudem steht eine größere Fläche für intensiven Wärme-Abtransport zur
Verfügung.
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Mit der Ausgestaltung nach Anspruch 4 wird erreicht, daß trotz der
vergrößerten Länge des Radiallagers und unabhängig von der Einbaulage stets in allen
Drucktaschen genügend Öldruck vorhanden ist.
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Es ist dabei gleichgültig, ob die Dichtleisten als fest mit dem Rotor
des Spannungswellen-Erzeugers verbundene Stege oder als diesem nur übergestülpter
Korb" ausgebildet sind.
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Mit der Ausgestaltung nach Anspruch 5 wird erreicht, daß ein ausreichendes
und an allen Dichtleisten gleiches Druckgefälle gesichert ist und daß im Druckrnittelumlauf
das erwärmte öl rasch aus den Schmierspalten zwischen Dichtleisten und Innenwand
des Spannungsrades abfließen kann.
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Mit der Ausgestaltung nach Anspruch 6 wird erreicht, daß die Pumpe
zur Versorgung der hydrostatischen Lager mit dem Antriebsmotor des Spannungswellen-Getriebes
in unmittelbarer Triebverbindung steht. Es braucht also weder ein separater Antriebsmotor
für die Pumpe noch eine separate Antriebssteuerung dafür vorgesehen werden.
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Mit der Ausgestaltung nach Anspruch 7 wird erreicht, daß auch bei
nicht betriebenem Spannungswellen-Getriebe der Fülldruck im hydrostatischen Lager
bzw. den Drucktaschen weitestgehend aufrechterhalten bleibt, so daß auch bei stillstehendem
Getriebe der Vorteil der zusätzlichen Abstützung gegen Einbeul-Beanspruchungen erhalten
bleibt.
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Weiterhin können mittels Druckregler gemäß diesem Anspruch die evtl.
Beulkräfte aus dem Armaturen-Innenraum teilweise kompensiert werden.
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Mit der Ausgestaltung nach Anspruch 8 wird erreicht, daß für die
Druckmittelversorgung zumindest dann kein separater Ölbehälter nötig ist, wenn zur
Schmierung des Vorgelegegetriebes das gleiche Öl verwendet werden kann wie für das
hydrostatische Lager. Die Vorteile liegen dabei insbesondere in der kompakten und
einfachen Bauweise.
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Mit der Ausgestaltung nach Anspruch 9 wird erreicht, daß auch bei
Dauerbetrieb oder heißem Medium im Armaturengehäuse eine rasche Regenerierung des
Umlauföles erfolgt.
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Erforderlichenfalls könnte sogar noch ein ebenfalls vom gemeinsamen
Antriebsmotor angetriebenes Lüftergebläse die Leistung des Kühlers erhöhen.
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Die Darstellung der Erfindung erfolgt anhand schematischer Zeichnungen
und wird nachstehend näher erläutert: Fig. 1 ist eine Darstellung, die den prinzipiellen
Aufbau des bevorzugten Beispiels eines erfindungsgemäßen Spannungswellen-Getriebes
mit hydrostatischem Lager verdeutlicht, Fig. 2 ist ein Schnitt durch den Spannungswellen-Erzeuger
und verdeutlicht die am Schnittpunkt stattfindende, fortlaufende Deformation des
Spannungsrades durch den etwa elliptisch geformten Spannungswellen-Erzeuger;
Fig.
3 ist eine Raumbilddarstellung eines Spannungswellen-Erzeugers mit beidseitig vorgeordneten
Vprldllgerungen bzw. Stützkörpern; Fig. 4 zeigt nochmals die Außenkontur des SpannungsvJellen-Erzeugers
in der Mitte; Fig. 5 zeigt die Kontur der Verlängerungen am Ende.
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Das Beispiel nach Fig. 1 zeigt eine mögliche Anwendung für einen
Armaturenstelltrieb, bei dem im Armaturengehäuse 1 über einen Einbauflansch 2 das
komplette Spannungswellen-Getriebe von der Stirnseite 3 her eingesetzt ist. Das
Spannungsrad 4 ist mittels seines Bundes 5 gegen die Stirnseite 3 des Einbauflansches
2 stationär abgedichtet. Ein antriebsseitiger Stützkörper 6 (Verlängerung des Spannungswellen-Erzeugers)
kann mit seinem zylindrischen Auslaufende bereits vom offenen Ende des Spannungsrades
an seine Abstützwirkung gegen Beulkräfte oder Einknicken zur Wirkung bringen.
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Der Antrieb erfolgt über eine im Antriebswellenlager 7 konventionell
gelagerte Antriebswelle 8, mit deren Ende 9 der Antriebsmotor 10 in Triebverbindung
steht. Der abtriebsseitige Stützkörper 11, welcher dem Boden des Spannungsrades
12 vorgeordnet ist, und gemeinsame Rotationsachse 13 mit dem Spannungswellen-Erzeuger
14 hat, besitzt ebenfalls am
freien Ende Kreisquerschnitt und hat
am Übergang zum Spannungswellen-Erzeuger 14 dessen etwa elliptischen Querschnitt.
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Die Außenverzahnung 15, welche von den beiden umlaufenden Erhebungen
des Spannungswellen-Erzeugers 14 wellenförmig in die Verzahnungen des ersten Ringrades
16 und zweiten Ringrades 17 gepreßt wird, ruft auf die an sich bekannte Weise eine
erhebliche Drehzahlminderung hervor, welche von der Kupplungsglocke 18 zu einem
Verstellglied 19 weitergeleitet werden kann. Das dem Spannungswellen-Erzeuger 14
zugeordnete hydrostatische Radiallager 20 wird von der in Form einer Zahnradpumpe
oder dergleichen gebildeten Druckmittelquelle 21 gespeist. Der Zulaufdruckregler
22 erlaubt es in der Einspeiseleitung 23 bzw. im Zulaufsammelraum 24, einen stets
konstanten Druck sicherzustellen. Zur Versorgung des hydrostatischen Radiallagers
20 ist in der Antriebswelle 8 ein Hauptkanal 25, der vor dem freien Ende hinter
der abtriebsseitigen Verlängerung des Spannungswellen-Erzeugers 14 verschlossen
ist. Am Hauptkanal (25) sind Verbindungskanäle 26 zu den Drucktaschen 27, 28 vorgesehen,
welche diese bei gleichen Strömungswiderständen für jede Drucktasche 27, 28 mit
der Einspeiseleitung 23 bzw. mit dem Zulaufsammelraum 24 verbinden. Die Drucktaschen
sind untereinander durch Dichtleisten 29, welche mit dem Spannungswellen-Erzeuger
14 bzw. den vorgeordneten Stützkörpern 6, 11 umlaufen, bis auf minimale Dichtspalte
30 zur Wand des Spannungsrades 4 verschlossen.
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In die Dichtleisten 29 sind Rückflußkanäle 34 eingearbeitet, die
nur zum Rückflußsammelraum 35 freien Austritt haben. Durch ständigen Druckausgleich
zwischen den einzelnen Drucktaschen und den Kanälen 34 ergibt sich zwischen der
Innenwand des Spannungsrades 4 und dem Spannungswellen-trzeuger 14 zu einer berührungslosen
Dichtung 31. Der Oberschuß an Druckmittel, welcher im Einbauzustand immer aufrecterhalten
bleiben sollte, bewirkt hier über die kapillaren Verbindungskanäle 26 bzw. ihre
Rückflußdrosselstellen 33 mit einem deutlichen Druckgefälle in die eigenen Rückflußkanäle
34 zum Rückflußsammelraum 35 eine gleichmäßige Verteilung unter stetiger Schmier-
und Abstützwirkung über der gesamten Oberfläche. Über einen Rückflußdruckregler
36 und ggf.
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Kühler 37 kann das Druckmittel zum Vorlagebehälter 38 zurückfließen.
In der bevorzugten Ausführung wurde der Vorlagebehälter 38 als Gehäuse eines Vorgelege-Getriebes
39 ausgebildet. Dieses Vorgelege-Getriebe 39 ist hier über die Antriebslaterne 40
mit dem Armaturengehäuse 1 fest verbunden.
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Die erfindungsgemäßen Vorteile können selbstverständlich auch voll
zur Geltung kommen, wenn das Spannungsrad nicht topfförmig ausgebildet ist und der
Abfluß des Druckmittels, beispielsweise in Abtriebsrichtung, in einen Maschinensumpf
oder dergleichen erfolgen kann.
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In der Fig. 2 ist eine mögliche Anordnung von Durchtaschen 27, 28
auf dem Spannungswellen-Erzeuger 14 sowie die Anordnung der kapillaren Verbindungskanäle
26 und des Hauptkanals 25 etwa in der Achse des Spannungswellen-Erzeugers 14 dargestellt.
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In der Fig. 3 wird zur besseren Verständlichmachung anhand eines
Raumbildes eine mögliche Ausführung für den Spannungswellen-Erzeuger 14 und die
daran anschließenden Stützkörper 6, 11 mit den Drucktaschen 27, 28, den Dichtleisten
29 und den darin eingearbeiteten Rückflußkanälen 34 dargestellt. Selbstverständlich
ist die Zahl und Anordnung der Dichtleisten bzw. die Dimensionierung der Drucktaschen,
je nach Anwendungsfall, verschieden ausführbar, ohne die Erfindung zu verlassen.
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Primär ist die Herstellbarkeit eines ausreichend gleichmäßig verteilten
Kräftegleichgewichtes zwischen Kontraktions-und Expansionsspannungen.
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Die Kontur des Spannungswellen-Erzeugers, etwa in der Mitte der Außenverzahnung
15, zeigt Fig. 4 und die Kontur der Stützkörper an ihren freien Enden (praktisch
kreisförmig) zeigt Fig. 5. Der axiale Querschnittsübergang ist absatzlos und vorzugsweise
entsprechend der zugelassenen Beulkurve des Spannungsrades 4.
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Die Anwendung des hydrostatischen Lagerungsprinzips auf Spannungswellen-Getriebe
kann, ohne die Erfindung selbst zu verlassen, selbstverständlich auch dann noch
vorteilhaft sein, wenn die Verbindungskanäle zur Versorgung der einzelnen Drucktaschen
mit Druckmittel in das Spannungsrad selbst eingearbeitet werden.
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Die Funktion des Spannungswellen-Getriebes ist gekennzeichnet durch
die praktisch berührungslose Dichtung zwischen Spannungswellen-Erzeuger 14 und der
Innenwand des Spannungsrades 4. Das über die Bohrungen in den Drucktaschen 27, 28
aus den Verbindungskanälen 26 ausströmende Druckmittel fließt über die Dichtleisten
29 auf gesamter Breite bzw. Länge in die Rücklaufkanä.le 34 ab. Durch Drosselstellen
33 bzw. durch Zulauf- und Ablaufregler 22, 36 kann ein so ausgewogenes Druckgleichgewicht
zwischen Beulspannung und Flüssigkeitsdruck hergestellt werden, daß eine freischwimmende
und dennoch allseits gleichmäßige Abstützung gegenüber dem Spannungsrad 4 bei gleichzeitiger
intensiver Kühlung und Schmierung stets gewährleistet ist. Die Antriebswelle 8 kann
selbstverständlich auch über beliebige andere Antriebe bewegt und die Druckmittelquelle
21 auch unabhängig betrieben werden.