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Drehenergiespeicher.
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Die Erfindung betrifft einen Drehenergiespeicher gemäss dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Dass bewegte Massen bei geeigneter Anordnung ohne Wirkungsgrad-und
Umwandlungsverluste eine unmittelbare Energiespeicherung-und wiedergewinnung erlauben,
ist seit langem bekannt. Mit der Verwendung der kinetischen Ernergie einer sich
um eine festliegende Achse drehenden Masse nach der Formel
ist eine einfache Möglichkeit gegeben, Uberschuss-Energie bis zur Wiederverwendung
aufzunehmen und mehr oder weniger lang zu speichern. Eines der bekanntesten Anwendungsbeispiele
ist das Schwungrad zur Glättung unerwmschter Drehmoment-Schwankungen rotierender
Wellen. In neuerer Zeit wird dieses Prinzip mit Erfolg auch als Antriebs-Speicher
oder Bremse in Fahrzeugen benützt, Allerdings werden durch die blosse Drehzahländerung
einer Schwungmasse zum Zwecke der Energieabgabe bzw-aufnahme die gegebenen Möglichkeiten
nur teilweise ausgenutzt, da das Trägheitsmoment J S m2r 2 der Schwungmasse unverändert
bleibt. Eine Änderung von J aber z.B. durch Verschiebung des rotierenden Massenschwerpunktes
entlang eines veranderlichen Radius r erhöht bzw. vermindert den Drall des Systems
D = JOG; auch bei konstanter Drehzahl um die Drehachse und bewirkt eine Zu-bzw.
Abnahme der gespeicherter Energie E im rotIerenden System. Durch entsprechende Aus-Bildung
der Schvxungradmasse kann daher in einem solchen System jederzeIt eine Erhöhung
oder Vermlnderung der zu speichernden kinetischen Energie ohne Wirkungsgrad-Einbusse
erreicht
werden.
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Diese Art der Energiespeicherung ist für viele Anwendungsfälle, vor
allem auf dem Gebietstationärer Anlagen, wo Gewicht und Kreiselwirkung rotierender
Massen nicht berücksichtigt zu werden brauchen, vorteilhaft, so z.B. für die optimale
Speicherung der zeitlich unterschiedlichen unbeeinflussbaren Energieabgabe von Sonne,
Wind, Meeresgezeiten-Strömung und dgl., die Vermeidung des Verlustes hydraulischer
Energie aus Speichersee-und Flusskraftwerken infolge unausgenutzter Wasser-mengen
bei Teillast, geringerem Wirkungsgrad oder Rückpumpen in den Vorlauf bzw. Speicher,
die augenblickliche Bereitstellung elektrischer Spitzenenergie z.B. in E-Werken
und öffentlichen Verteilernetzen, sowie für Bahn und Hebewerke aus sofort belastbaren
Speichern anstelle von nur kurzzeitig zu startenden Zusatzaggregaten u.a.m. Aber
auch im schweren Fahrzeugbau, wie z.B. LKW, Bagger, Kränze od.dgl. ist die Abgabe
oder Aufnahme eines für beschränkte Zeitdauer geforderten zusätzlichen Drehmomentes
unabhängig von der Betriebsdrehzahl von Bedeutung.
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Es ist ein derartiger Drehenergiespeicher zur Bremsenenergieausnutzung
von Fahrzeugen mit automatischem Getriebe bekannt (DE-OS 30 11 833), bei welchen
die gesante Drehenergiemasse in Einzelmassen aufgeteilt ist, die um die Drehachse
der Gesamtmasse in Umfangsrichtung gleichmässig verteilt mittels eines mechanischen
Denkerwerkes angebracht sind, wobei der Abstand der Massenschwerpunkte der Einzelmassen
von der Drehachse mittels des Lenkerwerkes verstellbar ist. Diese bekannte Anordnung
ermöglicht zwar eine Anderung der Massenenergie ohne änderung der Drehzahl, jedoch
ist das mechanische Benkerwerk sehr aufwendig und störungsanfällig. Ausserdem ist
durch das mechanische Lenkerwerk nur schwer eine Führung der Einzelmassen in einer
radialen Ebene möglich0 Es ist daher ein nicht unerheblicher Platzbedarf in Längsrichtung
der Achse für die Axialkomppnente
der Verschwenkbewegung des Lenkerwerks
zum Verstellen der Einzelmassen erforderlich.
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Es ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, einen derartigen
Drehenergiespeicher so auszubilden, dass mit grösstmöglicher Raumausnutzung eine
einfache, billige und betriebssichere radiale Verstellung der Massenschwerpunkte
in einem weiten Bereich möglich ist.
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Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung durch die im kennzeichnenden
Teil des Anspruchs 1 enthaltenen Merkmale gelöst.
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Durch die erfindungsgemässe Verwendung von in radial angeordneten
Zylinderkammern liegenden Kolben als Einzelmassen, die entlang der Zylinderkammern
radial durch ein hydrauli sches Druckmittel nach innen und durch die Zentrifugalkraft
nach aussen verschiebbar sind, entfallen komplizierte bewegliche Lenkeranordnungen,
die infolge der sehr hohen wirksamen Zentrifugalkräfte sehr schwer ausgebildet sein
müssten. Durch die erfindungsgemässe Verwendung eines hydraulischen Druckmittels
zur Verstellung der Einzelmassen, können auch sehr hohe Zentrifugalkräfte durch
entsprechende Auswahl der Druckhöhe des Drittels ohne Schwierigkeiten überwunden
werden. Dadurch kann der erfindungsgemässe Drehenergiespeicher mit wesentlich höheren
Drehzahlen und damit wesentlich wirtschaftlicher arbeiten, als der bekannte mit
einem mechanischen Lenkerwerk zur Teilmassenverstellung arbeitende Drehenergiespeicher.
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Durch den im Anspruch 2 gekennzeichneten redteckigen Querschnitt der
Einzelmassen und der diese aufnehmenden Kammern wird eine noch günstigere Raumausnutzung
erreicht.
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Durch die im Anspruch 3 gekennzeichnete Ausbildung der Einzelmassen
wird der Verschiebeweg radial nach innen und damit der bei konstanter Drehzahl zur
Verfügung stehende Energiebereich des Drehenergiespeichers vergrössert. Durch
die
im Anspruch 4 gekennzeichnete Anordnung von Zwischenzylindern wird die Masse bei
gegebener Abmessung des die Schmmgmassen aufnehmenden Zylindergehäuses und damit
der Wirkungsgrad erhöht. Durch die in den Ansprüchen 5 und 6 gekennzeichnete Ausbildung
wird die durch die Ausbildung gemäss Anspruch 4 erreichte Wirkung verbessert, da
der radiale Verschiebeweg der Einzelschwungmassen in den Zwischenzylindern vergrössert
wird.
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Durch die im Anspruch 7 gekennzeichnete Ausbildung mit Anordnung von
zusätzlichen Schwungmassen bei entsprechender Ausbildung der Zylinderkammern werden
die sonst ungenutzten Räume zwischen den Kammern im Aussenumfang ausgenutzt, und
damit der Energiespeicherbereich des Drehenergiespeichers vergrössert, wobei durch
die in den Ansprüchen 8 und 9 gekennzeichnete Steuerung die Beaufschlagung der Einzelmassen
in der erforderlichen Reihenfolge ohne Schwierigkeiten auf einfache Weise möglich
ist. Durch die im Anspruch 10 gekennzeichnete Zuführung des Druckmittels wird eine
Beaufschlagung der kolbenartigen Einzelmassen auf einfache Weise möglich.
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Durch die in den Ansprüchen 11 und 12 gekennzeichnete Xombination
mehrerer Einzelenergiespeicher gemäss der Erfindung mit einem grossen Schwungrad
wird es möglich, grosse Schwungenergien auf einfache Weise zu speichern und abzugeben.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der zeichnungen an Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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In den Zeichnungen zeigen: Fig0 1 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform
des Drehenergiespeichers, Fig. 2 einen durch die Drehachse gehenden Vertikalschnitt
eines Drehenergiespeichers gemäss Fig. 1,
Fig. 3-5 Teilansichten
eines Querschnittes durch eine andere Ausführungsform des Drehenergiespeichers in
ververschiedenen Arbeitsstufen, Fig. 6-8 Ansichten ähnlich Fig. 3-5 auf eine weitere
Ausführungsform des Drehenergiespeichers, Fig. 9 einen Teilaxialschnitt durch einen
Drehenergiespeicher der Ausführungsform gemäss Fig. 3-5 mit Kolbensteuerungen für
die Zuführung des Druckmittels, Fig.1O einen Teilschnitt in einer Querschnittsebene,
welche die Steuerbetätigungfür die Druckmittelzuführung bei dem Ausführungsbeispiel
gemäss Fig. 6-8 darstellt, Fig.11 einen Teilaxialschnit, der die in Fig. 10 dargestellte
Steuereinrichtung darstellt, und Fig.12 schematisch einen Axialschnitt durch einen
Drehenergiespeicher, der eine Anzahl von Einzeldrehenergiespeichern zur Speicherung
grösserer Energien vereinigt.
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Der in Fig. 1 und 2 dargestellte Drehenergiespeicher hat ein Speichergehäuse
1, das mittels Fussblechen 2 auf einem Fundament abgestützt ist. An den Stirnseiten
des Gehäuses 1 sind in Lagern 3 Wellenzapfen 4 eines rotierenden Zylindergehäuses
5 gelagert. Im Zylindergehäuse 5 sind im Querschnitt rechteckige Radialkammern 6
angeordnet, die über die ganze axiale Länge des Zylindergehäuses 5 verlaufen und
mit ihrem inneren Ende in einer Zylinderfläche 7 enden, deren Umfang der Summe der
Umfangsabmessungen aller Kammern 6 entspricht.
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In den Kammern 6 sind kolbenartige Einzelschwungmassen 8 flüssigkeitsdicht
radial verschiebbar angeordnet. Im radial äusseren Bereich sind zwischen den Kammern
6 Zwischenkammern 9 angeordnet, die die gleiche axiale Länge, wie
die
Kammern 6 entsprechend der axialen Abmessung des rotieren den Zylindergehäuses 5
und eine Umfangsabmessung gleich oder unterschiedlich von denen der Kammern 6 haben.
In den Zwischenkammern 9 sind kolbenartige Zwischenschwungmassen 10 flüssigkeitsdicht
verschiebbar.
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Die Kolbenmassen 8 und 10 haben an ihrer oberen Stirnfläche eine der
Innenfläche der Umfangswand des rotierenden Zylindergehäuses 5 entsprechende Ausbildung
und sind unterhalb einer mit einer bekannten Dichtung versehenen Dichtfläche im
Querschnitt keilförmig ausgebildet. Der Keilwinkel der Haupteinzelmassen 8 entspricht
dem durch die entsprechende Hauptkammer 6 bestimmten Zylindersektor des Zylinders
7, während der Keilwinkel der Zwischenkolbenmassen 10 dem Öffnungswinkel der angrenzenden
Wandflächen der Hauptkammern 6 entsprechen. Durch diese Ausbildung der Einzelmassen
8 bzw. 10 wird der radiale Verschiebeweg der Schwerpunkte der Einzelmassen und dadurch
der Speicherbereich vergrössert.
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Bei rotierendem Zylindergehäuse 5 werden die Einzelmassen 8 bzw. 10
infolge der Fliehkraftwirkung bis zu ihrem grössten Abstand von der Drehachse des
rotierenden Zylindergehäuses 5, wie mit gestrichelten Linien dargestellt, verschoben.
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Das rotierende Zylindergehäuse 5 bildet ein nach aussen druckfestes
Gehäuse. Der Fliehkraft der radial verschiebbaren Einzelmassen 8 bzw. 10 wirkt ein
statischer Flüssigkeitsdruck auf die Aussenflächen der Einzelmassen entgegen.
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Das Druckmedium wird durch den in Fig. 2 rechten Wellenstummel 4 durch
eine Leitung 11 zugeführt und gelangt durch Leitungen 12 in den Stirnwänden des
rotierenden Zylindergehauses 5 in die Beaufschlagungräume zwischen der Aussenseite
der Einzelmassen 8 bzw 10 und der Umfangswand des rotierenden Zylindergehäuses 5.
Dabei können in der Umfang wand des Zylindergehäuses und/oder der Aussenseite der
Einzelmassen Anordnungen z.B. Nuten zum gleichmssigen Verteilen des Druckes über
die ganze Fläche der Einzelmassen 8,10 vorgesehen sein.
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Durch Regelung des statischen Flüssigkeitsdruckes wird die jeweilige
Lage des Schwerpunktes der Einzelmassen 8 und 10 innerhalb der konstruktiv gegebenen
Grenzen und damit auch der effektive Drall D = J.a) =. J der Einzelmassen beliebig
eingestellt. Durch eine Verschiebung der Einzelmassen wird eine Anderung des Dralles
und dadurch ein antreibendes bzw. bremsendes Moment M - dD = dw = dt ddt im Gesamtsystem
erzeugt.
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Somit muss bei gleichbleibender Drehzahl durch sich auf einen grösseren
Durchmesser verschiebende Lassen dem rotierenden System Energie zugeführt bzw. durch
sich nach innen bewegende Massen Energie von diesem abgeführt werden Zur Vermeidung
der Reibungsarbeit des mit hoher Geschwindigeit rotierenden Zylindergehäuses 5 wird
der Raum zwischen diesem und dem umgebenden Gehäuse 1 unter Vakuum gehalten. Der
Antrieb bzw. Abtrieb des rotierenden Zylindergehäuses 5 erfolgt über den Wellenstummel
14 durch eine elektro-magnetische Kupplung 15, deren treibende bzw. getriebene Teile,
z.B. durch eine dünne Platte, luftdicht getrennt sind, um das Vakuum im Gehäuse
1 aufrechterhalten zu können. Am tiefsten Punkt des Gehäuses 1 ist eine Abführung
1 6 für Leckflüssigkeit und zur Erhaltung des Vakuums vorgesehen.
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Die erforderliche Höhe des hydraulischen Druckes in den Kammern 6,9
wird durch die Fliehkraft der Einzelmassen 8, 10 selbst eingestellt, wobei deren
jeweils gewünschte Stellung durch Steuerung des Flüssigkeitsvolumens in den Kammern
bestimmt ist.
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Ein ausserhalb des rotierenden Speichersystems angeordneter nicht
dargestellter hydraulischer Druckbehälter nimmt die von den sammern nicht benötigte
Fliussigkeitsmenge unter Beibehaltung des statischen Druckes auf bzw. gibt die benötigte
Flüssigkeitsmenge in die Eaamern ab.
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In der vorstehend beschriebenen Anordnung, die nach Anzahl, Form,
Grösse und Hublänge der Einzelmassen für eine optimale Wirkung bei einem gewünschten
Leistungsbereich variiert werden kann, setzt die Material-FestigReit des rotierenden
Zylindergehäuses 5 der Fliehkraftbeanspruchung eine obere Grenze für die speicherbare
Energiemenge.
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Als Orientierung für die mögliche Speicherkapazität derartiger Anordnungen
kann mit einem Arbeitsvermögen von etwa 0,01 KWh pro cm axiale Länge der aktiven
Gesamtmasse bei einer Drehzahl von 10000 /min 1 und einer Dauerzugbeanspruchung
von 1000 N/mm2 für die höchstbelasteten Teile gerechnet werden.
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Bei der in Fig. 3-5 dargestellten Ausführungsform sind Haupt-und Zwischenkammern
17 bzw. 22 ähnlich dem ersten Ausführungsbeispiel angeordnet. Die axial verlaufenden
Seiten-wände 18 der Kammern sind jedoch an ihrem Berührungspunkt, d.h. in einer
Zylinderfläche, deren Umfang der Summe der Umfangslänge aller Haupt-und Zwischenkammern
entspricht, dicht miteinander verbunden. An diesen Verbindungslinien von jeweils
zwei benachbarten Kammerwänden ist jeweils ein Schwenkwandabschnitt 20 druckdicht
angelenkt. Die Schwenkwandabschnitte 20 legen sich in der in Fig. 3 und 4 dargestellten
Stellung, in der die Hauptkammern 17 zur Drehenergieregelung herangezogen werden,
an im Querschnitt keilförmigen Führungselementen 21 mit ihren radial inneren Kanten
flüssigkeitsdicht an.
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Bei dieser Ausführungsform des Drehenergiespeichers werden zuerst
die Hauptkammern 17 zur Energieregelung herangezogen, d.h. die in den Hauptkammern
17 liegenden Haupteinzelmassen 8 werden durch entsprechende Beaufschlagung mit Druckmittel
aus der in Fig. 3 dargestellten Lage radial nach innen in die in Fig. 4 dargestellte
Lage verstellt, in der sie die auch in Figo 1 ausgezogen dargestellte Stellung einnehmen.
In dieser Stellung liegen die Dichtflachen
jeder der kolbenartigen
Einzelmassen 8 an den mit den Wandflächen der entsprechenden Hauptkammer 17 fluchtenden
Seitenflächen der zugeordneten keilförmigen Führungselemente 21 an. Die Aussenfläche
der Einzelmassen 8 liegt radial innerhalb des Schwenkbereichs der Wandabschnitte
20.
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Wenn eine grössere Energieabgabe erforderlich ist, werden die Zwischeneinzelmassen
19 der Zwischenkammern 22 mit Druckmittel beaufschlagt und gegen die Fliehkraft
radial nach innen bewegt. Diese Einzelmassen 19 haben eine der Innenfläche des Zylinders
5 entsprechende Aussenwand. Wenn die Zwischeneinzelmassen 19 in den Bereich der
Schwenkwandabschnitte 20 kommen, kommen diese in die in Fig. 5 dargestellte Lage,
in der sie Kammerwände für die Zwischenkammern 22 bilden. Die Zwischeneinzelmassen
19 haben an ihrer radial innen liegenden Seite eine in Axialrichtung verlaufende
Längsnut 19a, die sich, wie in Fig. 5 dargestellt, über das zugeordnete keilförmige
Führungselement 21 legt, so dass die Innenflächen der Zwischenmassen 19 sich auf
der Aussenseite der Hauptmassen 8 anlegen.
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Der Beaufschlagungsdruck der Zwischenmassen 19 ist dabei grösser,
als der für die Hauptmassen 8, um den in den Hauptkammern 17 herrschenden Druck
beim Verschwenken der Schwenkwandabschnitte 20 aus der in Fig. 3 und 4 dargestellten
Stellung in die in Fig. 5 dargestellte Stellung zu überwinden. Eine entsprechende
Anordnung zur gesteuerten Zuführung dieser unterschiedlichen Drücke ist in Fig.
9 dargestellt und weiter unten beschrieben.
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Bei der in Fig. 6-8 dargestellten Ausführungsform sind in dem rotierenden
Zylindergehäuse 5 ausser Hauptkammern 26 Zwischenkammern 9 mit Zwischeneinzelmassen
10 vorgesehen, die den in Fig. 1 und 2 dargestellten Zwischenkammern 9 bzw. Zwischenmassen
10 entsprechen.
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In den H-auptkammern 26 i-st eine Hauptmasse 28 angeordnet, die in
ihrer Ausbildung den Hauptmassen 8 beim Ausführungsbeispiel
gemäss
den vorhergehenden Ausführungsbeispielen etwa entspricht. Die Seitenwände der Hauptkammern
26 enden jedoch an ihrem radial äusseren Ende in Abstand von der Innenwand des rotierenden
Zylindergehäuses 5 und sind in einem äusseren Kammerraum angrenzend an das rotierende
Zylindergehäuse 5 nach beiden Seiten in Umfangsrichtung zu Seitenkammern 29 verlängert.
In jeder der Seitenkammern 29 ist eine zusätzliche Kolbenmassenhälfte 30 in Umfangsrichtung
druckdicht verschiebbar angeordnet. Die Umfangsabmessung dieser zusätzlichen Kolbenmassen
30 ist so gewählt, dass, wenn diese in Umfangsrichtung über die Xiauptkammer 26
verschoben sind (Fig. 7), die äusseren Flächen dieser zusätzlichen Kolbenmassen
30 einen aufsatzstückartigen Kolbenteil auf dem Hauptkolben 28 mit gleichen Umfangsabmessungen
bilden.
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An der von der Hauptkammer 26 abgewandten Seite jeder der zusätzlichen
Kolbenmassenhälften 30 ist ein Führungsstück 31 angeordnet, das mit der Kolbenmasse
30 inUmfangsrichtung druckdicht verschiebbar ist0 Diese Verschiebebewegung ist durch
eine Begrenzungsnut 32, in die ein am Führungsstück 31 befestigtes Führungsteil
eingreift, so begrenzt, -dass in ausgefahrener Stellung, d.h. wenn die zusätzlichen
Einzelmassenhälften 30 oberhalb der Haupteinzelmasse 28 liegen, die der Hauptkammer
26 zugewandten Flächen der Führungsstücke 31 eine Verlängerung der entsprechenden
Kammerwände der Hauptkammer 26 bilden (Fig. 7). Die Beaufschlagung der zusätzlichen
Kolbenmassen 30 bzw. der Führungsstücke 31 erfolgt über eine Ringleitung 33 in einer
Stirnwand des rotierenden Zylindergehäuses 5, die über entsprechende Austrittsöffnungen
hinter den jeweiligen Bührungsstücken 31 mit den Seitenkammern 29 verbunden ist.
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Die Beaufschlagung mit Druckmitteln für die zusätzlichen Kolbenmassenhälften
30 in Umfangsrichtung erfolgt mit einem höheren Druck, als die der Einzelmassen
28 selbst.Eine entsprechende Steueranordnung ist weiter unten in Verbindung
mit
Fig. 10 und 11 beschrieben.
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Zur Steuerung der Seaufschlagung bei der Ausführungsform gemäss Fig.
3-5 ist, wie in Fig. 9 gezeigt, in dem der Abtriebsseite abgewandten Wellenstummel
40 ein Regelschieber 41 vorgesehen.
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Der Regelschieber 41, dessen beide Regel-und Stellungspunkte durch
die radiale Lage der Einzelmassen 8 bestimmt sind, steuert den Zufluss der Druckflüssigkeit
durch die Leitungen 42 und 43 in die und aus den Kammern 17 und 22. Dieser Schieber
41 wird durch zwei sich gegenüberliegende,sich aufeinander zu-oder voneinander fort
bewegenden Haupteinzelmassen 8 in Richtung der /Vellenachseg axial dadurch verschoben,
dass an den Massen 8 am radialen inneren Ende der Stirnfläche um 450 gegen die Wellenachse
angeschrägte Slächen angeordnet sind, die den Regelschieber 41 axial nach aussen
bewegen, wenn die beiden Massen 8 sich der Drehachse nähern. Wenn die Massen 8 sich
radial nach aussen bewegen, wird der Schieber 41 durch eine Feder 44 in die ursprüngliche
Ausgangslage zurückgestellt, wobei diese Hin-und Herbewegung über einen erst verzögernden,
dann beschleunigenden Druckpunkt vorsich geht.
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Ein weiterer Regelschieber 45 ist an einer der Zwischenkammern 22
für die Zwischenmassen 19 vorgesehen, der den Zufluss 46 für die Druckflüssigkeit
öffnet, wenn die Zwischenmasse 19 in ihrer radial äussersten Stellung liegt, und
der wieder schliesst, wenn die Masse 19 sich durch eine kleine Hubbewegung etwas
nach radial innen verschoben hat.
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In der ersten Regelstellung , in der beide massen 8 und 19 an äusseren
Umfang liegen, hält der Schieber 41 den Zufluss 42 offen, wodurch die radiale Lage
der Hauptmassen 8 durch FlüssigReitszu-bzw-abfuhr regelbar ist. Die Stellung der
Zwischenmassen 19 ist unbeeinflusst, da der Zufluss 49 in dieser Stellung des Schiebers
41 gesperrt ist.
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In der zweiten Regelstellung, in der die Hauptmassen 8 bereits nach
innen verschoben sind, während die Zwischenmassen 19 sich noch am äusseren Umfang
befinden, sperrt der Regelschieber 41 den Zufluss 42 und öffnet den Zufluss 43,
wodurch die Stellung der Zwischenmassen 19 steuerbar wird, während die Stellung
der Hauptmassen 8 durch die eingeschlossene Flüssigkeitsmenge in der Hauptkammer
17 unverändert bleibt, bzw. noch etwas geändert werden kann über die noch offene
Stellung des Schiebers 45 an der Zwischenkammer 22, solange die Masse 19 sich noch
am radial äussersten Umfang befindet und auf diese Weise noch einenZufluss von der
Ringleitung 43 über den Schieber 45 nach der Leitung 42 gestattet.
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In einer dritten Regelstellung liegen beide Massen 8 und 19 am radial
kleinstmöglichen Umfang (Fig. 5). Durch Regelung des Flüssigkeitsvolumens in den
Kammern 22 bewegen sich beide Massen 8 und 19 nach aussen, da bei einer Verschiebung
der Massen 19 sich auch die Massen 8 bewegen, die sich in dieser Stellung auf die
Massen 19 abstützen. Nach kurzer radialer Auswär'tsbewegung beider Massen 8 und
19 werden die Massen 8 von den für die Führung der Masse 19 auseinander gespreizten
Schvvenkwandabschnittt 20 gestoppt und so in dieser Lage gehalten, während Massen
19 durch Regelung der Füllung in den Zwischenkammern 22 über den Zufluss 43 sich
dem äussersten Umfang nähert. Hat die Masse 19 den äussersten Umfang erreicht, schwenkt
der über Schieber 45 wirksam werdende Flüssigkeitsdruck in der Leitung 46 in den
Hauptkammern 17 die gespreizten Schwenkwandabschnitte 20 in die für die radiale
Auswärtsbewegung der Massen 8'geeignete Lage, während das Flüssigkeitsvolumen für
die Kammern tt7 noch durch den Schieber 45 solange geregelt wird, bis cher Schieber
41 auf die Ausgangsstellung der ersten Regelstellung zurückgestellt ist. Diese Umschaltung
auf die erste Regelstellung erfolgt also erWt nach Erreichen der radial äussersten
Endstellung der Zwischenmassen 19.
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Bei der in Fig. 6-8 dargestellten oben erläuterten Ausführungsform
erfolgt die Steuerung des Zu-und Abflusses von und zu einem nicht dargestellten
Sammelraum für Druckmittel abhängig vom geforderten Leistungsbedarf durch nicht
dargestellte Steuerorgane ausserhalb des Speichers oder von Hand, Für den Zu-und
Abfluss zu und von den Seitenkammern 29 für die Verschiebung der zusätzlichen Kolbenmassen
in Umfangsrichtung ist ein in Fig. 10 und 11 dargestelltes selbständig arbeitendes
Steuerorgan vorgesehen, das zwischen einer Zuführung für Druckmittel im Wellenstummel
des Schwungradgehäuses 5 und der Zuleitung zu den Seitenkammern 29 so angeordnet
ist, dass das Druckmittel einstellbar und abhängig von der radialen Verschieberichtung
und der Stellung der henachbarten radial bewegbaren Haupteinzelmassen 28 den Seitenkammern
hinter den zusätzlichen Kolbenmassenhälften 30, d.h. den Führungsstücken 31 mit
einem höheren Druck als der in der Hauptkammer 26 bestehende zugeführt und bei der
radialen Auswärtsbewegung der Massen der Druck aufgehoben, und die Druckflüssigkeit
zurück in den Sammelraum geleitet wird.
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In Fig. 10 und 11 ist eine vorzugsweise Ausführungsform einer derartigen
Steuereinrichtung dargestellt. Dabei ist ein Drehschieber 51 vorgesehen, der über
eine nicht näher erläuterte Schnappanordnung in eine von zwei Endstellungen durch
einen Hebel 52 verstellbar ist. Die Umsehaltbewegung dieses Hebels 52 wird durch
einen magneten 53 eingeleitet, der als Teilfläche an einer sich radial verschiebenden
aus magnetisch-nicht leitendem Material bestehenden Hauptkolbenmasse 28 angeordnet
ist. Die wände der Rauialkammern 26 besteht aus magnetisch nicht leitendem Werkstoff.
Der Hebel 52 ist nur teilweise mit einem magnetisch leitendem lerkstR 54 belegt,
so dass er je nach der radialen Verschieberichtung der Schwungmasse radial einwärts
oder auswärts um seinen 3rehpun1et 55 schwenkt. Bei einer entsprechenden 3tellung
der Hauptschwungmasse 28 schliesst der daran angeordnete Magnet 53 seinen magnetischen
Fluss durch zwei in der
unmagnetischen Kammerwand angeordnete Einlagen
56 aus magnetisch leitendem Werkstoff über den Magnetwerkstoff 54 am Hebel 52, wodurch
dieser in die gewünschte Schaltrichtung bewegt wird, wobei die Umschaltbewegung
des Magnethebels 52 durch den Schnappmechanismus in die jeweilige Endstellung beschleunigt
wird.
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Der Hebel 52 steht mit dem Drehschieber 51 in Verbindung.
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Der Drehschieber 51 besitzt zwei Endstellungen, mit denen er über
seine innere Bohrung 57 wechselweise durch eine 90°-Drehung des Drehkörpers um seine
Drehachse die Kanäle 58 und 59 oder 59 und 60 verbinden kann0 Seine Drehachse ist
an ihrem einen Ende in einem massiven Teil 61 des rotierenden Zylindergehäuses 5
und an ihrem anderen Ende in dessen seitlichen Stirnplatte 62 gelagert und an seinem
Ende mit einem Zahnrad 63 fest verbunden. Bei einer mewegung eines Zahnsegmentes
64 am Hebel 52, als Folge einer Verdrehung dieses Hebels 52 um die Achse 55 wird
der Drehschieber 51 vorzugsweise beschleunigt von einer Endstellung in die andere
durch eine Schnappvorrichtung beispielsweise durch einen federbelasteten Steuernocken
verdreht. Je nach seiner augenblicklichen Stellung stellt dann der Drehschieber
51 eine Verbindung für die Druckflüssigkeit mit der Seitenkammer 29 entweder mit
dem Steuerzufluss 60 oder dem Abfluss 58 her, die beide durch einen Wellenstummel
des rotierenden Zylinders 5 zu-bzw. abgeführt werden. Eine dritte Zuführung 65 für
Steuerflüssigkeit durch den Wellenstummel dient der Steuerung des Druckes im Hauptdruckraum
26.
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tat die ilauptkolbenmasse 28 z.B. unter der Einvirkung des Flüssigkeitsdruckes
in der Zuführung 65 den grösstmöglichen radialen Abstand verlassen und den Durchmesser
der inneren Bührungsfläche der Seitenkammer 29 erreicht, wird die Stellung des Schiebers
51 durch die Einwirkung eines z-Iagneten 53 in der Weise geändert, dass der Steuerzufluss
65 mit der Seitenkammer 29 verbunden wird, und dadurch diese unter
einen
Flüssigkeitsdruck setzt, der grösser ist als der im Beaufschlagungsraum der Hauptmasse
28. Dies verursacht eine Bewegung der beiden zusätzlichen Massen 30 entlang des
inneren Gehäuseumfanges in diesenBeaufschlagungsraum (Fig. 7), wobei sich die abdichtend
Führungsstücke 31 mit einem Vorsprung entlang einer Nut/bewegen, an deren Ende jeweils
ein Anschlag vorgesehen ist, der die Führungsstücke nach Erreichen der Endstellung
unter der Wirkung der Druckdifferenz zwischen den2Sührungen 59 und 65 in dieser
Position hält.
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Der Steuerdruck in der Zuführung 65 übernimmt nun die Regelung der
radialen Stellung der Massen 28 und 30.
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Bewegen sich die Kolbenmassen 28 und 30 unter dem Einfluss der Zentrifugalkraft
aus der radial innersten Stellung (Fig. 8) durch entsprechende Steuerung des Druckes
in der Zuführung 65 wieder radial auswärts, wird durch den Magneten 53 der Schieber
51 nach Erreicher der radial äussersten Stellung der zusätzlichen Massenhälften
30 wieder so verstellt, dass die Seitenkammern 29 mit dem Ablauf 58 verbunden sind,
und damit der Flüssigkeitsdruck in der Zuführung 59 abfällt, und die Führungsteile
30 und die zusätzlichen Massen 28 in die Ausgangslage (Fig. 6) unter der Druckwirkung
in der Leitung 65 zurückkehren, was wiederum der Hauptmasse 28 gestattet, nach aussen
nachzugleiten.
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Der Drehschieber 51 steuert den Beaufschlagungsdruck nur in eine der
Seitenkammern 29. Dieser Beaufschlagungsdruck wird über die Ringleitung 33 auf alle
im rotierenden Zylindergehäuse 5 enthaltenen Seitenkammer 29 übertragen.
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Der Xeistungsbereich für einen einzelnen Speicher gemäss z.3. einer
der vorhergehenden Ausftüirungsformen kann durch Zusa menwirken eines oder mehrerer
solcher Speicher mit einer beliebig grossen, aber nur durch die Drehzahl regulierbaren
Schwungmasse vervielfacht und ein erheblich grösserer Speichereffekt erreicht werden.
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Eine grundsätzliche Anordnung hierfür ist in Fig. 12 dargestellt.
Dabei sind eine Anzahl von Drehenergiespeichern z.3.
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nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele mit einer drehbaren
Schwungmasse grösser als die Summe der Schwungmassen der Einzelenergiespeicher über
das Aussenrad des Planetengetriebes verbunden, wobei die Antriebsverbindung wahlweise
über ein regelbares Getriebe dessen Abtriebswelle mit dem Ritzel des Planetengetriebes
in Werbindung steht oder direkt über den Planetenradträger des Planetengetriebes
erfolgen kann. Diese wahlweise Einstellung der Antriebsverbindung erfolgt beim Ausführungsbeispiel
dadurch, dass jeder der Einzelenergiespeicher 80 über eine Umschaltkupplung 78 mit
einer über einen Zahntrieb 86 mit dem Planetenradträger 73 des Planetengetriebes
verbundenen Welle 85 oder mit der Antriebswelle 82 des stufenlos regelbaren Getriebes
verbindbar ist, dessen Abtriebswelle 83 mit dem Ritzel des Planetengetriebes in
Verbindung steht.
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Mit Hilfe eines drallgeregelten Speichersystems nach Fig.12 wird die
Drehzahl der Schwungmasse 70 so beschleunigt bzw.
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verzögert, dass die zu speichernde Energie aufgenommen bzw.
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abgegeben wird je nach der gewunschten Richtung und Grösse des Drehmomentflusses
in der Abtriebswelle 71 0 t diesem Prinzip können viele der eingangs erwähnten Speicherbedürfnisse
gedeckt werden.
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Das an der Welle 71 wirksame Drehmoment in antreibender oder abtreibender
Richtung und bei konstanter oder wechselnder Drehzahl wird über das Antriebsrad
72 auf den Planetenradträger 73 eines Planetengetriebes übertragen. uber die Planetenräder
74 wird zwangsläufig eine gleichgrosse Zahnkraft jeweils auf das Ritzel 75 und auf
das Aussenrad 76 ausgeübt. Das Aussenrad76 ist starr mit dem Schwungrad 70 gekuppelt,
und das Ritzel 75 über ein stufenloses Getriebe 77, die Umschaltkupplung 78, sowie
eine elektromagnetische Kupplung 79 und der Wellenstummel 14 mit den verschiebbaren
Einzelmassen 8,10 (Fig0 1) der Drehenergiespeicher 80 verbunden.
Bei
gleichbleibender Drehzahl der Welle 71 hat eine durch eine Einzelmassen-Verschiebung
wahlweise verursachte Dralländerung in den Speichern 80 eine erhöhte Drehmoment-Aufnahme
oder -abgabe zur Folge, was die Zahnlast am Ritzel 75 ändert. Ans Gleichgewichtsgründen
ändert sich dadurch auch die Umfangskraft am Aussenrad 76, die in voller Grösse
das Schwungrad 70 beeinflusst. Hierdurch ist auch bei gleichbleibender Drehzahl
der Welle 71 ein Energie-Transport innerhalb der Welle von und zum Speicher möglich.
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Der in Fig. 12 dargestellte Speicher kann danach Energie -aufnehmen
vom Antrieb 71 zum Speichersystem, wenn ein Drehmoment im Planetenradträger 73,
ausgehend vom Antrieb 71, die beiden Speicher 70,80 belastet. Hierbei können entweder
die Speicher 80 und 70 gleichzeitig rotieren oder auch nur einer der beiden Speichertypen;
I-abgeben vom Speichersystem zum Antrieb, wenn ein Drehmoment vom Ritzel 75 und
Aussenrad 76 auf die Planetenräder 74 und damit auf den Planetenradträger 73 ausgeübt
wird. Hierbei können ebenfalls entweder beide Speicher 80 und 70 rotieren oder nur
einer von beiden.
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Bei laufendem Antrieb und stillstehendem Schwungrad 70 werden zur
Minderung des Schlupfverlustes beim Anfahren zunächst nur die Speicher 80 aufgeladen.
Das geschieht durch Einstellung einer solchen Position und Verschiebungsgeschwindigkeit
der Einzelmassen 8,10, dass das kleinstmögliche Belastungsmoment gefordert ist,
d.h. die Einzelmassen 8,10 stehen in ihrer in Fig. 1 dargestellten innersten Position
(rmin ergibt das kleinste Reaktionsmoment). Die Speicher 80 laufen dann mit einer
höchsten Drehzahl pro Minute, die durch die Antriebsdrehzahl und das Jbersetzungsverzältnis
des Planetengetriebes gegeben ist. Das maximal wirksame Lbersetzungsverhältnis zwischen
dem Speicher 80 und der Antriebswelle 71 für den Fall des stillstehenden Schwungrades
70 ist dadurch bestimmt. Die im ersten Augenblick vom Antrieb
verursachte
und von den Speichern 80 aufgenommene Zahnlast kann für eine Bewegung des Schwungrades
70 nicht ausreichen. Durch eine dauernd wirksame Verschiebungstendenz der Einzelmassen
8,10 in den Speichern 80 nach aussen wird -ein Dauerbelastungsmoment im Gesamtsystem
gefordert, das vom Antrieb 71 bei konstanter oder veränderlicher Drehzahl geliefert
wird. Dieses Moment belastet das
76 und damit das Schwungrad 70 lange genug, um beim Anfahren aus dem Stillstand
die Masse des Schwungrades 70 in Bewegung zu bringen und dadurch an der Speicherung
des vom Antrieb 71 gelieferten Momente teilzunehmen, d.h. beide Speicher 8Q und
70 drehen sich jetzt; wobei N80 > N71 > 70 ist.
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Mit wiederholter Verschiebung der Einzelmassen 8,10 in den Speichern
80 nach aussen bei konstanter Antriebsdrehzahl N71 verringert sich die Drehzahl
N8&er Speicher 80 und gleichzeitig erhöht sich die DrehzahlN70 Schwungrades
immermehr, was eine zunehmende Verkleinerung des Übersetzungsverhältnisses zwischen
Antrieb 71 und Schwungrad 70 bedeutet, bis letztlich N80=N71=N70 ist.
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Um nun eine Minderung der Leistungsfähigkeit der Speicher 80 infolge
der allmählichen Drehzahlabsenkung des Ritzels 75 zu vermeiden, ist zwischen diesem
Planetenritzel 75 und den Speichern 80 ein feinstufig veränderbares 'J57echselgetriebe
oder ein stufenlos veranderbares Getriebe 77 angeordnet, das die Drehzahl für die
Speicher 80 während aller Drehzahlveränderungen des Schwungrades 70 durch axiale
Verschiebung des Zwischenrades 81 zwischen den Kegeln 82 und 83 annähernd konstant
nält, unabhängig von der Ritzeldrehzahl des Planetengetriebes.
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Solange das Schwungrad 70 noch nicht seine höchstzulässige Drehzahl
und damit auch nicht seine grösstmögliche speicherbare Energie erreicht hat, müssen
die Einzelmassen 8,10 in den Speichern 80 immer wieder auf ihre ursprüngliche Ausgangslage,
d.he auf den kleinsten Rotationsradius zurückgestellt
werden,
um durch erneute Verschiebung nach aussen als Reaktionskraft im Elanetenritzel 75
zur weiteren Aufladung des Bchvungrades 70 beizutragen.
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während dieser Rückstellbewegung der Einzelmassen 8,10 wird in einem
Speicher 80 ein Beschleunigungsmoment erzeugt, das die für den unmittelbaren Energiezufluss
von der Antriebswelle 71 zu den Speichern 80 notwendige Stützung des Ritzels 75
aufhebt. Dafür wird aber in dieser Periode die 3eschleunigungskraft aus den Speichern
80 unmittelbar über die Wechselkupplung 78 auf die Zwischenwelle 85 und von dort
über ein Vorgelege 86 auf den Planetenträger 73 geliefert, während ein zweiter oder
weitere vorgesehene Speicher 80 sich in dieser Periode aufladen und damit auch die
Stützung des Planetenritzels 75 übernehmen.
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Dieser Energiezufluss zum Schwungrad 70 sowohl unmittelbar von der
Antriebswelle 71 als auch über das Vorgelege 86 auf den Planetenträger 73 findet
solange statt, bis die höchstzulässige Drehzahl des SchXrzungrades 70 und damit
seine grösste Kapazität erreicht ist. Zur Abgabe der gesLeicherten Energie aus dem
Schwungrad 70 erfolgen alle Bewegungen der Einzelmassen 8,10, d.h. die Verschiebungen
der Massen sofrerpunkte in den Speichern 80 in umgekehrter Reihenfolge wie für den
Ladevorgang. Ebenso wechselt die Verschiebung richtung des Zvbischenrades 81 im
stufenlost Getriebe 77 und die Ubertragungsfolge über die Umschaltkupplung 78 in
die Speicher 80 und von dort zum Planetenritzel 75.
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Die Regelung des Gesamtspeichersystems in allen seinen Funktionen
und Gangarten erfolgt zweckmässigerweise durch kombinierte hydraulische, elektrische
und elektronische Steuermittel. Grundsätzlich bezieht sie sich auf die Richtung
des Dre.-.moment-lusses in das oder aus dem Speichersystem und die gewünschte Drehzahl
in Abhängigkelt von der der Antrieb welle 71.
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die In einzelnen umfasst die Regelunguführung der Druckflüssigkeit
in die und aus den Kammern 6,9 abhängig von dem geforderten Drehmoment und der Drehzahl,
sowie das Umsteuern der Einzelmassen 8,10 nach Beendigung eines jeden Hubes zurück
in die jeweilige Ausgangsstellung.
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Ebenso wird die Verschiebungsrichtung des Zwischenrades 81 im Getriebe
77 und die Wechselfolge der Kupplung 78 hydraulisch umgesteuert. Bei mehreren angeordneten
Speichern 80, die wie in Fig. 12 gezeigt, gemeinsam das Schwungrad 70 aufladen bzw.
leeren, ist eine Regelung in der Weise eingeschlossen, dass zu jeder Zeit eine maximale
Anzahl der vorgesehenen Speicher 80 gleichzeitig sowohl in Lade-als auch in Entlade-Richtung
wirksam werden. Schliesslich ist der Druckbehälter für die Aufnahme bzw. Abgabe
der Druckflüssigkeit in die Kammern 6,9 so gestaltet und sein interner Druck so
geregelt, dass die geforderte Menge und Druck der steuernden Flüssigkeit geliefert
bzw. zurückgenommen werden kann.
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Um die Verluste solcher Speicheranlagen auf einem Minimum zu halten,
arbeiten nicht nur das Schwungrad 70 und die rotierenden Teile der Speicher 80 im
Vakuum, sondern auch alle an der Speicherung beteiligten, umlaufenden Getriebe und
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