DE3433289A1 - Hydraulische radialkolbenmaschine - Google Patents

Description

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Rudolf Bock
Palmerstraße 9 7038 Holzgerlingen

Hydraulische Radialkolbenmaschine

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Radialkolbenmaschine mit stufenlos verstellbarem Kolbenhub, mit einem umlaufenden, konzentrisch zu einem Steuerzapfen angeordneten Zylinderkörper mit als Wälzkörper ausgebildeten, symmetrisch über den Umfang verteilten Kolben, die auf einer relativ zum Zylinderkörper verstellbaren Steuerkurve abrollen.

Radialkolbenmaschinen, bei denen die Kolben durch Kugeln gebildet werden, bei welchen nur eine Umfangslinie der Kugel in der Zylinderbohrung abdichtet und die Kugeln auf einer Steuerkurve abrollen, sind bekannt. Es ist bei hydraulischen Radialkolbenmaschinen auch bekannt, zur Veränderung des Kolbenhubs die im allgemeinen auf der Innenseite des Maschinengehäuses ausgebildete Steuerkurve um eine parallel zum Rotor der Maschine verlaufende Achse quer zur Längsrichtung des Rotors zu verstellen, wobei die Steuerkurve eine reine Kreiskurve sein kann.

Beim Einsatz hydraulischer Radialkolbenmaschinen in einer hydrostatischen Antriebseinrichtung für Fahrzeuge wird eine stufenlose Verstellbarkeit mindestens der als Motor eingesetzten Radialkolbenmaschine gefordert. Außerdem muß eine kompakte, raumsparende Bauform angestrebt werden, damit eine solche Radialkolbenmaschine als Nabenmotor für die Antriebsräder eines Fahrzeuges eingesetzt werden kann. Die bisher bekannten Radialkolbenmaschinen mit stufenlos verstellbarem Kolbenhub haben aber den Nachteil einer aufwendigen Bauweise, welche einen relativ großen Raumbedarf leistungsfähiger Maschinen bedingt und zwangsläufig ihre Störanfälligkeit erhöht. Auch eignen sich bisher bekannte Radialkolbenmaschinen, bei denen die Kolben als Wälzkörper in Form von Kugeln ausgebildet sind, nicht für den erwähnten Anwendungszweck, weil die spezifische Pressung durch die Punktauflage der kugelförmigen Kolben bei den Festigkeitswerten und den zugehörigen Elastizitätsmodulen der üblichen Kolbenwerkstoffe unabhängig von den Maschinenabmessungen nur relativ kleine Öldrücke zulassen, die für den Einsatz in Fahrzeugantriebseinrichtungen zu niedrig sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydraulische Radialkolbenmaschine der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sie bei relativ einfachem Aufbau und kompakter Bauweise mit höheren Öldrücken als bisher bekannte Radialkolbenmaschinen mit als Wälzkörper ausgebildeten Kolben betrieben werden kann.

Die gestellte Aufgabe wird mit einer hydraulischen Radialkolbenmaschine der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die als Wälzkörper ausgebildeten Kolben mit einem kreiszylindrischen Bereich an der Steuerkurve linienförmig anliegen und im Zylinderkörper mit ihrer Dreh-

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achse um einen relativ kleinen Winkelbereich kippbar angeordnet sind, und daß die Steuerkurve auf einem achsparallel zum Zylinderkörper verstellbaren Steuerring als symmetrische Raumkurve so ausgebildet ist, daß sich in der ■Verstellrichtung des Steuerringes sowohl die den inneren Totpunkt für die Kolben als auch die den äußeren Totpunkt für die Kolben bildenden Kurvenbereiche ändern. Dabei kann die Steuerkurve zweckmäßig auf der Innenseite eines den umlaufenden Zylinderkörper konzentrisch umfangenden Steuerringes ausgebildet sein, der in Axialrichtung gegen die Kraft von auf einer seiner Stirnseiten angreifenden Federn verstellbar ist.

Die erfindungsgemäß ausgebildete hydraulische Radialkolbenmaschine läßt sich sehr kompakt sowohl mit kurzer Baulänge als mit kleinem Außendurchmesser eines zylindrischen Gehäuses ausführen. Durch die Linienberührung der einen kreiszylindrischen Mittelbereich aufweisenden Wälzkörper-Kolben erlaubt die Radialkolbenmaschine höhere spezifische Drücke des hydraulischen Betriebsmediums. Durch die besondere Ausbildung der vorzugsweise nach zwei senkrecht aufeinanderstellenden Raumebenen symmetrischen Raumkurve, die bei ihrer Axialverstellung gleichzeitig eine Änderung der inneren und der äußeren Totpunktlage der Kolben ergibt, wird nur ein relativ kurzer Verstellweg des die Steuerkurve tragenden Steuerringes erforderlich, was die angestrebte kurze Baulänge der Radialkolbenmaschine begünstigt. Bei der Steuerkurvenverstellung können die Kolben wegen ihrer begrenzten kippbaren Anordnung in den Zylindern immer ihre Linienanlage an der Steuerkurve beibehalten, ohne daß sich durch die Kippbewegung um einen relativ kleinen Winkelbereich ein nennenswerter Leckölspalt zwischen Kolben und Zylinderwandung ergibt. Die ausreichende Abdichtung der Zylinderräume läßt sich durch die Formgebung der Kolben begünstigen, wobei die

als Wälzkörper ausgebildeten Kolben zweckmäßig mit ihrem kreiszylindrischen Mittelbereich an beiden Enden in Kugelabschnitte übergehen und der Durchmesser der Zylinderöffnungen des Zylinderkörpers einem Axialschnitt der Kolben entspricht.

Durch die symmetrische Ausbildung der Steuerkurve ist bei der erfindungsgemäß ausgebildeten hydraulischen Radialkolbenmaschine ein vollkommener Ausgleich der auftretenden Kräfte erzielbar, so daß die Lagerstellen der Maschine günstig dimensioniert werden können. Außerdem ist es bei dieser Ausbildung der Steuerkurve als symmetrische Raumkurve möglich, den Förderstrom oder die ölmengenaufnahme konstant zu wählen.

Beim Einsatz der hydraulischen Radialkolbenmaschine als Motor läßt sich eine lastabhängige automatische Verstellung der Steuerkurve und damit eine automatische Anpassung des Kolbenhubs an die Motorbelastung bewirken. Hierzu kann erfindungsgemäß der die Steuerkurve aufweisende Steuerring axialverschiebbar und verdrehbar im Gehäuse gelagert sein und auf seinem kreiszylindrischen Außenmantel mehrere, gleichmäßig über den Umfang verteilte, schraubenlinienförmig verlaufende Führungsnuten aufweisen, in welche jeweils ein am Gehäuse befestigter Führungsstift mit einer auf ihm gelagerten Führungsrolle ragt. Um diese Wirkung in beiden Drehrichtungen zu erhalten, können sich die Führungsnuten für die einzelnen Führungsstifte jeweils von einer Ausgangsstelle aus sowohl in der einen als auch in der anderen Umfangsrichtung mit gleichem Steigungswinkel erstrecken. Das bei der Belastung des Rotors am Rotor wirksame Drehmoment wirkt sich zwangsläufig auch auf die Steuerkurve als Reaktionsmoment aus und bewirkt durch die Führungsnutanordnung

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ein axiales Vorschrauben des Steuerringes gegen die Kraft der ihn belastenden Federn. Einer bestimmten Verdrehung des die Steuerkurve tragenden Steuerringes entspricht eine entsprechende axiale Verschiebung des Steuerringes und eine entsprechende Verstellung des Kolbenhubs aus einer Stellung kleinsten Kolbenhubes in Richtung auf die Stellung maximalen Kolbenhubes. Bei der Verwendung der Kolbenmaschine als Pumpe wird die Steuerkurve zweckmäßig so ausgebildet, daß sie in ihrer einen Endstellung und Ausgangsstellung eine Nullförderung, also keinen Kolbenhub bewirkt.

Um bei der erwähnten Verdrehung des Steuerringes bei einer als Motor eingesetzten Radialkolbenmaschine gemäß der Erfindung eine Änderung der Steuerzeiten zu vermeiden, kann erfindungsgemäß der Steuerzapfen mit dem Steuerring mitdrehbar gekoppelt sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform können die den Steuerring einseitig belastenden Federn als Schraubendruckfedern ausgebildet sein, die zwischen dem Boden von auf einer Stirnseite des Steuerringes ausgebildeten Blindbohrungen und einer im Gehäuse koaxial drehbar angeordneten Ringscheibe eingespannt sind, die mit in die Schraubendruckfedern eintauchenden Stiften und mit Mitnehmeransätzen versehen ist, an welch letzteren vom schwimmend angeordneten Steuerzapfen radial abstehende Stege anliegen. Der schwimmend im Rotor des Motors angeordnete Steuerzapfen ist also nicht starr mit dem Steuerring gekoppelt. Die Druckfedern sind zu einem großen Teil in die Blindbohrungen des Steuerringes eingesetzt, in welche auch die sich innerhalb der Schraubendruckfedern erstreckenden Mitnehmerstifte eintauchen. Durch diese Ausführungsform wird ebenfalls eine kurze Baulänge der Maschine begünstigt. Außenliegende Verstelleinrichtungen für den Steuerring entfallen vollständig, und das

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Maschinengehäuse kann sich in Radialrichtung über den ganzen Umfang unmittelbar an den Steuerring anschließen, wodurch auch eine geringe Axialabmessung der Maschine erreicht wird.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß ausgebildeten Radialkolbenmaschine anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert.

Im einzelnen zeigen:

Pig. I einen zentralen Querschnitt durch die

Radialkolbenmaschine entlang der Linie I - I in Fig. 2;

Fig. 2 einen abgewinkelten Querschnitt durch

die Maschine entlang der Linie II - II in Fig. 1;

Fig. 3+4 eine Seitenansicht und eine stirnseitige

Ansicht eines als Wälzkörper ausgebildeten Kolbens der Maschine;

Fig. 5 eine Einzeldarstellung des Steuerringes

der Maschine von der einen Stirnseite her;

Fig. 6 eine Darstellung der anderen Stirnseite

des Steuerringes;

Fig. 7 einen Querschnitt durch den Steuerring

entlang der Linie VII - VII in Fig. 5;

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Flg. 8 eine gegenüber Fig. 5 um 90° gedrehte

Ansicht des Steuerringes, teilweise im Schnitt entlang der Linie VIII - VIII in Fig. 5;

Fig. 9 einen Teilschnitt durch den Steuerring

entlang der Linie IX - IX in Fig. 5.

Die hydraulische Radialkolbenmaschine weist ein zylindrisches Gehäuse 10 auf, das in seiner einen Hälfte drei symmetrisch über den Umfang verteilte Auswölbungen 11 mit achsparallel verlaufenden Gewindebohrungen 12 aufweist, in denen Schrauben zur Befestigung eines das Gehäuse auf seiner einen Seite verschließenden Deckels 13 verankerbar sind. Die andere Stirnseite des Gehäuses 10 ist durch eine auf einen Außenflansch 19 des Rotors aufgesetzte Montageringscheibe 14 verschlossen, die mit einer großen zentralen öffnung 15 versehen ist, durch welche ein Anschlußwellenstumpf 16 des Maschinenrotors ragt. An den Außenrändern der Montageringscheibe 14 und des Außenflansches 19 und auf der gegenüberliegenden Innenseite des Gehäuses sind Ringnuten 17 als Lagernuten für die Kugeln 18 eines Vierpunkt-Wälzlagers ausgebildet, mit welchem der Rotor im Gehäuse 10 spielfrei gelagert ist. Das Vierpunkt-Wälzlager ist mittels Kunststoffmanschetten 20 abgedichtet. Die Montageringscheibe 14 dient beispielsweise zum Befestigen einer Bremsscheibe eines Fahrzeugrades, wenn die Radialkolbenmaschine als Nabenmotor für ein Fahrzeugrad eingesetzt wird.

Der hohlzylindrische Hauptteil des Rotors bildet den Zylinderkörper 21, in welchem sechs gleichmäßig über seinen Umfang verteilte, langlochförmige Durchgangsöffnungen 22 als Zylinderöffnungen ausgebildet sind. In den Zylinderöffnungen

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22 sind als Wälzkörper ausgebildete Kolben 23 angeordnet, an deren Querschnittsform der Querschnitt der Zylinder-Durchgangsöffnungen 22 angepaßt ist. Die Fig. 3 und 4 zeigen einen Kolben 23 in Einzeldarstellung. Er besteht aus einem kreiszylindrischen Mittelteil 23·1, der an beiden Enden in einen Kugelabschnitt 23.2 und 23.3 übergeht. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Kugelabschnitte 23.2 und 23.3 Abschnitte einer Kugel, deren Mittelpunkt M im Zentrum des Kolbens 23 liegt.

In den hohlzylindrischen Zylinderkörper 21 des Rotors ist eine Verteilerbuchse 24 spielfrei eingesetzt, die auf die Zylinderdurchgangsöffnungen 22 ausgerichtete öffnungen 25 aufweist, in welche die Kolben 23 eintauchen können und deren Querschnitt so gewählt ist, daß ein Durchkippen der Wälzkörper-Kolben 23 im Zylinderkörper 21 verhindert wird.

Die Kolben 23 liegen mit ihrem kreiszylindrischen Mittelabschnitt 23.1 linienförmig an einer Steuerkurve 26 an, die auf der Innenseite eines mit seinem kreiszylindrischen Außenmantel 28 mit Gleitsitz in das Gehäuse 10 passend eingesetzten Steuerringes 27 ausgebildet ist, der in den Fig. bis 9 einzeln dargestellt ist. Fig. 5 zeigt die vordere Stirnseite 27.1 und Fig. 6 die hintere Stirnseite 27·2 des Steuerringes 27· Die Fig. 7 bis 9 zeigen Längsschnitte durch den Steuerring 27 an unterschiedlichen Umfangsstellen. Aus den Schnittbildern der Fig. 2 und 7 bis 9 ist die Geradlinigkeit der Steuerkurve 26 in der Anlagerichtung des kreiszylindrischen Mittelbereiches 23·1 der Wälzkörper-Kolben 23 ersichtlich. Die unterschiedlichen Umfangslinien der Steuerkurve an der vorderen Stirnseite 27.1 und an der hinteren Stirnseite 27.2 des Steuerringes 27 sind aus den Fig. 5 und 6 zu erkennen. Die Umfangslinie der Steuerkurve

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26 auf der vorderen Stirnseite 27.1 ist mit der Bezugsziffer 26.1 und die ümfangslinie der Steuerkurve 26 auf der hinteren Stirnseite 27.2 des Steuerringes 27 ist mit der Bezugsziffer 26.2 bezeichnet. Die Ümfangslinie 26.1 bestimmt den kleinsten Kolbenhub und die Ümfangslinie 26.2 der Steuerkurve 26 der maximal möglichen Kolbenhub. Die Steuerkurve 26 ist also als Raumkurve so ausgebildet, daß sich bei einer Axialverschiebung des Steuerringes 27 sowohl die den inneren Totpunkt für die Kolben als auch die den äußeren Totpunkt für die Kolben bildenden Kurvenbereiche ändern. Die Schnittbilder zeigen, daß die Steuerkurve 26 aus einer Parallellage (Fig. 9) innerhalb eines relativ kleinen Winkelbereiches wechselnde Schräglagen zur Längsachse A des Rotors und des Steuerringes 27 und entsprechend wechselnde Anlagelinien für die Kolben 23 bildet. Daraus resultiert eine leichte Kippbewegung der Kolben 23 in den Zylindern, denen die Kolben durch ihre Formgebung ohne merkliche Dichtungsminderung folgen können. Die Ümfangslinie 26.1 der Kurve 26, die den kleinsten Kolbenhub bestimmt, hat gemäß Fig. 5 annähernd Kreisform und kann bei einer Ausbildung der Maschine als Pumpe zur Erzielung einer Nullförderung auch volle Kreisform haben. Die ümfangslinie 26.2 für den Maximalhub der Kolben hat gemäß Fig. 6 einen stark ovalen Verlauf. Die Gesamtkolbenhubverstellung kann hierbei beispielsweise soweit getrieben sein, daß bei einer Ausführungsform der Maschine als Motor bei Maximalhub der Kolben die doppelte Fördermenge als beim vorgegebenen Minimalhub der Kolben erreicht wird.

Die in der Zeichnung dargestellte Maschine ist für den Einsatz als Motor gedacht. Der Steuerring 27 ist mittels aus Fig. 2 ersichtlicher Schraubendruckfedern 29 in eine ebenfalls aus Fig. 2 ersichtliche Ausgangsstellung vorgespannt, in welcher die Steuerkurve 26 mit dem Bereich ihrer Umfangs-

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linie 26.1 die Kolben 23 im Sinne eines minimalen Kolbenhubes beeinflußt. Am zylindrischen Außenumfang 28 des Steuerringes 27 sind an drei Stellen schraubenlinienförmig verlaufende, in der Projektion V-förmig erscheinende Pührungsnuten 30 ausgebildet, von denen eine in Fig. 8 ersichtlich ist. Die beiden Nutabschnitte 30.1 und 30.2 bilden also von ihrer Verbindungsstelle 30.3 in entgegengesetzter Umfangsrlchtung mit gleicher Steigung ausgehende Gewindegänge. In diese V-förmigen Pührungsnuten 30 ragt jeweils eine Führungsrolle 32, die auf einem radial im Gehäuse 10 befestigten Führungsstift 31 drehbar gelagert ist (Fig. 2). In der aus Fig. 2 ersichtlichen Ausgangslage des Steuerringes 27 befindet sich die Führungsrolle 32 jeweils an der aus Fig. 8 ersichtlichen Verbindungsstelle 30.3 der Führungsnuten 30.

Die Schraubendruckfedern 29 sind in zwei einander gegenüberliegenden Umfangsbereichen des Steuerringes 27 jeweils in eine zur Stirnseite 27.1 hin offene Blindbohrung 33 des Steuerringes 27 eingesetzt. Gemäß Fig. 5 sind in den beiden ümfangsbereichen jeweils sieben solcher Blindbohrungen 33 ausgebildet. Die Schraubendruckfedern 29 stützen sich einerseits am Boden der Blindbohrungen 33 und andererseits an einer Ringscheibe 34 ab, die am Deckel 13 frei drehbar anliegt. Von dieser Ringscheibe 34 ragt mindestens ein Mitnehmerstift 35 in eine Schraubendruckfeder 29 und bis in die zugehörige Blindbohrung 33 des Steuerringes 27. An der Ringscheibe 34 sind außerdem Mitnehmervorsprünge 36 befestigt, zwischen welche ein Radialzapfen oder Steg 37 ragt, der an den zentralen Steuerzapfen 38 der Maschine befestigt ist, der durch eine zentrale öffnung 39 im Deckel 13 hindurch frei schwimmend in die Verteilerbuchse 24 hineinragt und in

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bekannter Welse auf die Öffnungen 25 der Verteilerbuchse ausgerichtete Öffnungen 40 für die Zufuhr und Abfuhr der Hydraulikflüssigkeit zu und von den Zylindern aufweist.

Die Axialverschiebung des Steuerringes 27 im Gehäuse 10 wird zwangsläufig durch ein Reaktionsdrehmoment erzeugt, das von dem am Rotor wirksamen Belastungsdrehmoment vom Zylinderkörper am Steuerring 27 auftritt. Durch das Reaktionsdrehmoment wird der Steuerring 27 gegen die Kraft der Schraubendruckfedern 29 in Fig. 2 nach rechts in Richtung auf den Deckel 13 des Gehäuses 10, geführt durch die in den Nuten 30 laufenden Pührungsrollen 32, praktisch vorgeschraubt, wobei die Kolben 23 durch die Steuerkurve 26 einen immer größeren Hub erhalten. Die dabei erfolgende Verdrehung des Steuerringes 27 wird über den mindestens einen Pührungsstift 35 auf die Ringscheibe 34 und über den Radialzapfen 37 weiter auf den Steuerzapfen 38 der Maschine übertragen. Der Steuerzapfen macht also die Drehbewegung des Steuerringes 27 mit.

Die Axialverschiebung des Steuerringes 27 kann aber auch auf andere Weise bewirkt werden.

Claims (6)

Patentansprüche

1. Hydraulische Radialkolbenmaschine mit stufenlos verstellbarem Kolbenhub, mit einem umlaufenden, konzentrisch zu einem Steuerzapfen angeordneten Zylinderkörper mit als Wälzkörper ausgebildeten, symmetrisch über den Umfang verteilten Kolben, die auf einer relativ zum Zylinderkörper verstellbaren Steuerkurve abrollen, dadurch gekennzeichnet, daß die als Wälzkörper ausgebildeten Kolben (23) mit einem kreiszylindrischen Bereich (23.1) an der Steuerkurve (26) linienförmig anliegen und im Zylinderkörper (21) mit ihrer Drehachse um einen relativ kleinen Winkelbereich kippbar angeordnet sind, und daß die Steuerkurve (26) auf einem achsparallel zum Zylinderkörper (21) verstellbaren Steuerring (27) als symmetrische Raumkurve so ausgebildet ist, daß sich in der Verstellrichtung des Steuerringes (27) sowohl die den inneren Totpunkt für die Kolben (23) als auch die den äußeren Totpunkt für die Kolben bildenden Kurvenbereiche ändern.

2. Radialkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerkurve (26) auf der Innenseite eines den umlaufenden Zylinderkörper (21) konzentrisch umfangenden Steuerringes (27) ausgebildet ist, der in Axialrichtung gegen die Kraft von auf einer seiner Stirnseiten (27.1) angreifenden Federn (29) verstellbar ist.

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3. Radialkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die als Wälzkörper ausgebildeten Kolben (23) einen kreiszylindrischen Mittelbereich (23.1) aufweisen, der an seinen beiden Enden in Kugelabschnitte (23.2, 23.3) übergeht, und daß der Durchmesser der Zylinderöffnungen (22) des Zylinderkörpers (21) einem Axialschnitt der Kolben (23) entspricht.

4. Radialkolbenmaschine als hydraulischer Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß der die Steuerkurve (26) aufweisende Steuerring (27) axialverschiebbar und verdrehbar im Gehäuse (10) gelagert ist und auf seinem kreiszylindrischen Außenmantel (28) mehrere gleichmäßig über den Umfang verteilte, schraubenlinienförmig verlaufende Führungsnuten (30) aufweist, in welche jeweils ein am Gehäuse (10) befestigter Führungsstift (3D mit einer auf ihm gelagerten Führungsrolle (32) ragt.

5. Radialkolbenmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Führungsnuten (30) für die einzelnen Führungsstifte (3D jeweils von einer Ausgangsstelle (Nutstelle 30.3) aus sowohl in der einen als auch in der anderen Umfangsrichtung mit gleichem Steigungswinkel erstrecken (Nutbereiche 30.1, 30.2).

6. Radialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerzapfen (38) mit dem Steuerring (27) mitdrehbar gekoppelt ist.

Radialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die den Steuerring (27) einseitig belastenden Federn (29) als Schraubendruckfedern ausgebildet sind, die zwischen dem Boden von auf einer Stirnseite (27.1) des Steuerringes (27) ausgebildeten Blindbohrungen (33) und einer im Gehäuse (10) koaxial drehbar angeordneten Ringscheibe (34) eingespannt sind, die mit mindestens einem in eine der Schraubendruckfedern (29) eintauchenden Mitnehmerstift (35) und mit Mitnehmeransätzen (36), an denen mindestens ein vom schwimmend angeordneten Steuerzapfen (38) radial abstehender Steg (37) anliegt, versehen ist.