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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Axialkolbenpumpen
und insbesondere auf eine Axialkolbenpumpe mit variabler Lieferung
mit einer Einlassfüllung
am Außendurchmesser über eine Antriebsplatte
mit festem Winkel.
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Hintergrund
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Die
im US-Patent 6 035 828 von Anderson u. A. beschriebene Erfindung
zeigt eine Pumpe mit variabler Lieferung und fester Verdrängung. Anderson offenbart
auch eine Antriebsplatte mit festem Winkel und eine elektronische
Steuereinheit, die die effektive Strömungsmittelverdrängung verändern kann,
die von jedem Pumpenhub erreicht wird. Diese Konstruktion hatte
besonderen Erfolg und stellt eine wesentliche Verbesserung gegenüber früheren Systemen
dar, es bleibt jedoch Raum zur Verbesserung.
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Beispielsweise
ist die Antriebsplatte bei Anderson auf Kegelrollenlagern montiert,
um eine sanfte Drehung sicherzustellen. Während diese Konstruktion ihren
Zweck erreicht, wird ein beträchtliches Ausmaß an Drehmoment
dabei verschwendet, die Reibung der Rollenlager zu überwinden.
Zusätzlich sind
Kegelrollenlager relativ teuer und einem Versagen unterworfen, wie
irgendeine andere bewegbare metallische Komponente. Es wäre somit
wünschenswert,
die Kosten und die Reibung zwischen der Antriebsplatte und dem Pumpengehäuse zu reduzieren. Zusätzlich findet
das Nachfüllen
des Innenraums des hohlen Kolbens durch Ziehen von Strömungsmittel von
dem Niederdruck-Innenraum der Pumpe über eine Öffnung im Außenradius
der Antriebsplatte statt. Folglich wird die Motorleistung, die verwendet
wird, um die Pumpe mit hydraulischem Strömungsmittel zu versorgen, weniger
als vollständig
ausgenutzt, was eine Verringerung des Wirkungsgrades zur Folge hat.
Es wäre
somit wünschenswert,
eine Konstruktion einzusetzen, die Vorteil aus dem Einlassdruck
des hydraulischen Strömungsmittels
zieht.
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Das
US-Patent 3 847 057 offenbart eine Axialpumpe, deren sich drehender
Zylinderblock Zylinderkammern und Kolben darin hat, eine Endstirnseite mit
Zylinderanschlüssen
hat, die mit einer stationären Steuerstirnseite
zusammenarbeiten, die Hochdruck- und Niederdruck-Anschlüsse hat.
Ein geschlossener Innenraum in dem Gehäuse wird durch Druckbegrenzungsdrosselmittel
auf einem Zwischendruck gehalten, wenn er mit Leckageströmungsmittel
gefüllt
wird. Steuermittel, die Leitungen aufweisen, verbinden den geschlossenen
Innenraum mit einer Zylinderkammer, wenn der jeweilige Zylinderanschluss
an einem Steuerstirnseitenteil zwischen den Hochdruck- und Niederdruck-Anschlüssen gelegen
ist, auf einen Zwischendruck, und trennen den geschlossenen Innenraum
von den Zylinderkammern, wenn die Zylinderanschlüsse mit den Hochdruck- und
Niederdruck-Anschlüssen
in der Steuerstirnseite in Verbindung stehen.
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Das
US-Patent 3 890 883 offenbart auch eine Axialkolbenpumpe mit stationären und
sich drehenden Steuerstirnseiten, die mit Einlass- und Auslassanschlüssen und
mit jeweiligen Zylinderanschlüssen
ausgeformt sind. Eine Taumelplatte ist vorgesehen und bestimmt zurückgezogene
und vorgeschobene Totpunktpositionen der Kolben in einer axialen
Ebene. Der Einlassanschluss hat ein Ende, welches näher an der
Ebene in der Region der zurückgezogenen
Totpunktposition gelegen ist, als die Hälfte des Umlaufes von jedem
Zylinderanschluss, so dass jeder Zylinderanschluss mit dem Einlassanschluss
auch in Verbindung steht, nachdem der jeweilige Kolben über die
zurückgezogene
Totpunktposition gelaufen ist und beginnt, sich zu der vorgeschobenen
Totpunktposition zu bewegen. Auf diese Weise wird der jeweilige
Zylinder vollständig
gefüllt, während die
Mitte des jeweiligen Zylinderanschlusses sich über einen Winkel zwischen 5° und 20° über die
Ebene der Todpunkte bewegt. Das andere Ende des Einlassanschlusses
kann auch näher
von der Ebene der Totpunktpositionen als die Hälfte des Umfangs von jedem
Zylinderanschluss beabstandet sein.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine Pumpe nach Anspruch 1 vorgesehen. Bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden in den Un teransprüchen offenbart.
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Die
vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, ein oder mehrere der
Probleme oder Nachteile zu überwinden,
die oben dargelegt werden.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß einem
Aspekt ist eine Antriebsplatte für
eine Axialkolbenpumpe vorgesehen, die eine Metallkomponente mit
einer Mittellinie und eine Antriebsfläche aufweist, die anders als
90 Grad relativ zur Mittellinie liegt. Die Metallkomponente weist
weiter eine radiale Außenfläche auf,
die die Mittellinie umgibt und definiert einen Fülldurchlass, der sich zwischen
der radialen Außenfläche und
der Antriebsfläche
erstreckt. Der Fülldurchlass
weist eine ringförmige
Nut auf, die von der radialen Außenfläche definiert wird.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist eine Pumpe vorgesehen, die ein Gehäuse aufweist,
welches einen Einlass definiert. Eine Vielzahl von Kolben ist vorgesehen,
wobei jeder einen hohlen Innenraum definiert und um eine Mittellinie
herum angeordnet ist. Eine drehbare Antriebsplatte ist auch vorgesehen und
definiert einen Fülldurchlass,
der sich zwischen einer radialen Außenfläche und eine Antriebsfläche erstreckt.
Die hohlen Innenräume
der Vielzahl von Kolben sind in Strömungsmittelverbindung mit dem Einlass über eine
ringförmige
Nut, die von dem Gehäuse
und/oder der Antriebsplatte definiert wird.
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Gemäß noch einem
weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Pumpen von Strömungsmittel
vorgesehen, welches den Schritt aufweist, eine Vielzahl von Kolben
zumindest teilweise durch Drehung einer Antriebsplatte hin und her
zu bewegen. Das Verfahren weist auch den Schritt auf, strömungsmittelmäßig eine
Pumpe, eines Teils der Kolben mit einem Einlass über eine ringförmige Nut
zu verbinden, die ein Teil eines Fülldurchlasses ist, der sich
zwischen einer radialen Außenfläche und
einer Antriebsfläche
der Antriebsplatte erstreckt. Das Verfahren weist auch den Schritt
auf, strömungsmittelmäßig eine
Pumpenkammer von einem anderen Teil der Kolben mit einem Auslass zu
verbinden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine teilweise geschnittene diagrammartige isometrische Ansicht
einer Pumpe gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 ist
eine Draufsicht der Antriebsplatte, die bei der vorliegenden Erfindung
vorgesehen ist;
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3 ist
eine geschnittene Seitenansicht der Antriebsplatte, wie entlang
der Schnittlinie 3-3 der 2 zu sehen;
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4 ist
eine geschnittene Unteransicht der Antriebsplatte, wie entlang der
Schnittlinie 4-4 der 3 zu sehen.
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Detaillierte
Beschreibung
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Mit
Bezug auf 1 ist dort eine Axialkolbenpumpe 1 gemäß der vorliegenden
Erfindung gezeigt. Die Pumpe 1 weist ein Gehäuse 3 und
eine elektrohydraulische Steuereinheit 32 auf. Ein vorderer
Flansch 5 und eine Endkappe 7 sind vorgesehen und
sind an dem Gehäuse 3 an
gegenüberliegenden Enden
angebracht. Ein Einlass 8, der von dem Gehäuse 3 definiert
wird, gestattet, dass hydraulisches Strömungsmittel zur Pumpe 1 von
einer (nicht gezeigten) äußere Quelle
geliefert wird. Eine Trommelanordnung 18 ist vorgesehen,
die eine Trommel 19 aufweist, die zumindest teilweise in
dem Gehäuse 3 positioniert
ist, die vorzugsweise benachbart zu einem Ende von einer Vielzahl
von Kolben 20 ist. Eine Antriebsplatte 12, die
vorzugsweise aus Metall ist, ist benachbart zum gegenüberliegenden
Ende positioniert. Eine drehbare Antriebswelle 9 ist an
der Antriebsplatte 12 angebracht und wird durch einen Lagerbund 10 getragen.
Die Antriebswelle 9 ist vorzugsweise direkt mit dem Ausgang
eines (nicht gezeigten) Motors gekoppelt, so dass die Drehrate bzw. Drehzahl
der Welle 9 und der Antriebsplatte 12 direkt proportional
zur Drehzahl der Motorantriebswelle ist.
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In
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist die Vielzahl von Kolben 20 in paralleler Orientierung um
eine Mittellinie 11 angeordnet. Jeder einzelne Kolben 20 definiert
einen hohlen Innenraum 21 und ist über ein Kugelgelenk 36 an
einem Schuh bzw. Gleitstück 34 angebracht,
welches in Kontakt mit der Antriebsplatte 12 positioniert
ist. Der hohle Innenraum 21 ist ein Teil der Pumpenkammer
für den
Kolben. Rückstellfedern 25 drücken kontinuierlich
jeden Kolben 20 zur Antriebsplatte 12 in herkömmlicher Weise,
so dass die Kolben Gleitstücke 34 in
kontinuierlichem Kontakt mit der Antriebsplatte 12 bleiben. Die
Antriebsplatte 12 hat einen festen Winkel β (siehe 3),
und ihre Drehung bewirkt, dass die Vielzahl von Kolben 20 sich
aufeinanderfolgend zwischen einer oberen und einer unteren Position
hin und her bewegen, was Strömungsmittel
in herkömmlicher
Weise verdrängt.
Weil jedes Kolbengleitstück 34 in
Kontakt mit der Antriebsplatte gehalten wird, können die hohlen Innenräume 21 der
Kolben gestatten, dass Strömungsmittel,
welches über
die Antriebsplatte 12 geliefert wird (unten beschrieben)
von einer Öffnung 37 in
jedem Gleitstück 34 zum
gegenüberliegenden Ende
des Kolbens 20 fließt.
Von diesem Punkt kann das Strömungsmittel über ein
Rückschlagventil 26 in einen
Sammelring 48 gedrückt
werden, und von dort zu einem Auslass über einen Auslassdurchlass 29.
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Eine
Hülse 24 ist
bewegbar um jeden der Vielzahl von Kolben 20 montiert.
Die Position der Hülse 24 bestimmt
den Anteil des verdrängen
Strömungsmittels,
der zum Sammelring 28 fließt, und den Anteil, der zum
Niederdruck-Innenraum 52 der
Pumpe 1 fließt.
Jede Hülse 24 ist
an einem Verbinder 22 angebracht, der die Antriebswelle 9 umgibt.
Der Verbinder 22 ist zwischen einer oberen und einer unteren
Position durch die elektrohydraulische Steuereinheit 32 in
herkömmlicher
Weise bewegbar, was eine gleichzeitige Bewegung von allen Hülsen 24 gestattet.
Wenn die Hülse 24 in
ihrer unteren Position sind, kann eine Vielzahl von Überlaufanschlüssen 30 strömungsmittelmäßig die
hohlen Kolbeninnenräume 21 mit
dem Niederdruck-Innenraum 52 verbinden, wenn die Kolben 20 während eines
Pumpenhubes nach oben laufen. In ihrer oberen Position bedecken
die Hülsen 24 die Überlaufanschlüsse 30 und
gestatten, dass sich ein Druck in den Kolbeninnenräumen 21 aufbaut,
was zur Folge hat, dass ein vergleichsweise größerer Anteil des Strömungsmittels über das
Rückschlagventil 26 und
in den Sammelring 28 durch die Pumpwirkung der Kolben 20 gedrückt wird.
Weil die elektrohydraulische Steuereinheit 32 verwendet
werden kann, um die vertikale Position von jeder Hülse 24 auf
ihren jeweiligen Kolben 20 zu steuern, kann die relative
Verdrängung
der Pumpe 1 dadurch gesteuert werden, dass selektiv gestattet
wird, dass die Hülse 24 die Überlaufanschlüsse 30 während anderer
Teile eines Kolbenpumpenhubes bedecken oder freilegen. Die elektrohydraulische
Steuereinheit 32 kehrt in die Anfangsposition über eine
Feder 69 zurück,
wenn sie nicht erregt wird, um die Kolbenhülsen 24 in ihre untere
Position vorzuspannen, in der die Pumpe keine Hochdruck-Ausgabe
erzeugt.
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Zusätzlich mit
Bezug auf die 2–4 ist dort
die metallische Antriebsplatte 12 der vorliegenden Erfindung
gezeigt. Die Antriebsplatte 12 hat eine Mittellinie 11 und
eine radiale Innenfläche 61 und eine
radiale Außenfläche 62,
die die Mittellinie 11 umgibt. Eine Antriebsfläche 63 erstreckt
sich zwischen der Außenfläche 62 und
der Innenfläche 61 und
ist in einem Antriebswinkel β orientiert,
der anders als 90 Grad relativ zur Mittellinie 11 sein
sollte. Die Antriebsplatte 12 definiert einen Fülldurchlass 60,
der sich zwischen der radialen Außenfläche 62 und der Antriebsfläche 63 erstreckt.
Der Fülldurchlass 60 weist eine
ringförmige
Nut 71 auf, die vorzugsweise um die radiale Außenfläche 62 herum
maschinell bearbeitet ist, und einen Füllschlitz 65, der
sich zur Antriebsfläche 63 öffnet. Es
sei bemerkt, dass die vorliegende Erfindung so ausgelegt sein könnte, dass
die Nut 71 zumindest teilweise durch das Gehäuse 3 definiert werden
würde und
nicht durch die Antriebsplatte 12 selbst. Die Querschnittsfläche der
Nut 71 sollte einen ausreichenden Strömungsquerschnitt haben, um
den Strömungsmittelpump-
und Traganforderungen der Pumpe gerecht zu werden. Der Teil des
Fülldurchlasses 60,
der die Nut 71 und den Füllschlitz 65 verbindet,
kann in irgendeiner geeigneten Weise konstruiert sein, solange ein
adäquater
Strömungsquerschnitt vorgesehen
ist. Die vorliegende Erfindung zeigt beispielsweise eine Vielzahl
von speichenartigen Bohrungen. Es sei jedoch bemerkt, dass eine
gewisse andere Konstruktion eingesetzt werden könnte, wie beispielsweise ein
kontinuierlicher Schlitz durch die radiale Außenfläche 62. In dem bevorzugten
Aus führungsbeispiel
ist der Füllschlitz 65 bogenförmig und folgt
einem Pfad, der einen im wesentlichen konstanten Radius hat, einen
Kreis 66, und zwar relativ zur Mittellinie 11,
und zwar vorzugsweise geschwenkt über einen Winkel δ, der kleiner
als 180 Grad ist. Wenn die Antriebsplatte 12 sich dreht,
ist der hohle Innenraum 21 von zumindest einem der Vielzahl
von Kolben 20 in Strömungsmittelverbindung
mit dem Einlass 8 über
den Fülldurchlass 60 und
die ringförmige
Nut 71.
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Eine
Basisfläche 64 ist
gegenüberliegend zur
Antriebsfläche 63 gelegen
und trennt die radiale Innenfläche 61 von
der radialen Außenfläche 62.
Die Basisfläche 64 liegt
vorzugsweise in einer Ebene, die im wesentlichen senkrecht zur Mittellinie 11 ist,
und ist von dem Gehäuse 3 durch
ein Strömungsmittelaxiallager 43 getrennt.
Eine Axiallagerplatte 40, die eine Vielzahl von Druckkissen
bzw. Axialkissen 42 vorsieht, ist unter dem Strömungsmitteldrucklager bzw.
Strömungsmittelaxiallager 43 (1)
und der Antriebsplatte 12 positioniert. Die Antriebsplatte 12 definiert
eine Vielzahl von Lagerversorgungsdurchlässen 67, die sich
von der Basisfläche 64 durch
die Antriebsfläche 63 erstrecken
und das Strömungsmittel
für das
Axiallager 43 liefern. Die Lagerversorgungsdurchlässe 67 sind
vorzugsweise auf einen Kreis 66 verteilt, der auf der Mittellinie 11 zentriert
ist, und schließt
den Bogen ein, der von dem Füllschlitz 65 überstrichen
wird. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist ein Hauptteil der radialen Außenfläche 62 ein Teil eines
regulären
Zylinders und ist von dem Gehäuse 3 durch
ein Strömungsmittelgleitlager 44 getrennt.
Hydraulisches Strömungsmittel
wird in den Bereich zwischen der radialen Außenfläche 62 und dem Gehäuse 3 gedrückt, um
das (Radial)Gleitlager 44 zu beliefern. Obwohl dies bevorzugt
wird, ist es nicht nötig,
dass die vorliegende Erfindung sowohl Strömungsmittelaxiallager als auch
Strömungsmittelradialgleitlager
aufweist. Ein herkömmliches
Wälzlager
könnte
für irgend
eines der Strömungsmittellager eingesetzt
werden, die von der vorliegenden Erfindung vorgesehen sind.
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Industrielle
Anwendbarkeit
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Nun
wieder mit Bezug auf 1 bewirkt die Drehung der Antriebsplatte 12,
dass sich die Kolben 20 nach oben und unten bewegen, und
zwar durch Anheben und Absenken der Gleitstücke 34 von jedem Kolben 20,
wenn die Platte darunter vorbeiläuft. Die
axialen Belastungen, die von der Hin- und Herbewegung des Kolbens
erzeugt werden, können
von der Vielzahl von Druckkissen bzw. Axialkissen 42 ausgeglichen
werden. Wenn die Antriebsplatte 12 unter einem der Kolben 20 vorbeiläuft, kann
die Antriebsfläche 63 auf
den Kolbenschuh bzw. das Kolbengleitstück 34 wirken, um den
Kolben 20 für
einen Pumphub nach oben zu treiben. Jedes Gleitstück 34 ist
mit seinem jeweiligen Kolben 20 durch ein Kugelgelenk 36 verbunden,
welches gestattet, dass das Gleitstück 34 in kontinuierlichem
Kontakt mit der Antriebsfläche 63 bleibt.
Die Strömungsmittelmenge, die
von dem Kolben 20 in den Hochdruck-Sammelring 28 verdrängt wird,
hängt von
der Position seiner jeweiligen Hülse 24 ab.
Wenn eine vergleichsweise größere Strömungsmittelverdrängung erwünscht ist, kann
die elektrohydraulische Steuereinheit 32 verwendet werden,
um die Hülsen 24 nach
oben zu bewegen. Die Hülsen 24 bedecken
dann die Überlaufanschlüsse 30,
und eine maximale Strömungsmittelmenge
kann von dem Pumphub jedes Kolbens 20 verdrängt werden,
um über
das Rückschlagventil 26 in
den Sammelring 28 zu fließen. Durch Variieren der Zeit,
für die
die Hülsen 24 an
ihrer oberen Position gehalten werden, kann somit ein breites Spektrum von
Strömungsmittelverdrängungsmengen
erreicht werden.
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Wenn
die Antriebsplatte 12 den Kolben 20 auf seine
maximale Verdrängung
bewegt hat, beginnt er, sich nach unten zu bewegen, wobei sein Gleitstück 34 in
kontinuierlichem Kontakt mit der Antriebsfläche 63 bleibt. Kurz
nachdem der Kolben 20 beginnt, sich zurückzuziehen, bringt die Drehung
der Antriebsplatte 12 den Füllschlitz 65 unter
die Öffnung 37 in
Kolbenschuhe bzw. Kolbengleitstück 34.
Weil Strömungsmittel
kontinuierlich über
den Einlass 8 zum Fülldurchlass 60 geliefert
wird, wirkt die Rückzugsbewegung
des Kolbens 20 dahingehend, dass sie Strömungsmittel
aus dem Füllschlitz 65 in seinen hohlen
Innenraum 21 zieht. Weil der Fülldurchlass 60 mit
hydraulischem Strömungsmittel
direkt vom Einlass 8 und nicht vom Niederdruck-Innenraum 52 der Pumpe 1 geliefert
wird, wird Strömungsmittel
in den hohlen Innenraum 21 des Kolbens leichter hineingezogen
als bei Pumpen des Standes der Technik. Der Niederdruck-Innenraum 52 ist
vorzugsweise strömungsmittelmäßig mit
dem Einlass 8 über
einen Druckausgleichsdurchlass verbunden, der nicht gezeigt ist.
Kurz bevor der Kolben 20 seine vollständig zurückgezogene Position erreicht,
bewegt die Drehung der Antriebsplatte 12 den Füllschlitz 65 außer Strömungsmittelverbindung
mit der Öffnung 38 im Kolbengleitstück 34.
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Wenn
die Antriebsplatte 12 sich dreht, wird Strömungsmittel,
welches über
den Einlass 8 geliefert wird, in den Bereich zwischen der
radialen Außenfläche 62 der
Antriebsplatte 12 und dem Gehäuse 3 gedrückt, was
ein Strömungsmittelgleitlager 44 mit
relativ niedriger Reibung zur Folge hat. Die Lagerversorgungsdurchlässe 67,
die strömungsmittelmäßig die
Antriebsfläche 63 mit
der Basisfläche 64 verbinden,
gestatten, dass eine kontinuierliche Strömungsmittelversorgung zu dem
Bereich zwischen der Antriebsplatte 12 und der Drucklagerplatte
bzw. Axiallagerplatte 40 geliefert wird, die das Strömungsmittelaxiallager 43 der
Erfindung bildet. Anders gesagt, wird ein Teil des Strömungsmittels,
welches von den Kolben 20 gepumpt wird, durch die Lagerversorgungsdurchlässe 67 gedrückt, um
ein Strömungsmittelaxiallager 43 zu
erzeugen, welches die Antriebsplatte 12 der von einem Kontakt
mit den Druckkissen 42 trennt. Der Ersatz von herkömmlichen
Wälzlagern durch
die Strömungsmittelradiallager 44 und
Strömungsmittelaxiallager 43 gestattet,
dass die vorliegende Erfindung mit niedrigeren Kosten hergestellt wird
und mit einer beträchtlich
verringerten Reibungslast arbeitet. Die vorliegende Erfindung stellt eine
weitere Verbesserung gegenüber
früheren
Konstruktionen dar, in dem sie Vorteil daraus zieht, dass der Strömungsmittelversorgungsdruck
am Einlass 8 dabei hilft, das hydraulische Strömungsmittel
in den Kolben nachzufüllen,
und sie sich nicht auf die Hin- und Herbewegungswirkung der Kolben 20 verlässt, um
Strömungsmittel
zurück
in ihre Innenräume 21 zu ziehen.
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Die
obige Beschreibung ist nur zu Veranschaulichungszwecken vorgesehen
und soll nicht den Umfang der vorliegenden Erfindung in irgendeiner
Weise einschränken.
Beispielsweise könnte
die Strömungsmittellagerkonstruktion,
die bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird, modifiziert werden,
um eine Kombination von Strömungsmittel-
und Rollenlagern zu verwenden. Zusätzlich könnte die Konstruktion des Antriebsplattenfülldurchlasses
als Mittel zur Verringerung der Rohrleitungen in einer Pumpe mit
Raumbegrenzungen eingesetzt werden.