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Die
Erfindung bezieht sich auf den Maschinenbau und kann in Pumpen und
Hydraulikmotoren verwendet werden. Als Arbeitsmedium werden in der Rotationsmaschine
Flüssigkeiten
und Gase verwendet. Unter dem Ausdruck "Regulierung" ist die Einstellung der Maschine auf
ein bestimmtes Volumen des Arbeitsvolumens zu verstehen. Wenn die
Maschine als Pumpe eingesetzt wird, ist es möglich, den Durchsatz zu ändern, beim
Einsatz als Hydraulikmotor kann die Drehzahl an der Welle geändert werden.
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Es
ist eine Rotationsmaschine bekannt (
europäische Patentanmeldung
0261682 ), die einen Rotor aufweist, der innerhalb eines
Gehäuses
angeordnet ist. Der Rotor hat radiale Schlitze, in denen Gleitschieber
in einer solchen Anordnung angebracht sind, dass sie sich radial
verschieben können.
In Radialrichtung ist die Arbeitskammer durch die Rotoroberfläche und
die innere Umfangsfläche
des Gehäuses
begrenzt, das einen elliptischen Querschnitt hat. Während der
Rotation des Rotors werden die Gleitschieber aus dem Rotor unter
der Wirkung von Zentrifugalkräften
herausbewegt und gegen die Innenfläche des Gehäuses gedrückt, die als Bauteil dient, das
die gegenseitige radiale Stellung der Gleitschieber bestimmt, die über diese
Oberfläche
gleiten und dadurch in der Arbeitskammer Zonen mit niedrigem und
hohem Druck erzeugen.
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In
der Axialrichtung ist die Arbeitskammer durch zwei Stirnelemente
begrenzt, von denen das eine in Kontakt mit einer der Rotorstirnseiten
steht und in Axialrichtung beweglich ist, während das zweite Stirnelement
auf der anderen Seite des Rotors angebracht ist und sich zusammen
mit ihm dreht. Dieses zweite Stirnelement (worauf in dieser Anmeldung als
Elemente Bezug genommen wird, das die Leistung der Maschine ändert) hat
einen Hohlraum, in den ein Teil des Rotors mit Gleitschiebern eingeführt ist.
Die Länge
des Teils, der nicht in den Hohlraum des zweiten Stirnelements eingeführt ist,
bestimmt die axiale Länge
der Arbeitskammer.
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Durch
Verschieben des ersten Stirnelements, das in Axialrichtung beweglich
ist, kann der Rotor in den Hohlraum des zweiten Stirnelements in einer
größeren oder
geringeren Länge
bewegt werden, wodurch die Länge
der Arbeitskammer und dementsprechend ihr Volumen geändert werden.
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Ähnliche
Maschinen, in denen sich Gleitschieber in dem Rotor in Radialrichtung
bewegen, sind in der
internationalen
Anmeldung 88/02438 und in der
britischen Anmeldung 2207953 beschrieben. Bei
diesen Maschinen ist es auch möglich,
das Volumen der Arbeitskammer zu verändern, im Gegensatz zur vorstehend
beschriebenen Maschine wird jedoch das Volumen der Arbeitskammer
nicht durch Ändern ihrer
axialen Abmessung, sondern der radialen Abmessung variiert. Beispielsweise
werden bei der in der
britischen
Anmeldung 2207953 beschriebenen Maschine in dem Rotor angeordnete
Gleitschieber durch Federn an die profilierte Innenfläche des
Rings angedrückt,
der den Rotor umgibt. Der Ring ist mit einem Segment versehen, das
in Radialrichtung beweglich ist und sich in der Zone zwischen den
Einlass- und Auslassöffnungen
der Maschine befindet. Die radiale Position des Segments bestimmt
das Volumen der Arbeitskammer der Maschine. Bei der in der
internationalen Anmeldung 88/02438 beschriebenen
Rotationsmaschine ist der Rotor so installiert, dass er sich in
dem Gehäuse
verschieben kann, dessen innere Umfangswand in der Richtung senkrecht zur
Drehachse einen elliptischen Querschnitt hat.
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Der
Nachteil von Rotationsmaschinen mit sich radial bewegenden Gleitschiebern
sind Schwierigkeiten, die mit der Bereitstellung der Dichtigkeit
der Arbeitskammer in Verbindung stehen, da die Arbeitskammer Oberflächenbereiche
mit veränderter
Krümmung
aufweist.
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Als
nächstgelegene
Entsprechung wird die Rotationsmaschine (
britische Anmeldung 1469583 ) gewählt. Diese
Maschine hat einen Rotor mit radialen Schlitzen, in denen Gleitschieber
sitzen, die sich längs
der Drehachse des Rotors bewegen. Die Arbeitskammer der Maschine
wird in Axialrichtung von gegenüberliegenden
Stirnseiten des Gehäuses
und dem Rotor und in Radialrichtung durch Bereiche der Oberfläche der
Rotorwelle der inneren zylindrischen Oberfläche des Gehäuses begrenzt, die sich zwischen
den Stirnseiten des Rotors und dem Gehäuse befindet. In der Arbeitskammer
ist eine Trennwand angeordnet, die die Einlass- und Auslassöffnung trennt
und die in Gleitkontakt mit der angrenzenden Rotorstirnseite und
der Rotorwelle steht. Wenn sich der Rotor dreht, führen die
Gleitschieber eine komplizierte Bewegung aus, indem sie zusammen
mit dem Rotor drehen und sich gleichzeitig längs seiner Drehachse bewegen.
Wenn die Gleitschieber von der Trennwand entfernt sind, treten sie
in die Arbeitskammer außerhalb
des Rotors ein. Wenn sich die Gleitschieber der Trennwand bei dem
Drehvorgang des Rotors annähern,
bewegen sie sich allmählich
in den Rotor und nehmen eine Position ein, in der sie nicht über die
Rotorstirnseite vorstehen. In dieser Position passieren sie die
Trennwand, ohne sie zu berühren, wenn
der Rotor dreht.
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Um
eine Axialbewegung der Gleitschieber vorzusehen, sind in den Rotorschlitzen
spezielle Elemente angebracht, die eine axiale gegenseitige Position
der Gleitschieber bestimmen. Dafür
ist eine in die Innenfläche
des Gehäuses
mit einer Profilfläche
eingeschnittene Nut vorgesehen, in die die Gleitschieberränder eintreten.
Diese sinusförmige
Nut spielt die Rolle eines Hauptnockens und bestimmt den Charakter
der Axialbewegung der Gleitschieber in Schlitzen des Rotors während seiner
Rotation.
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Der
Nachteil der in der
britischen
Anmeldung 1469583 beschriebenen Maschine besteht darin, dass
das Volumen der Arbeitskammer nicht geändert werden kann. Wie vorstehend
erwähnt,
ist die Arbeitskammer auf einer Seite durch die Stirnseite des Rotors,
die in Axialrichtung nicht bewegbar ist, und auf der anderen Seite
von der Stirnseite des Gehäuses
begrenzt. Die so gebaute Maschine kann jedoch so ausgelegt werden,
dass sie mit maximalem Wirkungsgrad unter definierten Betriebsbedingungen
arbeitet. Wenn sich die Bedingungen ändern, arbeitet eine solche
Maschine weniger effizient oder sogar unzureichend.
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Das
Ziel dieser Erfindung besteht darin, eine regulierte Rotationsmaschine
mit einer Hin- und Herbewegung der Gleitschieber längs der
Drehachse des Rotors zu entwickeln, bei der die funktionellen Fähigkeiten
von Rotationsmaschinen mit einer solchen Bewegung der Gleitschieber
erweitert und die Nachteile vermieden werden können, die für Maschinen mit einer Radialbewegung
der Gleitschieber typisch sind.
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Dieses
Problem wird in der Art und Weise nach Anspruch 1 gelöst.
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Die
Rotationsmaschine hat ein Gehäuse
mit einer Einlassöffnung
und einer Auslassöffnung,
einen Rotor, der innerhalb des Gehäuses angeordnet ist und wenigstens
zwei Gleitschieber aufweist, die sich in der Richtung zu einer Drehachse
bewegen können,
eine Arbeitskammer, die in der Richtung längs der Drehachse des Rotors
durch sein erstes Ende begrenzt ist, eine Trennwand in der Arbeitskammer, die
an der Innenfläche
des Gehäuses
so festgelegt ist, dass sie die Einlass- und Auslassöffnung trennt und
in Gleitkontakt mit diesem Rotorende steht, und Elemente, die die
axiale gegenseitige Position der Gleitventile bestimmen, wobei nach
der Erfindung ein Regulierelement vorgesehen ist, das innerhalb
des Gehäuses
festgelegt ist und das sich in der Richtung längs der Drehachse des Rotors
bewegen kann. Das Regulierelement begrenzt die Arbeitskammer entlang
der Drehachse auf der gegenüberliegenden
Seite und ist mit den Elementen verbunden, die die axiale gegenseitige
Position der Gleitschieber bestimmen. Die Elemente, welche die axiale
gegenseitige Position der Gleitschieber bestimmen, sind so angeordnet,
dass sie ihre Position bezüglich
des Gehäuses
und des Rotors ändern
können
und sind kinematisch mit dem Regulierelement verbunden. Die Gleitschieber
sind so installiert, dass sie ihre Position bezüglich des Rotors ändern können, wenn
sich das Regulierelement in Bewegung befindet. In diesem Fall stehen
die Gleitschieber, die sich in der Arbeitskammer befinden, in Gleitkontakt
mit dem Ende des Regulierelements und trennen die Einlassöffnung von
der Auslassöffnung.
Die Länge
des axialen Vorstehens der Gleitschieber ist die Entfernung zwischen
dem Rotorende und dem Gleitschieberende, das aus dem Rotor heraus
in die Arbeitskammer der Maschine bewegt ist. Die Volumenänderung
der Arbeitskammer wird bei der vorgeschlagenen Rotationsmaschine
aufgrund der Änderung
ihrer axialen Länge
bewirkt, wenn das Regulierelement zur einen oder anderen Seite bezüglich des
Rotors bewegt wird.
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Neben
dem Ausgleich der Last an dem zweiten Rotorende, das dem Rotorende
gegenüberliegt, das
zur Arbeitskammer hinweist, und dem Ausschluss des Einflusses des
Gleitschiebervolumens auf die Gleichförmigkeit der Förderleistung
und Kapazität
der Maschine, kann sie mit einem Halte- und Verteilelement versehen
werden, das innerhalb des Gehäuses
festgelegt ist und in Gleitkontakt mit dem anderen Rotorende steht.
In dem Ende des Halte- und Verteilelements sind zwei voneinander
getrennte Hohlräume
vorgesehen. Einer dieser Hohlräume
ist durch einen Kanal mit der Einlassöffnung, der andere mit der
Auslassöffnung
verbunden.
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Um
zur Reduzierung von Hydraulikverlusten während der Hin- und Herbewegung
der Gleitschieber, zur Reduzierung ihres Gewichts und zum Ausgleich
der Druckkraft, die auf das der Arbeitskammer zugewandte Gleitschieberende
und das gegenüberliegende
Ende wirkt, ist in jedem Gleitschieber eine durchgehende Öffnung vorgesehen,
die an dem der Arbeitskammer zugewandten Gleitschieberende beginnt
und an dem Gleitsschieberende aufhört, das dem erwähnten Gleitschieberende
gegenüberliegt.
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Um
eine axiale Vibration des Rotors zu verringern, können durchgehende
Kanäle
in ihm ausgeführt
werden, die die gegenüberliegenden
Rotorenden zwischen zwei angrenzenden Gleitventilen verbinden.
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Wie
Maschinen anderer Typen kann diese Maschine eine Mehrkammerauslegung
haben und mehr als eine Trennwand und ein Regulierelement aufweisen,
wobei dementsprechend die Anzahl von Hohlräumen erhöht wird, die in dem Ende des
Halte- und Verteilelements vorgesehen sind.
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Der
Gegenstand der Erfindung wird durch Zeichnungen erläutert, in
denen
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1 ein
Längsschnitt
der Maschine und
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2 eine
Abwicklung des Rotors und der zylindrischen Seitenfläche der
Maschine sind.
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Die
Rotationsmaschine (1) hat ein Gehäuse 1 mit
Deckeln 2 und 3. Der Rotor 5 ist auf
einer Welle 4 in der Mitte der in das Gehäuse 1 gebohrten zylindrischen Öffnung angeordnet. Über der
gesamten Länge
des Rotors 5 sind radiale Schlitze 6 vorgesehen,
in welche Gleitschieber 7 so eingesetzt sind, dass sie
eine Hin- und Herbewegung längs
der Drehachse des Rotors ausführen
können.
Es können
zwei oder mehr Gleitschieber vorgesehen werden. Innerhalb des Gehäuses sind
spezielle Elemente angeordnet, die die axiale gegenseitige Position
der Gleitschieber in den Schlitzen 6 des Rotors 5 und
die Länge
ihrer maximalen axialen Bewegung aus dem Rotor 5 heraus
in die Arbeitskammer bestimmen.
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Bei
der in der Zeichnung gezeigten Auslegung haben diese Elemente die
Form eines Hohlzylinders 8, an dessen zylindrischer Innenfläche eine eingeschlossene
gekrümmte
Nut 9 geschnitten ist. Der Hohlzylinder 8 ist
auf den Rotor 5 so aufgepasst, dass die radiale Außenfläche des
Rotors 5 und die zylindrische Innenfläche des Hohlzylinders 8 in
Gleitkontakt stehen. Der Zylinder ist in dem Gehäuse 1 so festgelegt,
dass er über
die Oberfläche
des Rotors 5 längs
dessen Drehachse gleiten kann, sich aber zusammen mit dem Rotor
nicht dreht. Außerdem
hat jeder Gleitschieber 7 einen Vorsprung 10,
der in die Nut 9 des Hohlzylinders 8 eintritt
und in Gleitkontakt damit steht. Die Maschine ist mit einer Trennwand 11 versehen,
die an der Innenfläche
des Gehäuses,
insbesondere am Deckel 2 des Gehäuses, festgelegt ist. Die Trennwand 11 grenzt
an das erste Ende des Rotors 5, das diesem Deckel 2 des
Gehäuses
zu gewandt ist, und an die Welle 4 des Rotors 5 an,
die in Gleitkontakt stehen. Die Nut 9 ist so ausgeführt, dass die
Gleitschieber 7, die sich gegenüber dem Ende der Trennwand 11 befinden,
das an das erste Ende des Rotors 5 angrenzt, in den Rotor 5 auf
einer gleichen Länge
eintreten und einige Gleitschieber, die entfernt von der Trennwand 11 sind,
aus dem Rotor 5 herausbewegt werden und in Gleitkontakt
mit dem Ende des Regulierelements 12 stehen und so die Einlassöffnung von
der Auslassöffnung
trennen. Die Einlass- und Auslassöffnung sind in der Zeichnung nicht
gezeigt, um sie nicht kompliziert zu machen. Das Regulierelement 12 ist
zwischen dem Gehäusedeckel 2 und
dem ersten Ende des Rotors 5 so angeordnet, dass es sich
längs der
Drehachse des Rotors 5 bewegen kann. Das Regulierelement 12 begrenzt die
axiale Länge
der Arbeitskammer. Die axiale Länge
der Arbeitskammer ist der Abstand zwischen dem Ende des Regulierelements 12 und
dem Ende des Rotors 5, die einander zugewandt sind.
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Nach
der in der Zeichnung gezeigten Auslegung ist das Regulierelement 12 eine
Scheibe, die eine zentrale Öffnung,
durch die die Welle 4 des Rotors 5 hindurchgeht,
und eine Ausnehmung aufweist, durch die die Trennwand 11 hindurchgeht.
Die Scheibe ist so angeordnet, dass sie über die Welle 4 längs ihrer
Drehachse verschiebbar ist, jedoch nicht mit ihr dreht. Das Regulierelement 12,
insbesondere die Scheibe mit einem Schlitz, ist an dem Ende des
Hohlzylinders 8 festgelegt. Sie können ein einziges Bauteil der
Maschine bilden. An dem Regulierelement 12 ist eine Stange 13 befestigt.
Diese Stange kann sich längs
der Drehachse des Rotors 5 bewegen und aus dem Gehäuse vorstehen.
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Dadurch
ist der Hohlraum der Arbeitskammer in der Richtung längs der
Drehachse des Rotors 5 durch das erste Ende des Rotors 5 und
das Ende des Regulierelements 12, das dem ersten Ende des Rotors 5 zugewandt
ist, und in Radialrichtung durch radiale Trennelemente begrenzt.
Es sind nur die Trennelemente, die verhindern, dass Arbeitsmedium aus
der Arbeitskammer ausströmt.
Nach der in der Zeichnung gezeigten Auslegung sind die radialen Trennelemente
die Oberfläche
der Welle 4, die Oberfläche
der Trennwand 11 und die Innenfläche des Hohlzylinders 8.
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Das
Halte- und Verteilelement 14 ist am Deckel 3 des
Gehäuses
befestigt. Dieses Element kann mit dem Deckel 3 ein einziges
Bauteil bilden. Das Ende des Halte- und Verteilelements 14 steht
in Gleitkontakt mit dem zweiten Ende des Rotors 5. Es sind zwei
getrennte Hohlräume
in diesem Ende des Halte- und Verteilelements 14 vorhanden,
von denen einer gegenüber der
Arbeitskammerfläche
angeordnet ist, die mit der Einlassöffnung durch einen Kanal verbunden
ist, während
der zweite gegenüber
der Arbeitskammerfläche
angeordnet ist, die mit der Auslassöffnung durch einen weiteren
Kanal verbunden ist. Diese Kanäle
sind in der Zeichnung nicht gezeigt, um sie nicht kompliziert zu
machen.
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Außerdem sind
in dem Rotor 5 durchgehende Kanäle 15 ausgebildet,
um die gegenüberliegenden
Enden des Rotors 5 zwischen angrenzenden Gleitschiebern 7 (siehe 2)
zu verbinden.
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Die
Maschine kann im Modus einer Pumpe und eines Hydraulikmotors arbeiten.
Die Maschine arbeitet im Pumpenmodus auf folgende Weise. Das Volumen
der Arbeitskammer wird durch Einstellen der Stange 13 bezüglich des
Gehäusedeckels 2 bestimmt
und kann erforderlichenfalls während
des Betriebs geändert
werden. Dementsprechend nimmt das Regulierelement 12 eine
bestimmte Position in Bezug auf das erste Ende des Rotors 5 ein
und begrenzt die axiale Länge
der Arbeitskammer und somit ihr Volumen. Der mit dem Regulierelement 12 verbundene
Hohlzylinder 8 hat die gekrümmte Nut 9, in die
die Vorsprünge 10 der
Gleitschieber 7 eintreten. Wenn sich das Regulierelement 12 in
Bewegung befindet, verschiebt sich der Hohlzylinder 8 dementsprechend
und bestimmt die Länge
des maximalen Eindringens der Gleitschieber in die Arbeitskammer. Nach
dem Anlauf der Maschine, wenn der Rotor 5 zu drehen beginnt,
beginnen die Vorsprünge 10 der Gleitschieber 7,
sich auf der gekrümmten
Nut 9 des Hohlzylinders 8 zu verschieben und eine
Hin- und Herbewegung längs
der Drehachse des Rotors 5 auszuführen, die auf die Gleitschieber 7 übertragen wird.
Die Nut 9 ist so gestaltet, dass die Bewegung der Gleitschieber 7 pro
Umdrehung des Rotors 5 durch den folgenden Zyklus gekennzeichnet
ist. Der Gleitschieber 7, der sich gegenüber dem
Ende der Trennwand 11 befindet, wird in den Rotor 5 bewegt. Wenn
der Gleitschieber 7 die Trennwand 11 wegschiebt,
beginnt er sich aus dem Schlitz 6 heraus in den Hohlraum
der Arbeitskammer zu bewegen, und in einem bestimmten Augenblick
wird sein Ende das Ende des Regulierelements 12 berühren. Dann
gleitet das Ende des Gleitschiebers 7 über das Ende des Regulierelements 12 und
bewegt sich axial nicht. Wenn sich dann der Schieber der Trennwand 11 annähert, beginnt
er sich sehr weich in den Schlitz 6 des Rotors 4 zu
bewegen und wird im Augenblick des Durchgangs durch die Trennwand 11 vollständig in den
Rotor 5 bewegt.
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Beim
Gleiten über
das Ende des Regulierelements 12 trennt der Gleitschieber 7 die
Arbeitskammer in zwei Hohlräume,
von denen in der einen die Niederdruckzone und in dem anderen die
Hochdruckzone gebildet wird, die mit der Einlass- bzw. Auslassöffnung der
Maschine verbunden sind. Die Einlass- und Auslassöffnung sind
in der Zeichnung nicht gezeigt, um die Darstellung nicht kompliziert
zu machen.
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Das
Volumen des Arbeitsmediums, das zwischen zwei benachbarten Gleitschiebern 7 vorhanden
ist, die über
das Ende des Regulierelements 12 gleiten, wird von der
Niederdruckzone in die Hochdruckzone überführt. Die auf der Arbeitskammerseite gegen
das erste Ende des Rotors 5 wirkende Druckkraft wird durch
das Halte- und Verteilelement 14 ausgeglichen, dessen Ende
in Gleitkontakt mit dem zweiten Ende des Rotors 5 steht.
Die zwei getrennten Hohlräume
in dem Ende des Halte- und Verteilelements 14 sind so angeordnet,
dass der eine von ihnen dem Hohlraum der Arbeitskammer mit der Niederdruckzone
gegenüberliegt,
während
der andere dem Hohlraum mit der Hochdruckzone gegenüberliegt.
Die gegenüberliegenden
Hohlräume
von Arbeitskammer und Halte- und Verteilungsventil 15 sind durch
einen Kanal verbunden und bilden gegenüberliegende Zonen mit niedrigem
und hohem Druck, die die axiale Last an dem Ende des Rotors 5 ausgleichen.
Wenn sich der Gleitschieber 7 während der Drehung des Rotors 5 von
der Trennwand 11 wegbewegt, dringt er in den Hohlraum der
Arbeitskammer mit der Niederdruckzone ein und bringt sein Volumen in
sie ein. Andererseits füllt
jedoch genau das gleiche Volumen des Arbeitsmediums den Schlitz 6,
in welchem dieser Gleitschieber 7 angeordnet ist, aus dem gegenüberliegenden
Hohlraum des Halte- und Verteilelements 14, mit dem dieser
Schlitz 6 verbunden ist. Danach gleitet das Ende des Gleitschiebers 7,
der sich in der Arbeitskammer befindet, über das Ende des Regulierelements 12 und
das Ende des Halte- und Verteilelements 14, das über das
zweite Ende des Rotors 5 gleitet, schließt den Schlitz 6,
in dem sich dieser Gleitschieber 7 befindet, in Axialrichtung ab
und trennt ihn von den Hohlräumen,
die in dem Ende des Halte- und Verteilelements 14 vorgesehen sind.
Wenn sich der Gleitschieber 7 der Trennwand 11 nähert, beginnt
er in den Rotor 5 einzutreten, und das Volumen des aus
dem Hohlraum der Arbeitskammer mit der Hochdruckzone verdrängten Arbeitsmediums
wird um den Wert des Teils des Volumens des Gleitschiebers 7 verringert,
der sich in den Rotor 5 bewegt. In den Hohlraum des Halte-
und Verteilelements 14, der sich gegenüber dem Hohlraum der Arbeitskammer
mit der Hochdruckzone befindet, wird jedoch genau das gleiche Volumen
an Arbeitsmedium verdrängt,
wenn der Schlitz 6, in welchem sich dieser Gleitschieber 7 befindet,
so positioniert ist, dass er mit dem Hohlraum des Halte- und Verteilelements 14 in
Verbindung steht, der durch den Kanal mit dem gegenüberliegenden
Hohlraum der Arbeitskammer mit der Hochdruckzone verbunden ist.
Auf diese Weise wird der Einfluss des Volumens des Gleitschiebers 7 auf
die Kapazität
und Gleichförmigkeit
der Förderleistung
kompensiert.
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Wenn
die Maschine als Hydraulikmotor arbeitet, funktioniert sie genauso
wie andere Bauweisen reversibler Pumpen.