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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung betrifft eine hydrostatische Axialkolbenmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Hintergrund der Offenbarung
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Axialkolbenmaschinen, die in einem geschlossen, hydraulischen Kreislauf verwendet werden können, weisen ein durch Null verstellbares Hubvolumen auf, sodass ein Vier-Quadrantenbetrieb ermöglicht wird. In einem Pumpenbetrieb kann dann durch das Verstellen des Fördervolumens ausgehend von einem positiven Stellbereich, durch Null, in einen negativen Stellbereich, oder umgekehrt von negativ zu positiv, ein Richtungswechsel des Druckmittelvolumenstroms bewirkt werden, ohne dass hierfür die Drehrichtung der Triebwelle geändert werden muss. Im Motorbetrieb kann durch das o.g. Verstellen ein Richtungswechsel des Drehmoments bewirkt werden, ohne dass die Richtung des Druckmittelvolumenstroms geändert werden muss. Zur Verstellung ist ein beidseitig seiner Null-Stellung hydraulisch betätigbarer, doppeltwirkender Stellzylinder vorgesehen, der mit einem Stellelement der Axialkolbenmaschine gekoppelt ist, von dessen Stellung das Hubvolumen abhängt. Das Stellelement ist beispielsweise eine in ihrem Schwenkwinkel verstellbare Schrägscheibe, an der Arbeitskolben gleitend abgestützt sind.
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Die hydraulische Betätigung des doppeltwirkenden Stellzylinders erfolgt durch ein Regelventil. Dabei wird auf eine vorrichtungstechnisch aufwändige mechanische Rückführung der Ist-Stellung des Stellelements (Schrägscheibe) auf das Regelventil verzichtet und der Regelkreis wird stattdessen elektronisch geschlossen.
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Stand der Technik
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Das Datenblatt RD92076-01-B_2022-04-22 der Anmelderin zeigt eine hydrostatische Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweis mit einem doppelwirkenden Stellzylinder, der mit einer das Hubvolumen stellenden Schrägscheibe bewegungsgekoppelt ist. Mit einer Rückstellfeder im Inneren des Stellkolbens des Stellzylinders wird eine Null-Stellung des Stellkolbens vorgespannt, in welcher das Hubvolumen Null beträgt. An einander gegenüberliegenden Enden des Stellzylinders sind Einstellschrauben vorgesehen, mit denen die Null-Stellung justierbar ist. Federn unterliegen einem Ermüdungsprozess, sodass sich die von der Feder vorbestimmt eingestellte Null-Stellung mit der Zeit verändern kann.
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Da im fehlerfreien Betrieb die Ist-Stellung und damit das Ist-Hubvolumen stets erfasst und auf Soll geregelt wird, wird trotz der genannten Ermüdung eine angeforderte Null-Stellung, beziehungsweise ein angeforderter Null-Druckmittelvolumenstrom, weiterhin zuverlässig eingeregelt.
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Die Rückstellfeder dient der Rückstellung auf Null insbesondere im drucklosen Zustand und insbesondere für Einstell- und Justierarbeiten. Zugunsten einer hohen Schwenkdynamik und eines geringen Bauraumbedarfs ist die Rückstellfeder mit einem vergleichsweise geringen Rückstellmoment ausgelegt. Das bringt aber mit sich, dass bei hohen Arbeitsdrücken die Rückstellung auf Null nicht prozesssicher gewährleistet ist. Im Fehlerfall, wenn die Regelung ausfällt, kann sich aus einer fehlerhaften Null-Stellung ein Rest-Druckmittelvolumenstrom ergeben.
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Kurzbeschreibung der Offenbarung
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Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist es, eine hydrostatische Axialkolbenmaschine zu schaffen, deren geregeltes Hubvolumen, insbesondere bei Ausfall der Regelung, wiederholgenau auf Null stellbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine hydrostatische Axialkolbenmaschine mit der Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst.
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Die hydrostatische Axialkolbenmaschine ist insbesondere in Schrägscheibenbauweise ausgestaltet und hat gemäß der Offenbarung einen hydraulischen, insbesondere doppeltwirkenden, Stellzylinder mit einem, insbesondere axialverschieblichen, Stellkolben, an dem eine erste Stellkolbenfläche und eine dieser entgegenwirkende, zweite Stellkolbenfläche ausgebildet sind. Vorzugsweise sind die Stellkolbenflächen gleich groß, das heißt, der Stellzylinder ist als Gleichgangzylinder ausgebildet, was eine Regelung erleichtert. Mit dem Stellkolben ist ein Stellelement bewegungsgekoppelt, von dessen Stellung ein Hubvolumen der Axialkolbenmaschine abhängig ist. Insbesondere ist das Stellelement eine Schrägscheibe, an welcher hydrostatische Arbeitskolben von Zylinder-Kolbeneinheiten einer drehbar in einem Gehäuse der Axialkolbenmaschine gelagerten Zylindertrommel gleitend abgestützt sind. Offenbarungsgemäß hat die Axialkolbenmaschine ein, insbesondere elektromagnetisch ansteuerbares und betätigbares, Regelventil, vorzugsweise zur Regelung der Stellung des Stellelements und damit des Hubvolumens. Das Regelventil ist offenbarungsgemäß in Abhängigkeit einer erfassten Ist-Stellung des Stellkolbens oder Stellelements und von einer, vorzugsweise angeforderten und erfassten, Soll-Stellung des Stellkolbens oder Stellelements mit einem, insbesondere elektrischen, Steuersignal ansteuerbar, sodass die Stellkolbenflächen über das Regelventil in Abhängigkeit des Steuersignals in gedrosselte Druckmittelverbindung mit einer Stelldruckmittelquelle und einer Stelldruckmittelsenke bringbar sind. Auf diese Weise ist der Stellkolben beidseitig einer Mitten-Stellung oder Null-Stellung betätigbar, in welcher das Hubvolumen der Axialkolbenmaschine, und damit insbesondere auch deren Druckmittevolumenstrom, null ist. Dadurch, dass das Hubvolumen einen Nulldurchgang haben kann, ist die Axialkolbenmaschine insbesondere in einem geschlossenen hydraulischen Kreislauf und insbesondere in einem Vier-Quadrantenbetrieb betreibbar ausgestaltet. Erfindungsgemäß hat die Axialkolbenmaschine einen, vorzugsweise koaxial zum Stellzylinder angeordneten und/oder mit diesem fluchtenden, hydraulischen Hilfszylinder mit einem, insbesondere axialverschieblichen, Hilfskolben, der eine erste Hilfskolbenfläche hat, die, insbesondere in fluidischer Verbindung mit der Druckmittelquelle, in eine Betätigungsrichtung des Hilfskolbens wirksam ist, die hin zu dem Stellkolben gerichtet ist, und die zudem hin zu einer ersten Hubbegrenzung des Hilfszylinders gerichtet ist. Ist der Hilfskolben gegen diese erste Hubbegrenzung betätigt, das heißt in Anlage mit dieser, so ist von dem Hilfskolben, vorzugsweise von einer zum Stellkolben weisenden Stirnfläche des Hilfskolbens, ein Mittenanschlag für den Stellkolben ausgebildet, gegen den dieser betätigbar oder spannbar, insbesondere betätigt oder gespannt, ist, sodass der Stellkolben in seine Mitten-Stellung oder Null-Stellung betätigbar oder spannbar, insbesondere betätigt oder gespannt, ist.
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Auf diese Weise ist eine hydrostatische Axialkolbenmaschine mit geregeltem Hubvolumen geschaffen, deren Hubvolumen - und damit Druckmittelvolumenstrom - sicher und wiederholgenau auf Null stellbar ist, insbesondere in einem Fehlerfall. Dies ist offenbarungsgemäß allein mit hydromechanischen Mitteln realisiert - das heißt ohne eine notwendige Regelung - indem einerseits der Hilfskolben in Richtung hin zum Stellkolben und auf Anschlag gegen die erste Hubbegrenzung des Hilfszylinders betätigt wird, und andererseits der Stellkolben auf Anschlag gegen den Hilfskolben betätigt wird. In anderen Worten unterliegt die offenbarungsgemäß hydromechanische Ausgestaltung und Aktivierung des Mittenanschlags des Stellkolbens nicht den typischen Nachteilen einer hydraulisch-mechanischen Null-Stellungsregelung des Hubvolumens, die beispielsweise in einer Hysterese begründet sind. Die offenbarungsgemäß hydromechanische Ausgestaltung und Aktivierung des Mittenanschlags stellt insbesondere bei sicherheitsrelevanter Verwendung der Axialkolbenmaschine, bei der mit höchster Verlässlichkeit ein Druckmittelvolumenstrom von Null, insbesondere beim Ausfall der Regelung, sichergestellt sein muss, einen Vorteil dar.
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Gemäß einer Weiterbildung ist die erste Hilfskolbenfläche größer als die zweite Stellkolbenfläche, die in eine Betätigungsrichtung des Stellkolbens hin zu dem Hilfskolben wirksam ist, den Stellkolben also auf den Hilfskolben drückt. So ist sichergestellt, dass, bei Beaufschlagung der ersten Hilfskolbenfläche und der zweiten Stellkolbenfläche mit dem gleichen Druck, der Hilfskolben stets in Anlage mit der ersten Hubbegrenzung gerät und bleibt, auch dann noch, wenn der Stellkolben gegen ihn drückt. Die Mitten-Stellung oder Null-Stellung des Stellkolbens ist so auf einfachste Weise sichergestellt.
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Gemäß einer Weiterbildung hat die Axialkolbenmaschine eine Ventileinrichtung, die ausgestaltet ist, dass durch sie in einem Fehlerfall die erste Hilfskolbenfläche und die zweite Stellkolbenfläche mit der Stelldruckmittelquelle verbunden sind und die erste Stellkolbenfläche mit der Stelldruckmittelsenke verbunden ist. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die an der ersten Stellkolbenfläche resultierende Kraft, die am Stellkolben in eine Richtung weg von dem Hilfskolben wirksam ist, kleiner ist als die an der zweiten Stellkolbenfläche resultierende Kraft, die am Stellkolben in Richtung hin zu dem Hilfskolben wirksam ist.
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Die Ventileinrichtung kann vom Regelventil gebildet sein, beispielsweise mittels einer Ventilstellung oder sie ist von einem gesonderten Logik- oder Schaltventil gebildet.
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Der Fehlerfall ist insbesondere so definiert, dass dabei das Steuersignal außerhalb einer Spezifikation liegt, außerhalb eines bestimmungsgemäßen Intervalls liegt, unterbrochen ist, einem Fehlersignal entspricht, zu starke oder zu hochfrequente Schwankungen aufweist oder dass ein Signalausfall vorliegt, sodass die Regelung ausfällt.
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Gemäß einer Weiterbildung hat der Hilfskolben eine zweite Hilfskolbenfläche, die der ersten Hilfskolbenfläche entgegenwirkend ist. Dadurch kann durch Druckmittelbeaufschlagung der zweiten Hilfskolbenfläche, insbesondere durch deren Druckmittelverbindung mit der Stelldruckmittelquelle, der Hilfskolben von seiner ersten Hubbegrenzung abgehoben, insbesondere eingefahren, werden.
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In bevorzugter Weiterbildung ist die zweite Hilfskolbenfläche in Betätigungsrichtung des Hilfskolbens gegen eine zweite Hubbegrenzung des Hilfszylinders wirksam. Auf diese Weise ist der Hilfskolben definiert aus seiner den Mittenanschlag definierenden Stellung in eine zweite Endstellung betätigbar.
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Gemäß einer offenbarungsgemäßen Variante ist der Hilfszylinder eine an einem Gehäuseabschnitt der Axialkolbenmaschine ausgebildete Hilfszylinderbohrung, in der der Hilfskolben axialverschieblich aufgenommen ist. Dann ist zumindest die erste Hubbegrenzung und damit der Mittenanschlag fest. Die Position des vom Hilfskolben gebildeten Mittenanschlags ist dann abhängig von den Fertigungsmaßen des Gehäuseabschnitts und des Hilfskolbens und nicht einstellbar.
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Gemäß einer Weiterbildung begrenzen die erste Stellkolbenfläche, die - wie bereits erwähnt - in die Betätigungsrichtung des Stellkolbens weg von dem Hilfskolben wirksam ist, und die zweite Hilfskolbenfläche, die - wie bereits erwähnt - der ersten Hilfskolbenfläche entgegenwirkt und in die Betätigungsrichtung des Hilfskolbens weg von dem Stellkolben wirksam ist, separate Druckräume oder Zylinderräume, die somit unabhängig voneinander wahlweise mit der Stelldruckmittelquelle und Stelldruckmittelsenke verbunden werden können, sodass eine Flexibilität in der Betätigung des Stellkolbens unabhängig von der Betätigung des Hilfskolbens gegeben ist.
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Gemäß einer offenbarungsgemäßen Variante ist der der Hilfszylinder in einem Gehäuseabschnitt der Axialkolbenmaschine in Betätigungsrichtung des Stellkolbens axialverschieblich aufgenommen. Auf diese Weise ist eine Position des Hilfszylinders an der Axialkolbenmaschine, insbesondere relativ zum Stellkolben, veränderlich und der Mittenaschlag kann verändert werden. Insbesondere ist der Hilfszylinder von einer im Gehäuseabschnitt axialverschieblich aufgenommenen Zylinderhülse gebildet.
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Mit besonderem Vorzug ist eine, insbesondere von außerhalb des Gehäuses zugängliche, Stelleinrichtung, insbesondere eine Stellschraube, vorgesehen, über die die Position des Hilfszylinders einstellbar ist, sodass zumindest die erste Hubbegrenzung, und damit insbesondere der Mittenanschlag, einstellbar ist. So kann der hydraulisch betätigbare Mittenanschlag für den Stellkolben genau justiert werden, sodass dieser in der Mitten- oder Null-Stellung den Druckmittelvolumenstrom der Axialkolbenmaschine exakt auf Null stellt.
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Gemäß einer Weiterbildung sind die erste Stellkolbenfläche, die - wie bereits erwähnt - in die Betätigungsrichtung des Stellkolbens weg von dem Hilfskolben wirksam ist, und die zweite Hilfskolbenfläche, die - wie bereits erwähnt - der ersten Hilfskolbenfläche entgegenwirkt und die in die Betätigungsrichtung des Hilfskolbens weg von dem Stellkolben wirksam ist, fluidisch dauerhaft verbunden. Auf diese Weise können sie nicht unabhängig voneinander mit der Stelldruckmittelquelle und Stelldruckmittelsenke verbunden werden. Stattdessen weisen sie immer den gleichen Druck auf oder sind zumindest mit einem gleichen Druckniveau verbunden. So ist die Flexibilität in der Betätigung des Stellkolbens unabhängig von der Betätigung des Hilfskolbens eingeschränkt. Allerdings ist der Vorteil gegeben, dass auf diese Weise von den beiden genannten Kolbenflächen ein Druckraum begrenzt, der bei Verbindung mit der Druckmittelquelle dazu führt, dass der Hilfskolben vom Stellkolben weg, hin zu seiner zweiten Hubbegrenzung betätigt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung hat das Regelventil eine Grundstellung, in die es, insbesondere mittels einer Feder, vorgespannt ist, und in welcher über das Regelventil die erste Stellkolbenfläche mit der Druckmittelsenke verbunden ist und die zweite Stellkolbenfläche mit der Stelldruckmittequelle verbunden ist. So ist im Fehlerfall der Stellkolben ohne elektrische Hilfsenergie prozesssicher in Richtung des Hilfskolbens betätigt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung hat die Axialkolbenmaschine zudem ein Schaltventil mit einer Grundstellung, in die das Schaltventil, insbesondere mittels einer Feder, vorgespannt ist, und in welcher über das Schaltventil die erste Hilfskolbenfläche mit der Stelldruckmittelquelle verbunden ist. So ist im Fehlerfall der Hilfskolben ohne elektrische Hilfsenergie prozesssicher in Richtung des Stellkolbens und der ersten Hubbegrenzung betätigt, sodass der Mittenanschlag für den Stellkolben ohne elektrische Hilfsenergie prozesssicher ausgebildet ist.
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Gemäß einer Weiterbildung hat die Axialkolbenmaschine ein ergänzendes Schaltventil mit einer Grundstellung, in die das ergänzende Schaltventil, insbesondere mittels einer Feder, vorgespannt ist, und in welcher über das ergänzende Schaltventil die zweite Hilfskolbenfläche mit der Stelldruckmittelsenke verbunden ist.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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- 1 zeigt einen hydraulischen Schaltplan einer hydrostatischen Axialkolbenmaschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung;
- 2 zeigt eine hydrostatische Axialkolbenmaschine gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in einer Draufsicht;
- 3 zeigt einen Stellzylinder mit Hilfszylinder der Axialkolbenmaschine gemäß 1 und 2 in einem Längsschnitt, in einer Regelstellung um eine Null-Stellung herum;
- 4 zeigt den Stellzylinder mit Hilfszylinder gemäß 3 in einem Längsschnitt, mit dem Stellzylinder in Anlage an einem linken Endanschlag;
- 5 zeigt den Stellzylinder gemäß 3 und 4 in einem Längsschnitt, festgelegt in seiner Null-Stellung mittels dem hydraulisch betätigten Hilfszylinder; und
- 6 zeigt einen Stellzylinder mit Hilfszylinder einer Axialkolbenmaschine gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in einem Detail-Längsschnitt;
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Nachstehend werden zwei Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung auf der Basis der zugehörigen Figuren beschrieben. Über die Ausführungsbeispiele gleichbleibende Komponenten sind mit gleichbleibendem Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt einen hydraulischen Schaltplan einer hydrostatischen Axialkolbenmaschine 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung. Die Axialkolbenmaschine 1 ist in Schrägscheibenbauweise mit verstellbarem Hubvolumen ausgestaltet und hat eine Triebwelle 2, mit der ein Triebwerk 4 in Wirkverbindung ist. Das Triebwerk 4 hat eine drehfest mit der Triebwelle 2 verbundene Zylindertrommel (nicht dargestellt) mit einer Vielzahl von Zylinder-Kolbeneinheiten, deren Arbeitskolben an einer in ihrem Schwenkwinkel verstellbaren Schrägscheibe 6 gleitend abgestützt sind. Die Schrägscheibe 6 legt über ihren eingestellten Schwenkwinkel den Hub der Arbeitskolben, das heißt das Hubvolumen der Axialkolbenmaschine 1, und in Folge, in Abhängigkeit der Drehzahl der Triebwelle 2, den Druckmittelvolumenstrom der Axialkolbenmaschine 1 fest. Der Schwenkwinkel ist offenbarungsgemäß beidseitig eines Null-Hubvolumens, das heißt, in einen positiven und in einen negativen Stellbereich, verstellbar. In anderen Worten ist die Axialkolbenmaschine 1 „durchschwenkbar“ ausgebildet. Die Axialkolbenmaschine 1 hat zwei Arbeitsanschlüsse A, B und kann aufgrund ihrer Ausgestaltung mit „durchschwenkbarer“ Schrägscheibe 6 im geschlossenen, hydraulischen Kreislauf als Hydropumpe und als Hydromotor im Vier-Quadrantenbetrieb betrieben werden.
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Zur Verstellung des Schwenkwinkels der Schrägscheibe 6, und damit des Hubvolumens der Axialkolbenmaschine 1, ist mit der Schrägscheibe 6 ein Stellkolben 8 eines Stellzylinders 10 bewegungsgekoppelt. Der Stellzylinder 10 ist als Gleichgangzylinder ausgebildet, wobei am Stellkolben 8 zwei einander entgegenwirkende, gleich dimensionierte Stellkolbenflächen - eine erste Stellkolbenfläche 12 und eine zweite Stellkolbenfläche 14 - ausgebildet sind, die jeweils einen Stellzylinderraum des Stellzylinders 10 begrenzen.
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Der Stellzylinder 10 hat einen einstellbaren ersten Endanschlag 16, mit dem die zweite Stellkolbenfläche 14 bei maximal positivem Hub des Stellkolbens 8 in Anlage gerät, und einen gehäusefesten zweiten Endanschlag (in 1 nicht dargestellt, vgl. 74, 3 bis 5), mit dem ein Radialbund (in 1 nicht dargestellt, vgl. 72, 3 bis 5) des Stellkolbens 8 bei maximal negativem Hub des Stellkolbens 8 in Anlage gerät. Über den ersten Endanschlag 16 und den zweiten Endanschlag sind somit die maximalen Schwenkwinkel der Schrägscheibe 6 und damit die maximalen Hubvolumina der Axialkolbenmaschine 1 in beiden Stellbereichen begrenzt.
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Der zweite Endanschlag ist von einer gehäusefesten Stirnfläche gebildet, mit der der Radialbund auf Anschlag gebracht wird.
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Der Hilfszylinder 22 ist offenbarungsgemäß dafür vorgesehen, bei Bedarf, insbesondere im Fehlerfall bei Ausfall der Regelung, einen hydraulisch betätigbaren Mittenanschlag (18', vgl. nachstehend erläuterte 5) des Stellkolbens 8 auszubilden. Bei Betätigung des Hilfskolbens 20 des Hilfszylinders 22 hin zum Stellkolben 8, ist der Mittenanschlag 18' (vgl. insbesondere 5) von einer Stirnfläche 18 des Hilfskolbens 20, genauer gesagt von der Stirnfläche 18 der Kolbenstange des Hilfskolbens 20, gebildet.
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Der Hilfskolben 20 hat eine erste Hilfskolbenfläche 24, die in Richtung einer Bewegung des Hilfskolbens 20 hin zu dem Stellkolben 8 wirksam ist. Kolbenstangenseitig hat der Hilfskolben 20 eine der ersten Hilfskolbenfläche 24 entgegenwirkende, zweite Hilfskolbenfläche (aus Gründen der Übersichtlichkeit in 1 ohne Bezugszeichen), die in Richtung einer Bewegung des Hilfskolbens 20 weg von dem Stellkolben 8 wirksam ist.
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Der Hilfszylinder 22 hat eine über eine Einstelleinrichtung 25 einstellbare, erste Hubbegrenzung 26, von der ein Hub des Hilfskolbens 20 in Richtung hin zu dem Stellkolben 8 begrenzt ist, wenn die zweite Hilfskolbenfläche mit der ersten Hubbegrenzung 26 in Anlage gerät. In Gegenrichtung hat der Hilfszylinder 22 eine zweite Hubbegrenzung (aus Gründen der Übersichtlichkeit in 1 ebenso ohne Bezugszeichen), von der der Hub des Hilfskolbens 20 in Richtung weg von dem Stellkolben 8 begrenzt ist, wenn die erste Hilfskolbenfläche 24 mit der zweiten Hubbegrenzung in Anlage gerät. Auch die zweite Hubbegrenzung ist über die Einstelleinrichtung 25 einstellbar, wobei ihre Einstellung an die Einstellung der ersten Hubbegrenzung 26 und damit des Mittenanschlags gekoppelt ist.
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Zur Betätigung des Stellkolbens 8, und damit zur Verstellung des Hubvolumens der Axialkolbenmaschine 1, ist ein Regelventil 28 vorgesehen, dessen erster Versorgungsanschluss T mit einer Stelldruckmittelsenke R verbunden ist und dessen zweiter Versorgungsanschluss P mit einer Stelldruckmittelquelle pst verbunden ist. Das Regelventil 28 hat zudem zwei Arbeitsanschlüsse A, B, von denen ein erster A mit einem von der ersten Stellkolbenfläche 12 begrenzten ersten Stellzylinderraum und ein zweiter B mit einem von der zweiten Stellkolbenfläche 14 begrenzten, zweiten Stellzylinderraum verbunden ist.
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Das Regelventil 28 ist elektromagnetisch betätigbar und in Signalverbindung mit einer Steuereinheit 30 der Axialkolbenmaschine 1. Von der Steuereinheit 30 ist ein Elektromagnet des Regelventils 28 mit einem Steuersignal Ir angesteuert, das von einer Regeleinrichtung der Steuereinheit 30 in Abhängigkeit einer Regelabweichung eines Ist-Signals Sist von einem Soll-Signals Ssoll ermittelt wird. Das Ist-Signal Sist repräsentiert einen Ist-Hub des Stellkolbens 8, und damit ein Ist-Hubvolumen der Axialkolbenmaschine 1, wobei der Ist-Hub von einer Wegerfassungseinheit 11 der Axialkolbenmaschine 1 erfasst wird, die das Ist-Signal Sist an die Steuereinheit 30 meldet. Das Soll-Signal Ssoll repräsentiert einen Soll-Hub des Stellkolbens 8 und damit ein Soll-Hubvolumen der Axialkolbenmaschine 1.
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Das Regelventil 28 hat eine von einer Feder 32 vorgespannte Grundstellung 28b, in der die erste Stellkolbenfläche 12 über den ersten Arbeitsanaschluss A und den ersten Versorgungsanschluss T des Regelventils 28 mit der Stelldruckmittelsenke R fluidisch verbunden ist und in der die zweite Stellkolbenfläche 14 über den zweiten Arbeitsanaschluss B und den zweiten Versorgungsanschluss P des Regelventils 28 mit der Stelldruckmittelquelle pst fluidisch verbunden ist. In der Grundstellung 28b resultiert am Stellkolben 8 somit eine Kraft, die den Stellkolben 8 in Richtung seines maximal negativen Hubes in Richtung hin zu dem zweiten Endanschlag bewegt, sodass das Hubvolumen der Axialkolbenmaschine 1 in Richtung seines negativen Maximums gestellt wird.
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Das Regelventil 28 hat eine vom Elektromagneten betätigbare Endstellung 28a, in der die zweite Stellkolbenfläche 14 über den zweiten Arbeitsanschluss B und den ersten Versorgungsanschluss T des Regelventils 28 mit der Stelldruckmittelsenke R verbunden ist und in der die erste Stellkolbenfläche 12 über den ersten Arbeitsanaschluss A und den zweiten Versorgungsanschluss P des Regelventils 28 mit der Stelldruckmittelquelle pst verbunden ist. In der Endstellung 28a resultiert am Stellkolben 8 somit eine Kraft, die den Stellkolben 8 in Richtung seines maximal positiven Hubes in Richtung hin zu dem ersten Endanschlag 16 bewegt, sodass das Hubvolumen der Axialkolbenmaschine 1 in Richtung seines positiven Maximums gestellt wird.
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Zwischen der Grundstellung 28b und der Endstellung 28a nimmt das Regelventil 28 in Abhängigkeit des Steuersignals Ir, einer daraus resultierenden elektromagnetischen Kraft und der entgegenwirkenden Federkraft der Feder 32 Regelstellungen 28c ein, in denen beide Stellzylinderräume jeweils in gedrosselter Druckmittelverbindung mit der Stelldruckmittelsenke R und mit der Stelldruckmittelquelle pst sind.
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Der Hilfszylinder 22 hat offenbarungsgemäß die Funktion, einen hydraulisch betätigbaren, im Fehlerfall wiederholgenau aktivierbaren Mittenaschlag für den Stellkolben 8 auszubilden. Bei Druckmittelverbindung der ersten Hilfskolbenfläche 24 mit der Stelldruckmittelquelle pst wird der Hilfskolben 20 in Richtung hin zum Stellkolben 8 betätigt, bis er mit seiner zweiten Hilfskolbenfläche in Anlage mit der ersten Hubbegrenzung 26 gerät und seine Bewegung stoppt. In diesem Zustand ist die Stirnfläche 18 der Kolbenstange des Hilfskolbens 20 hin zum Stellkolben 8 eingerückt und begrenzt somit dessen Hub, beziehungsweise bildet den Mittenanschlag aus (vgl. insbesondere 18', 5).
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Die zuletzt genannte Druckmittelverbindung der ersten Hilfskolbenfläche 24 darf nicht permanent sein, sondern muss gesteuert oder geschaltet werden, andernfalls wäre der Mittenanschlag dauerhaft aktiv. Hierzu hat die Axialkolbenmaschine 1 ein elektromagnetisch betätigbares 3/2 Wegeschaltventil 34 mit einer elektromagnetisch betätigten Schaltstellung 34a, in der die erste Hilfskolbenfläche 24 mit der Stelldruckmittelsenke R verbunden ist, also druckentlastet ist, und mit einer von einer Feder 33 vorgespannten Grundstellung 34b, in der die erste Hilfskolbenfläche 24 mit der Stelldruckmittelquelle pst verbunden ist, also druckbelastet ist. Die Ansteuerung des Elektromagneten des Schaltventils 34 erfolgt im bestimmungsgemäßen, fehlerfreien Betrieb mit einem Steuersignal Is über die Steuereinheit 30.
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Mit den genannten Grundstellungen 28b und 34b sind die erste Hilfskolbenfläche 24 und die zweite Stellkolbenfläche 14 mit der Stelldruckmittelquelle pst verbunden und die erste Stellkolbenfläche 12 und die zweite Hilfskolbenfläche, die der ersten Hilfskolbenfläche 24 entgegenwirkt, sind mit der Stelldruckmittelsenke R verbunden. Das bewirkt, dass der Hilfskolben 20 dem Stellkolben 8 entgegen ausfährt und der Stellkolben 8 wiederum, in 1 nach links, dem Hilfskolben 20 entgegen nach links betätigt wird. Die Stirnfläche 18 der Kolbenstange stellt bei ausgefahrenem Hilfskolben 20 den Mittenanschlag dar (18', vgl. 5), gegen den der Stellkolben 8 betätigt werden kann. Dabei ist die erste Hilfskolbenfläche 24 größer als die zweite Stellkolbenfläche 14, wodurch sichergestellt ist, dass der Stellkolben 8 prozesssicher gegen seine Mitten- oder Null-Stellung betätigt ist.
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Die 2 zeigt die Axialkolbenmaschine 1 gemäß 1 in einer Ansicht von oben mit einem Gehäuse 36 aus dem vorderseitig die Triebwelle 2 auskragt. Das Gehäuse 34 hat an einer Oberseite einen etwa quaderförmigen Gehäuseabschnitt 36, der sich mit einer Längsachse 38 im rechten Winkel zur Drehachse 40 der Triebwelle 2 erstreckt. In dem Gehäuseabschnitt 36 ist der zuvor beschriebene Stellkolben aufgenommen, was in den 3 bis 5 detaillierter gezeigt ist. Endseitig am Gehäuseabschnitt 36, in 2 links, ist ein Hilfszylindergehäuse 42 angesetzt, in dem der Hilfskolben (20 in 1 und 3 bis 5; 120 in 6) aufgenommen ist. Auf eine eingehendere Beschreibung des Gehäuses 34 und der sonstigen Komponenten der Axialkolbenmaschine 1 wird, abgesehen vom Stellzylinder und Hilfszylinder, an dieser Stelle verzichtet, da diese hinreichend aus dem Stand der Technik bekannt sind.
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Anhand 3 wird mit Bezug zu 1 der konstruktive Aufbau und das Zusammenwirken des Stellkolbens 10 mit dem Hilfskolben 22 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben. 3 zeigt dabei den Stellkolben 8 in einer Regelstellung um seine Mitten- oder Null-Stellung herum, 4 zeigt den Stellkolben 8 in Anlage mit seinem gehäusefesten, zweiten, in 4 linken, Endanschlag, das heißt mit seinem maximal möglichen, negativen Hub. 5 zeigt den mit Hilfe des Hilfszylinders 22 in seine Mitten- oder Null-Stellung betätigten Stellkolben 8.
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Gemäß 3 hat der Gehäuseabschnitt 36 eine sich koaxial zur Längsachse 38 erstreckende Zylinderbohrung 44, die auf einer Seite vom Hilfszylindergehäuse 42 und auf der gegenüberliegenden Seite von einer Endkappe 46 verschlossen ist. Das Hilfszylindergehäuse 42 und die Endkappe 46 erstrecken sich abschnittsweise mit einem jeweiligen Führungshals in die Zylinderbohrung 44 hinein, wobei der Stellkolben 8 mit einem jeweiligen Endabschnitt im zugeordneten Führungshals axialverschieblich geführt ist.
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Von der ersten Stellkolbenfläche 12 und einer Innenmantelfläche des Führungshalses des Hilfszylindergehäuses 42 ist ein erster Stellzylinderraum 48 und von der zweiten Stellkolbenfläche 14 und einer Innenmantelfläche des Führungshalses der Endkappe 46 ist ein zweiter Stellzylinderraum 50 abschnittsweise begrenzt. Der erste Stellzylinderraum 48 ist in dauerhafter Druckmittelverbindung mit dem ersten Arbeitsanschluss A des Regelventils 28 und der zweite Stellzylinderraum 50 ist in dauerhafter Druckmittelverbindung mit dem zweiten Arbeitsanschluss B des Regelventils 28 (vgl. jeweils 1).
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Das Hilfszylindergehäuses 42 hat eine durchgängige Stufenbohrung, deren radial verjüngter Abschnitt die oben genannte Innenmantelfläche des Führungshalses ausbildet, an der derjenige Endabschnitt des Stellkolbens 8 geführt ist, der stirnseitig die erste Stellkolbenfläche 12 trägt.
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In einem radial erweiterten Abschnitt 52 der Stufenbohrung ist eine Hilfszylinderhülse 54 des Hilfszylinders 22 axial verschieblich aufgenommen. Der Hilfskolben 20 ist wiederum in der Hilfszylinderhülse 54 axialverschieblich aufgenommen.
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Der Hilfskolben 20 hat eine Kolbenstange 56, die einen die erste Hubbegrenzung 26 ausbildenden Hilfszylinderboden in den ersten Stellzylinderraum 48 hinein durchsetzt. So weist die Stirnfläche 18 der Kolbenstange 56 innerhalb des ersten Stellzylinderraums 48 hin zur ersten Stellkolbenfläche 12.
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Rückwärtig ist die Hilfszylinderhülse 54 von einem Hilfszylinderdeckel 58 verschlossen.
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Mit dessen Innenseite ist in der gezeigten, unbetätigten Stellung des Hilfskolbens 20 die erste Hilfskolbenfläche 24 in Anlage. In anderen Worten ist der Hilfskolben 20 gemäß 3 bis auf Anschlag auf den Hilfszylinderdeckel 58 eingefahren.
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Mit einer Außenseite des Hilfszylinderdeckels 58 ist eine Stellschraube 60 der Einstelleinrichtung 25 in Anlage. Über die Betätigung dieser konterbaren Stellschraube 60 kann der Hilfszylinder 22 in seiner Gesamtheit, das heißt mit dem Hilfszylinderdeckel 58, der Hilfszylinderhülse 52 und dem darin angeordneten Hilfskolben 20, sowie der an der Hilfszylinderhülse 52 ausgebildeten, ersten Hubbegrenzung 26, positioniert werden, wodurch der vorbeschriebene Mittenanschlag bei betätigtem Stellkolben 20 (vgl. 18', 5) justierbar ist.
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Zur Betätigung des Hilfskolbens 20 mittels Druckmittelbeaufschlagung der ersten Hilfskolbenfläche 24 weist die Hilfszylinderhülse 54, etwa auf Höhe der Innenseite des Hilfszylinderdeckels 58, eine Radialbohrung 62 auf, die unabhängig von der eingestellten Position der Hilfszylinderhülse 54 in Überdeckung mit einer innenumfänglichen Nut 70 des Hilfszylindergehäuses 42 ist. Die innenumfängliche Nut 70 weist im gezeigten Ausführungsbeispiel in Einstellrichtung der Hilfszylinderhülse 54 eine Breite auf, die etwa dem 2,5-fachen Durchmesser der Radialbohrung 62 entspricht. In die innenumfängliche Nut 70 mündet von radial außen eine Radialbohrung 64, die das Hilfszylindergehäuse 42 durchsetzt.
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Mit Bezug zu 1 ist gezeigt, dass diese Radialbohrung 64 mit dem Arbeitsanschluss des Schaltventils 34 verbunden ist, welches auf vorbeschriebene Weise, je nach Ansteuerungssignal Is, die erste Hilfskolbenfläche 24 entweder mit der Stelldruckmittelquelle pst oder mit der Stelldruckmittelsenke verbindet.
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Im in 3 und in 4 gezeigten Zustand ist das Schaltventil 34 mit dem Steuersignal Is angesteuert und in die Schaltstellung 34a betätigt und somit die erste Hilfskolbenfläche 24 druckentlastet. Das Regelventil 28 ist aktiv und wird mit dem Steuersignal Ir von der Steuereinheit 30 beaufschlagt.
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3 zeigt den Stellkolben 8, wie erwähnt, im Bereich seiner geregelten Null-Stellung. Demgemäß nimmt das Regelventil seine Regelstellungen 28c ein.
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4 zeigt demgegenüber den Stellkolben 8 in seiner maximal möglichen, linken Stellung, das heißt mit seinem maximalen, negativen Hub, in welchem ein mittiger Radialbund 72 des Stellkolbens 8 in Anlage mit einem gehäusefesten zweiten Endanschlag 74 ist. Der zweite Endanschlag 74 ist von einer Stirnfläche des Führungshalses des Hilfszylindergehäuses 42 gebildet. Dieser maximale, negative Hub ist dadurch realisiert, dass das Regelventil 28 mittels dem Steuersignal Ir und unter Wirkung der Federkraft der Feder 32 in seine Grundstellung 28b betätigt ist, in der der erste Stellzylinderraum 48 mit der Stelldruckmittelsenke R und der zweite Stellzylinderraum 50 mit der Stelldruckmittelquelle pst verbunden sind. Dabei verbleibt zwischen der ersten Stellkolbenfläche 12 und der Stirnfläche 18 der Kolbenstange 56 noch ein minimaler Restspalt.
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Die 3 und 4 zeigen somit den Stellkolben 8 im bestimmungsgemäßen, fehlerfreien Betrieb, und damit Regelbetrieb der Steuereinheit 30, der Axialkolbenmaschine 1. Hierin beaufschlagt die Steuereinheit 30 das Regelventil 28 mit dem Steuersignal Ir, sodass über das Regelventil 28 die Druckverhältnisse am Stellkolben 8 geregelt werden und der Stellkolben 8 das Hubvolumen der Axialkolbenmaschine 1 entsprechend hält oder verstellt. Das Schaltventil 34 ist permanent mit dem Steuersignal Is angesteuert, sodass die erste Hilfskolbenfläche 24 druckentlastet ist und der Hilfskolben 20 eingefahren ist.
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Gemäß dem in 3 bis 5 mit Bezug zu 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Boden der Hilfszylinderhülse 54, von dem die erste Hubbegrenzung 26 gebildet ist, eine Durchgangsausnehmung 68 auf, über die die erste Stellkolbenfläche 12 und die bereits zuvor erwähnte, zweite Hilfskolbenfläche 66 dauerhaft in Druckmittelverbindung stehen. Wirkt - wie in den 3 und 4 gezeigt - am ersten Arbeitsanschluss A des Regelventils 28 der Stelldruck pst, so wirkt dieser nicht nur an der ersten Stellkolbenfläche 12, die den Stellkolben 8 weg von der Stirnfläche 18 der Hilfskolbenstange 56 treibt, sondern über die Durchgangsausnehmung 68 stets auch an der zweiten Hilfskolbenfläche 66, die den Hilfskolben 20 weg von dem Stellkolben 8 und auf Anschlag mit der Innenseite des Hilfszylinderdeckels 58 treibt.
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Den Fehlerfall, insbesondere wenn die Steuereinheit 30 ausfällt, sodass die Steuersignale Ir und Is entfallen, zeigt 5. Dabei wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit auf die Darstellung einiger Bezugszeichen verzichtet. Die in 5 dargestellten Komponenten sind identisch mit denjenigen gemäß den 3 und 4.
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Für den Fehlerfall sei angenommen, dass weder das Regelventil 28, noch das Schaltventil 34 bestromt ist und die Steuersignale Ir und Ir somit fehlen oder einen als Fehler spezifizierten Signalwert aufweisen. Dementsprechend sind beide Ventile 28, 34 in ihre Grundstellung 28b, beziehungsweise 34b gemäß 1 federbelastet. Entsprechend ist über die Grundstellung 28b der erste Arbeitsanschluss A des Regelventils 28 mit der Stelldruckmittelsenke R und der zweite Arbeitsanschluss B des Regelventils 28 mit der Stelldruckmittelquelle pst verbunden. Die Radialbohrung 64 (vgl. 1 und 3 bis 5) des Hilfszylindergehäuses 42 ist über die Grundstellung 34b des Wegeschaltventils 34 (vgl. 1) mit der Stelldruckmittelquelle pst verbunden. Entsprechend ist gemäß 5 der Hilfskolben 20 voll ausgefahren und steht an seiner ersten Hubbegrenzung 26 an, und der Stellkolben 8 ist in 5 nach links, hin zum Hilfskolben 20, betätigt. Da die erste Hilfskolbenfläche 24 größer ist als die ihr entgegenwirkende, zweite Stellkolbenfläche 14 und weil beide Flächen 14, 24 mit dem gleichen Stelldruck pst beaufschlagt sind, ist sichergestellt, dass der Stellkolben 20 auf Anschlag mit der ersten Hubbegrenzung 26 bleibt, während der Stellkolben 8 gegen den vom Stellkolben 20 ausgebildeten Mittenanschlag 18' gespannt wird.
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Anhand der in 5 gezeigten Mitten- oder Null-Stellung des Stellkolbens 8 wird veranschaulicht, dass mittels der Stellschraube 60 der Einstelleinrichtung 25 die Mitten- oder Null-Stellung des Stellkolbens 8 justierbar ist, wobei die Stellschraube 60 so lange verstellt wird, bis beobachtet oder gemessen werden kann, dass der Druckmittelvolumenstrom null ist. Dann wird die Stellschraube 60 gekontert und die Mitten- oder Null-Stellung des Stellkolbens 8 ist eingestellt und kann, insbesondere im Fehlerfall, wiederholgenau und verlässlich reproduziert werden.
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6 zeigt in stark schematischer, vereinfachter Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel einer Axialkolbenmaschine 101 mit dem bereits bekannten Stellzylinder 10 und Stellkolben 8, jedoch mit einem abweichend ausgeführten und gesteuerten Hilfszylinder 122 und Hilfskolben 120. Abweichend vom ersten Ausführungsbeispiel gemäß den 1 bis 5, ist der Hilfszylinder 122 in seiner Position nicht einstellbar und der Hilfskolben 120 ist nicht in einer axialverschieblichen Hilfszylinderhülse, sondern direkt in der im Hilfszylindergehäuse 142 ausgebildeten Hilfszylinderbohrung 152 aufgenommen. Die erste Hubbegrenzung 126 ist somit nicht einstellbar, sondern fest und hängt allein von Fertigungsmaßen ab. Damit hängt auch der bei ausgefahrenem Hilfskolben 120 von dessen Stirnfläche 118 ausgebildete Mittenanschlag 118' allein von den Fertigungsmaßen ab und kann nicht verändert werden. Weiterhin abweichend vom ersten Ausführungsbeispiel begrenzen sowohl die erste Stellkolbenfläche 12 als auch die zweite Hilfskolbenfläche 166 jeweils einen separaten Druckraum 48, beziehungsweise 148 und sind somit unabhängig voneinander mit Druckmittel beaufschlagbar und druckentlastbar. Für ihre unabhängig steuerbare Druckmittelversorgung ist das bereits beschriebene Schaltventil 34 und zudem das ergänzende Schaltventil 134 vorgesehen.
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Bezugszeichenliste:
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- 1; 101
- Axialkolbenmaschine
- 2
- Triebwelle
- 4
- Triebwerk
- 6
- Schrägscheibe
- 8
- Stellkolben
- 10
- Stellzylinder
- 11
- Wegerfassungseinheit
- 12
- erste Stellkolbenfläche
- 14
- zweite Stellkolbenfläche
- 16
- erster Endanschlag
- 18; 118
- Stirnfläche
- 18'; 118'
- Mittenanschlag
- 20; 120
- Hilfskolben
- 22; 122
- Hilfszylinder
- 24; 124
- erste Hilfskolbenfläche
- 25
- Einstelleinrichtung
- 26; 126
- erste Hubbegrenzung
- 28
- Regelventil
- 28a
- Endstellung
- 28b
- Regelstellung
- 28c
- Grundstellung
- 30
- Steuereinheit
- 32
- Feder
- 33
- Feder
- 34; 134
- Wegeschaltventil
- 34a; 134a
- Schaltstellung
- 34b; 134b
- Grundstellung
- 36
- Gehäuseabschnitt
- 38
- Zylinder-Längsachse
- 40
- Drehachse
- 42
- Hilfszylindergehäuse
- 44
- Stellzylinderbohrung
- 46
- Endkappe
- 48
- erster Stellzylinderraum
- 148
- zweiter Hilfszylinderraum
- 50
- erster Stellzylinderraum
- 52; 152
- Hilfszylinderbohrung
- 54
- Hilfszylinderhülse
- 56
- Kolbenstange
- 58; 158
- Hilfszylinderdeckel
- 60
- Stellschraube
- 62
- Radialbohrung
- 64
- Radialbohrung
- 66; 166
- zweite Hilfskolbenfläche
- 68
- Durchgangsausnehmung
- 70
- Nut
- 72
- Radialbund
- 74
- zweiter Endanschlag
- A, B
- Arbeitsanschluss
- P
- Stelldruckmittelanschluss
- T
- Tank, Tankanschluss
- R
- Stelldruckmittelsenke
- Pst
- Stelldruckmittelquelle
- Ssoll
- Sollwert
- Sist
- Istwert
- Ir
- Steuersignal Regelventil
- Is
- Steuersignal Wegeschaltventil
