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AxIAILKOL3EN- STRÖMUNGSMACHINE
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Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Druckflussigkeit santriebe
(Olhydraulik), insbesondere auf Axialkolben-Strömungsmaschinen.
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Solche Strömungsmaschinen werden weitgehend in Plugzeugen, Fördergeräten,
Hebezeugen und Strassenbaumaschinen verwendet, es ist auch die Anwendung solcher
Strömungsmaschinen für Hochseeschiffe und Flussfahrzeuge, Hütten-Walzstrassen, Werkzeug
maschinen, Pressen, Fertigungsstrassen und automatische Einrichtungen bekannt.
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Die Erfindung kann sehr erfolgreich bei Axialkolbenpumpen und Hydromotoren
für Erdbau-Fördermaschinen, insbesondere für Bagger und Schlepper mit uruckflusslgkeitsgetriebe
(Druckflüssigkeits-Transmission) benutzt werden. Die Verwendungs praxis von Axialkolben-Strömungsmaschinen
zeigt, dass ihre Hauptkenngrössen-Flüssigkeitsdruckwert, Wellendrehzahl und Lebensdauer
- meistens von der Bauart und den Festigkeitseigenschaften des Zylinderblocka und
der Gestalt der Arbeitskammern
abhängig sind.
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In den meisten Fällen, wenn der Reibverschleiss der gleitenden Reibungspaare
durch entsprechende Filtration der Arbeitsflüssigkeit beseitigt ist und wenn die
Lager mit erforderlicher Reserve gewählt sind,kann es zu einem Bruch des Zylinderblocks
kommen.
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Die Sicherung einer entsprechenden Festigkeit des Blocks ist daher
eine wichtig.e Aufgabe bei der Entwicklung von Strömungsmaschinen für hohe Drücke.
Je grösser die Wellendrehzahl und höher der Druckwert sind, desto höher ist die
spezifische Leistung der Strömungsmaschine. Die Anwendung von Hydraulikantrieben
(Druckölantrieben) für Pumpen und hydromotoren mit erhöhter spezifischer Leistung
ergibt einen erheblichen wirtschaftlichen Nutzen bezu gleich der Herstellungs-Selbstkosten
sowie der Betriebekosten, falls mit dem Anstieg der spezifischen Leistung die Lebensdauer
der Stromungsmaschine nicht verkürzt wird. Somit ist die Entwicklung einer neuen
Konstruktion des Zylinderblocks, die fur hohe Kenngrössen und eine lange Lebensdauer
berechnet ist, eine aktuelle Aufgabe für alle Hersteller von Axialkolben-Strömungsmaschinen.
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Die GB-Patentschrift 1235696 betrifft Axialkolben--Strömungsmaschinen,
bei denen der Zylinderblock aus Einzelzylindern besteht, die in zwei Schreiben befestigt
sind, ton denen die eine am Stirnverteiler anliegt, während die andere gleichzeitig
mit der ersten die Verbindung der Zylinder zu einer steifai 3augruppe gewährleistet.
Die Scheiben sind voneinander in einem Abstand entfernt, der gleich der Zylinderlänge
ist, und durch Zuganker mit eitander verbunden.
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Bei einer solchen Bauart ist zwar eine Festigkeitserhöhung der Arbeitskammern
erreicht, jedoch ist der Schnitt Jeder Kammer nicht gleichfest, die Arbeitskammergestalt
ist so angenommen, dass Spannungsanhäufungen nicht beseitigt sind, deshalb kann
die Eriznldungsfestigkeit des Zylinderblocks nicht erhöht werden. In Hinsicht auf
die Bauart und Technologie ist diese Konstruktion komplizierter als ein einheitlicher
Zylinderblock und findet aus diesem Gründe keine Anwendung in der Praxis.
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Die bekannten Bauarten von Axialkolben-Strömungsmaschinen haben einen
Zylinderblock, in dessen Axialbohrungen die Kolben eine Hih- und Her bewegung vollziehen.
Die Kolben begrenzen die Arbeitskammern. Ein Teil der Arbeitskammern steht über
Kanäle mit dem Hochdruckraum und der andere Teil über Kanäle mit dem Niederdruckraum
in Verbindung, während uberqueren einer Blockumdrehung # alle Kolben abwechselnd
zwei Totpunkte. Beim Durchkreuzen der Totpunkte erfolgt in jeder der Arbeitskammern
nacheinander eine momentane Anderung des Flüssigkeitsdruckes. Je höher der Druckwert
und grösser die Wellendrehzahl ist, desto grösser ist die Amplitude und Häufigkeit
der Druckschwankungen in den Arbeitskammern. In allen Fällen führt die Differenz
zwischen dem Druckwert in der Arbeitskammer d.h. im Inneren der Axialbohrung, und
dem Druck ausserhalb des Zylinder blocks sowie dem Druckwert in der benachbarten
Arbeitekammer, deren Kolben eine zu dem torhergehelLden' Kolben gegenphasige Stellung
einnimmt, zu einer Verformung der Blockwinde.
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Der Nachteil der bekannten Bauarten von Axialkolben-Strömungsmaschinen
besteht darin, dass die Konstruktion des Zylinderblocke den Einfluss der Arbeitskammerform
und der Aussengestaltung des Blocks auf seine statische- und ErmEaungsfestigkeit
nicht berücksichtigt. Bei diesen Konstruktionen ist die Gleichfestigkeit der Blockquerschnitte
in der Zone der Arbeitskammern, die durch die Stirnfläche des im Totpunkt stehenden
Kolbens begrenzt sind, nicht gewährleistet. Die Arbeitskammer, die über einen entsprechenden
Kanal mit dem Hochdruck- bzw.
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Niederdruckraum in Verbindung steht, hat verschiedene Querschnitte
zum Durchströnen der Flüssigkeit. Die schroffen Queruncl schnittsübergänge v Bohrungen
bilden Spannungsanhäufungen und vermindern die ErmEdungsfestigkeit des Zylinderblocks.
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Es ist bereits eine Axialkolben-Strömungsmaschine (DE--Patentschrift
Nr. 386835 Klasse 47 h. 17) mit einem sphärisebs en Stirnverteiler und einem mittels
Pleuel rotierenden Zylinderblock bekannt, wobei die Seitenflächen der Pleuel die
Innenflächen der Kolben berühren und dadurch das Drehmoment von der WeLle auf den
sylinderblock übertragen können.
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Die Welle sitzt in Radial- bzw. Drucklagern. Auf dem Wellenflansch
sind Kugelköpfe der Pleuel befestigt, deren andere Enden mit den Kolben gelenkig
verbunden sind. Da die Achse des Zylinderblocks, in dessen axialen Bohrungen die
Kolben sitzen, geneigt zur Wellenachse ist, vollziehen die letzteren beim Rotieren
der Welle und des Zylinderblocks eine Hin- und Herbewegung. in bezug auf den Zylinderblock.
In Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung der Kolben in den Zylinderblockbohrungen
strömt die Flüssigkeit in die Arbeitskammern ein oder läuft
aus
den letzteren. Die Arbeitskammern, deren Kolben in eine und dieselbe Richtung laufen,
sind durch einen Kanal mit dem Hochdruck- oder dem Wiederdruckraum verbunden. Wahrend
der Rotation des Zylinder blocks wird pro Umdrehung in jeder der Arbeitskammern
der Flüssigkeitsdruck zweimal geändert.
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Der volumetrische Wirkungsgrad der Strömungsmaschine wird durch Leckströmungen
und Uberströmungen der Flüssigkeit aus den Arbeitskommern bestimmt.
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Unter ZLeckströmungen" verstehen wir dieJenige Flüssigkeit, die aus
der DruckkRmmer abiliesst und in den Hohlraum des Pumpengehäuses gelangt.
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Unter "2berströmungen" verstehen wir diejenige Flüssigkeit, die aus
der Druckkammer abfliesst und über den Verteiler in die Arbeitskammer der anderen
Phase (Abfluss - oder Saugkammer) gelangt.
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Die Leckströmungen aus den Arbeitskammern gelangen in das Gehäuse
der Strömungsmaschine und werden von hier- dem Behälter zugeführt; der Flüssigkeitsdruck
im Gehäuse und ausgewöhnlich serhalb des Zylinderblocks übersteigt den Luftdruck
ç unr einen geringen Wert.
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Beim Rotieren der Antriebswelle in Wälzlagern vollziehen die gelenkig
mit der Welle verbundenen Pleuel mit den Kolben gemeinsam eine Rotationabesegung
in bezug auf das feststehende Gehäuse der Strömungsmaschine und eine Hin- und Herbewegung
in bezug auf des Zylinderblocks. Die sphärische Stirnfläche des Zylinderblocks gleitet
auf der sphärischen Oberfläche des Verteilers. Die Hochdruck- bzw. Niederdruckkanale
des Verteilers sind mit den Zuführungsleitungen verbunden, durch
welche
die Blüssigkeit an die Strömungsmaschine zugeführtoder von der letzteren abgeleitet
wird.
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Somit ändert sich der Druck in den Arbeitskammern. intermittierend
vom Förderdruckwert bis zum Saugdruck- oder Abflussdruckwert mit einer der Zylinderblock-Umlaufgeschwindigkeit
und der Strömungsmaschinen-Kolbenzahl proportionalen Häufig keit. Dadurch treten
in den Zylinderblockwänden, die die Arbeitskammern begrenzen, Wechselspannungen
auf, welche Ermüdungsbrüche der Blockwände verursachen. Die Wirkung der Eriiflidungsbrüche
wird durch verschiedene Spannungsanhäufungen vergrössert, und zwar durch die grosse
Differenz der Blockquerschnitte im Bereich der Arbeitskammern, durch das Fehlen
von Hohlkehlen in den Arbeitskaimnern und Kanälen, die die Arbeitskammern mit den
Kanälen des Verteilers verbinden.
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In Zusammenhang damit erfolgen relativ schnelle Ermüdungsbrüche des
Zylinderblocks im Bereich der Arbeitskammern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Axialkolben-Stro"mungsmaschine
zu schaffen, bei der die Arbeitskamr mern so ausgeführt sind, dass der Zylinderblock
hohe Föder-und druckwertev eine grössere Umlauffrequenz aushält und eine erforderliche
Lebensdauer der Konstruktion gewährleistet0 Die gestellte Aufgabe wurde dadurch
gelöst, dass an der Axialkolben-Strömungsmaschine in deren rotierendem Zylinderblock
hin- und herbewegbare Kolben untergebracht sind, welche die Arbeitskammern begrenzen,
von denen die einen durch einen Kanal mit dem Hochdruckraum und die anderen durch
einen Kanal mit dem Niederdruckraum in Verbindung stehen, erfindungsgernäss
die
Fläche einer Jeden Arbeitskammer bei ihrem kleinsten Rauminhalt sphärisch ausgeführt
und gleichmässig mit dem Kanal verbunden ist.
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Die auf diese Weise ausgeführte Strömungsmaschine ist durch eine
verlängerte Lebensdauer gekennzeichnet, die infolge der Festigkeitserhöhung des
Zylinderblocks erreicht wird, das die Form der Arbeitskammer und die Au ß>ngestaltung
des Zylinderblocks im Arbeitskammerbereich unter Einhaltung einer ungefähren Gleichfestgkeit
der Blockwände in allen Richtungen sowie unter Berücksichtigung einer Beseitigung
von Spannungs anhäufungen ausgeführt sind, die die Ermudungsfestigkeit vermindern.
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Bei einer solchen Gestalt der Arbeitskammer werden im Augenblick
der scharfen Änderung des Flüssigkeitsdruckes in derselben die Verformung und Spannungen
in den Arbeitskammerwänden gleichmässig verteilte Im Augenblick der Flüssigkeitskompression
in der Arbeitskammer entsteht in der letzteren eine Stosswelle, die eine Geräuschursache
darstellt. Der Lärmpegel ist von der Lage bes Stosswellenbrennpunktes in bezug auf
die Arbeitskammerwände abhängig. Der Stosswellenbrennpunkt fällt ungefähr mit dem
Kreuzpunkt der Symmetrieachsen der sphartschen Arbeitakammerfläche zusammen. Infolge
einer derartigen Gestalt der Arbeitskammer werden die statische sowie die Ermüdungsfestigkeit
des Zylinderblocks wesentlich erhöht und der Lärmpegel vermindert.
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Es ist zweckmässig, dass die Aussenfläche des Zylinderblock£ im Bereich
der Arbeitskammern mit sphärischer Fläche konzentrisch zu der erwähnten Kammerfläche
liegt.
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Zum Unterschied von bekannten Bauarten, bei denen der in Diametralrichtung
ausgedehnte Blockstirnteil eine Erhöhung der Verteilungsstützfläche sichert und
mit der Arbeitskammerforzn keinerlei Bezug hat, gewährleistet die erfindungsgemä
sse Bauart durch die beschriebene Konstruktion eine Gleichfestigkeit der Blockwände.
Ausserdem vergrössert eine solche Blockgestalt die Steifigkeit und verringert die
Verformung der Blockwände um die Arbeitskammer. Dies ist besonders für die Verminderung
der Durchbiegung im Kammerbodenteil in Richtung der Verteilungsstirn wichtig, deren
Fläche mit hoher Genauigkeit ausgeführt wird und deren Unebenheiten kleiner als
die Dicke des Flüssigkeitsfilmes sein muss, der einige Mikron oder einige Dutzend
Mikron beträgt.
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Es wird empfohlen, auf der Au ß enfläche des Zylinderblocks im Bereich
der Arbeitskammern mit spharischer Fläche ein Verfestigungs-Deckband vorzusehen,
dessen Aussenfläche konzentrisch zu der erwähnten Kammerfläche ist.
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Das Deckband ermöglicht es, neben einer Verfestigung des erwähnten
Blockteils die weitgehend angewandten und bekannen zylinderförmigen Konstruktionen
für die neue Blockbauart zu benutzen. Durch änderung der Spannung und des Werkstoffes
des Deckbandes wird eine höhere Festigkeit des zusammengesetzten Zylinderblocks
erreicht, als bei einem einheitlichen Block aus gleichartigem Werkstoff. In vielen
Fällen hat eine solche Lösung auch Vorzüge in technoLogischer Hinsicht.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand eines AusfUhrungsbei~ spiels
und der beigelegten Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigt Fig. 1 Längsschnitt der erfindungsgemässen Axialkolben-Ströimmgsmaschine;
Pig. L Längs schnitt des Zylinderblocks; Fig. 3 Querschnitt des Zylinderblocks;
Fig. 4 teilweiser Längsschnitt des Zylinderblocks mit Deckband iln bereich der Arbeitskammern
mit sphär Fläche.
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Es geht um eine Axialkolben-Strömungsmaschine, in deren Gehäuse 1
(Fig.L) eine welle 2 angeordnet ist, die in einem Tragstützlager 3 und einem Radiallager
4 montiert ist. Letzteres stützt sich mit seiner Stirnfläche gegen den Deckel 5
ab, in dessen Ausdrehung die Kanschettendichtung 6 untergebracht ist. Die Dichtung
6 gewährleistet eine Hermetisierung des Innenhohlraumes der Strömungsmaschine auf
der zylinderförmigen Aussenfläche einer mit der Welle rotierenden Buchse 7, Die
Buchse 7 sitzt dicht auf der Welle 2. Das andere Ende der Welle 2 ist als Flansch
mit halbsphärischen Ausbohrungen an der Stirnfläche ausgeführt, die dem Zylinderblock
8 zugewandet ist. In diesen Ausbohrungen werden Köpfe 9 der Pleuel 10 befestigt,
die gelenkig mit den Kolben 1 verbunden sind, welche hin- und herbeweglich in den
Axialbohrungen 12 des rotierenden Zylinders blocks 8 angeordnet sind. Die Kolben
11 begrenzen die Arbeitskammern 13, von denen die einen durch den Kanal 14 mit dem
Hochdruckraum und die anderen durch den Kanal 14a mit dem Niederdruckraum in Verbindung
stehen. In der zentralen halbsphärischen Aus bohrung im Flansch der Welle 2 ist
mit den Pleuel ein 10 gemeinsam ein Zapfen 15 befestigt, der als Tragstütze
des
Blocks 8 dient. Zur Befestigung der Pleuel 10 und des Zapfens 15 an dem Flansch
der Welle 2 dient eine Platte 16.
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Diese Platte 16 presst mittels (in der Zeichnung nicht angedeuteten)
Schrauben die Köpfe 9 der Pleuel 10 an die Welle an und verhindert das Herausreissen
der Pleuel 10 aus den halbsphärischen Aus bohrungen beim Auftreten von Belastungen,
die gegen die Kolben 11 gerichtet sind. Der zentrale Zapfen 15 rotiert dank dem
Stift 17 synchron mit dem Zylinderblock 8.
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Die Fläche 18 (Fig. 2) jeder Arbeitskammer 13 bei kleinstem Rauminhalt
der letzteren, d.h. derjenige Teil der Arbeitskaniitier 13, der bei der Stellung
des Kolbens 11 im Totpunkt das sogenannte eingeklemmte Flüssigkeitsvolumen begrenzt,
ist sphärisch ausgefhhrt, wobei die Kammer gleichmässig mit dem Kanal 14 oder 14a
verbunden ist, die mit den Öffnungen 19 bzw. 19a des Verteilers 20 in Verbindung
stehen.
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Die sphärische Stirnfläche des Verteilers 20 bildet mit der zugeordneten
sphärischen Fläche des Zylinderblocks 8ein Gleitpaar. Der Verteiler 20 übt gleichzeitig
mit der Flüssigkeitsverteilung auch die Aufgabe einer zweiten Tragstütee des Blocks
8 aus. Der Zapfen 15 stützt sich mit dem Kugelkopf gegen die halbsphärische Aus
bohrung im Flansch der Welle 2 und mit dem gegttberliegenden Ende gegen das Gleitlager
ab, das eine Büchse 21 darstellt, die in die Zentralausbohrung des Verteilers 20
eingepresst ist. Die Welle 2 mit den Lagern 3 und 4, der Zylinderblock 8 mit den
Kolben 11 und Pleueln 10 sind im Gehäuse 1 montiert0 In der Aufbohrung des Gehäuses
1 ist ein Anschlagring 22 angeordnet, der die Axialbelastung von den Lagern 3 und
4 auf
das Gehäuse 1 überträgt.
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Der Verteiler 20 stützt sich mit der ebenen Fläche gegen den Hinterdeckel
23 ab, der mittels Schrauben 24 am Gehäuse 1 befestigt wird.
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Sm Deckel 25 sind Kanäle 25:vorgesehen, welche mit einer Stutzenöffnung
26 in Verbindung stehen, an die eine (in der Zeichnung nicht angedeutete) Rohrleitung
angeschlossen ist.
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Die Aussenfläche 27 des Zylinderblocks 8 im Bereich der ArbeitskAmmern
13 mit Sphärischer Fläche 18 ist konzentrisch, zu der erwähnten Fläche 18, was aus
Fig. 3 ersichtlich ist.
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Dadurch wird eine Gleichfestigkeit der Wande des Zylinderblocks 8
erreicht. Eine solche Gestalt des Block 8 erhöht die Steifigkeit und vermindert
die Verformung der Wande des Blocks 8 um die Arbeitskammern 13.
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äan kann auf der Aussenfläche des Zylinderblocks 8 (Fig.4) im Bereich
der Arbeitskammern 13 mit sphärischer Fläche 18 ein Verfestigunge-Deckband 28 vorsehen,
dessen Aussenfläche zu der erwähnten Fläche 18 konzentrisch verläuft. Dadurch ist
es ermöglicht, gleichzeitig mit einer Verfestigung des Zylinderblocks 8 weitgehend
anwendbare und bekannte zylinderförmige Konstruktionen zu benutzen.
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Der Betrieb der Axialkolben- Strömungsmaschine verläuft in folgender
Weise. Beim Rotieren der Welle 2 vollziehen die Pleuel 10 gemeinsam mit ihr eine
Drehbevegung um die Achse, die zur Welle 2 um einen bestimmten Winkel geneigt ist.
Die mit den Pleueln 10 gelenkig verbundenen Kolben 11 rotieren mit dem Zylinderblock
8 gemeinsam und vollziehen in bezug auf den
Block 8 eine Hin- und
Herbewegung in den Axialbohrungen 12.
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Für eine Umdrehung des Blocks 8 vollzieht jeder Kolben einen Arbeitshub
und einen Leergang, indem er zwei Totpunkte durchläuft. Steht die Strömungsmaschine
als Pumpe im Betrieb, laufen die Kolben 11 beim Arbeitshub in den Bohrungen 12 in
Richtung zum Verteiler 20 und drücken die Flüssigkeit aus den Arbeitskamr mern 13
durch die Kanäle 14 des Zylinderblocks in den Druckraum der Verteiler 20.
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Aus dem Hohlraum des Verteilers 20 gelangt die Flüssigkeit in die
Kanäle 25 des Hinterdeckels 23 und in die Stutzenöffnung 26, die mit einer Rohrleitung
verbunden ist. Gleichzeitig saugen dieJenigen Kolben 11, die den Leergang ausführen
indem sie sich in bezug auf den Block 8 in Richtung vom Verteiler bewegen, die Flüssigkeit
ein. Für jeden Kolben 11 verläuft die Saugphase wie auch die Drückphase während
einer halben Umdrehung des Blocks 8. Die sphärische Gestalt eines Teiles der Arbeitskammer
13 gewährleistet eine erhöhte Festigkeit des Blocks 8 im Bereich der abgesperrten
Flüssigkeitsmenge.
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Da der Flüssigkeitsdruckwechsel in einer Jeden der Arbeitskamw mern
13 mit einer Häufigkeit verläuft, die der Drehzahl des Blocks 8 und der Anzahl der
Kolben 11 proportional ist, ist zur Sicherung einer langen Lebensdauer eine hohe
Ermtidungsfestigkeit des Zylinderblocks zu gewährleisten. Die sphärische Gestalt
eines Teiles der Kammer 13 verringert die Spannungsanhäufung, verbessert die hydraulischen
Kenndaten der Förderstrekke und vermindert gleichzeitig den Luftlärmpegel. Die letztere
Eigenschaft ist von besonderen Wichtigkeit für Strömungsmaschinen, die in der Nähe
des Maschinenführer- oder Steuermann-Arbeitsplatzes montiert sind, und in anderen
Fällen, wenn
an die Akustik-Kenndaten des Flüssigkeitsantriebs
erhöhte Anforderungen gestellt werden. Die Flüssigkeits-Leckströmungen aus den Arbeitskammern
13, die durch die Spiele in den gleitenden Reibungspaaren längs der Kolben 11 und
des Verteilers 20 fliessen, gelangen in das Innere des Gehäuses 1 und von hier wird
der Drainagestrom durch die Öffnung über die Rohrleitung dem (in der Zeichnung nicht
angegebenen) Behälter zugeführt.
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Steht die Strömungsmaschine als Hydromotor im Betrieb, so wird die
Flüssigkeit unter Druck durch die Stutzenöffnung 26 im Hinterdeckel 23 und die Kanäle
25 des Verteilers 20 den Arbeitskammern 13 zugeführt. Die Kolben 11 werden unter
dem Flüssigkeitsdruck aus den Axialbohrungen 12 des Blocks 8 herausgeschoben, und
beim Arbeitshub wird die Fortschrittsbewegung der Kolben 11 in die Drehbewegung
der Welle 2 umgewandelt.