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Anordnung zur Steuerung und Abdichtung in fluiddurchströmten Axialkolbenaggregaten1,
Die Erfindung betrifft Anordnungen zur Steuerung des Fluidstromes und zur Abdichtung
der fluiddurchströmten Teile in Axialkolbenaggregaten, wie insbesondere Axialkolben-Pumpen,
Kompressoren, Motoren, Getrieben usw. Axialkolbenaggregate haben sich seit Jahrzehnten
in Pneumatik und Hydrostatik ausgezeichnet bewährt. Doch war die Herstellung der
Rotoren derselben bisher kompliziert und aufwendig. Auch die Steuerung war bisher
schwierig und der Anstellwinkel des Rotors zur Triebflanschachse war in Hochdruckausführungen
nur bis zu etwa 25 bis 30 Grad realisierbar. Dadurch war den bisherigen Axialkolbenaggregaten
eine Leistungsgrenze gesetzt und ein Mindestaufwand nicht zu verringern.
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Die Erfindung setzt sich zur Aufgabe, diese Nachteile oder Leistungsgrenzen
bisheriger Axialkolbenaggregate zu verbessern oder zu erhöhen und ein billiges,
leistungsfähiges, betriebssicheres Axialkolbenaggregat von hohem Wirkungsgrad zu
schaffen.
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Die Erfindung besteht deshalb einerseits darin, einen Kupplungskörper
in einem Gehäuse- oder Deckelteil des Aggregates in begrenztem Umfange axial beweglich
zu lagern, ihn einfach und zweckdienlich auszubilden und ihn mittels an seinen rückwärtigen
Schultern angeordneter Fluiddruckkammern gegen das Rotoraggregat der Axialkolbenmaschine
zu drücken. Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal wird der genannte Kupplungskörper
einem Axial-Zylinder-Rotor mit durchgehenden Zylindern gleichen Durchmessers auf
der ganzen Zylinderlänge zugeordnet.
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Ein weiteres Erfindungsmerkmal besteht darin, die genannten Fluiddruckkammern
an den Schultern des Kupplungskörpers so zu bemessen und zu platzieren, daß der
Abdichtsteg zwischen dem Rotoraggregat und dem Steuerteil am Kupplungskörper oder
dem Steuerteil des Kupplungskörpers nur ganz geringer radialer Ausdehnung bedarf
und dadurch die Reibflächen zwischen Rotor und Stator verkleinert werden, was eine
Verringerung der Reibung und folglich eine Erhöhung des Wirkungsgrades des Aggregates
zur Folge hat.
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Ein Vorteil der Erfindung ist, daß es bei zweckdienlicher Ausbildung
des Aggregates möglich wird, den Anstellwinkel des Rotors zum Antriebs schaft uon
den bisher üblichen 25 bis 28 Grad auf höhere Anstellwinkel, z.B. bis zu 45 Grad
zu erhöhen und damit den Kolbenhub und die Leistung des Aggregates ganz beträchtlich
zu steigern, u.U. um fast hundert Prozent.
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Das weitere Erfindungsmerkmal, der Anordnung von tangentialen oder
in Schubkolbenrichtung platzierter Fluiddruckfelder in den Kolbenwänden mit automatischer
Steuerung der Beaufschlagung derselben mittels Bohrungen im Kolben und mittels Verbindungsausnehmungen
in den Kolbenpleueln, dient ebenfalls der rationellen Verwirklichung eines größeren
Anstellwinkels des Axialkolb enaggregate s bei gleichzeitiger Verringerung der Reibung
zwischen Kolben und Zylindern des Aggregates.
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Die geringen Anstellwinkel und Leistungen der bisherigen Axialkammernaggregate,
deren ausgedehnte Traglager und Dichtflächen zwischen Stator und Rotor, sowie deren
Reibung zwischen Kolben und Zylindern, sowie deren Bauaufwand und Präzisionsbedarf
wurden erfindungsgemäß durch bessere Verhältnisse ersetzt.
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Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch ein erfindungsgemäß ausgebildetes
Beispiel eines Axialkammernaggregates, Fig. 2 ist ein Querschnitt durch Fig. 1 entlang
der Schnittlinie II-II, und Fig. 3 ist ein Querschnitt durch einen Teil des Aggregates
in Fig. 1 entlang der Schnittlinie III-III.
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Im Gehäuse 11 ist in bekannter Weise der Rotor 12 umlauffähig untergebracht
und beispielsweise in den Lagern 15 umlauffähig und gegen axiale Verschiebung gesichert,
gelagert. In ihm befinden sich die Zylinder 13, in denen die Kolben 14 axial auswärts
und einwärts gleiten, um Fluid, wie Flüssigkeit oder Gas in die Zylinder einzulassen,
oder aus ihnen auszustoßen. Die Kolben 14 sind in bekannter Weise mittels der zwischen
Kolben 14 unct Triebflansch 19 angeordneten, diese verbindenden Pleuel oder Kolbenstangen
18 vom Triebflansch 19 aus durch dessen Schrägstellung zum Rotor 12 zu ihrer Axialbewegung
angetrieben, oder die Kolben treiben den Triebflansch 19, wenn das Aggregat als
Motor arbeitet. Der Triebflansch ist mittels der Lager 21, 22 und ggf. dem Halter
23 ebenfalls im Aggregatgehäuse 11 umlauffähig gelagert. Zwischen Rotor 12 und Triebflansch
19 kann das Getriebe 16 und 17 zwecks Synchronisierung des Rotorumlaufs und des
Triebflanschumlaufs in ebenfalls bekannter Weise angeordnet sein. Im Gehäuse 11
oder an demselben kann der Deckel 24 mit den Zuleitungs- und Ableitungs-Anschlüssen
25 und 26 angebracht sein, wie ebenfalls an sich bekannt ist.
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Erfindungsgemäß ist im Gehäuseteil oder Heckdeckel 24 eine Ausnehmung
vorgesehen, die mindestens zwei verschiedene Durchmesser an verschiedenen Stellen
hat und in der der erfindungsgemäße Kupplungskörper 6 axial in begrenztem U:-nfange
beweglich angeordnet ist. Der eine Teil der genannten Ausnehmung hat eine zylindrische
Außenfläche, die zu der zylindrischen Außenfläche des anderen Teiles der Ausnehmung
exzentrisch versetzt ist. Der Kupplungskörper 1 seinerseits ist mit mindestens zwei
zylindrischen Außenflächen verschiedenen Durchmessers versehen, die in gleicher
Exzentrizität zueinander versetzt sind und die in die genannten beiden zylindrischen
Innenflächen der Ausnehmung im Teil 24 eingepaßt sind.
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Die erfindungsgemäße Ausbildung der genannten Ausnehmungen im Deckel-
oder Gehäuseteil 24 und des genannten erfindungsgemäßen Kupplungskörpers 1 wird
am besten verständlich, wenn man die Fig. 2 zusammen mit dem entsprechenden Teil
in der Fig. 1 betrachtet. Aus Fig. 2 ist R ersichtlich, daß die Innenfläche 9 der
einen Ausnehmung, die gleich der Außenfläche 9 des betreffenden Teiles des Kupplungskörpers
1 ist, exzentrisch zu dem Zentrum und dem Außendurchmesser des Gehäuses 11 oder
des Deckelteiles 24 angeordnet ist. Die Exzentrizität zwischen der Achse des Kupplungskörpers
1, die gleich der Achse des Gehäuses oder Deckels 11 oder 24 sein kann und der Achse
des betreffenden Kupplungskörperteiles mit der Außenfläche 9 ist mit "e" kekennzeichnet,
um diese wichtige Erfindungsvoraussetzung deutlich zu kennzeichnen. Aus der Fig.
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sieht man, daß die zylindrischen Flächen 9 und 8 axial hintereinander
angeordnet sind. Sie können durch Trennausnehmungen deutlich voneinander getrennt
sein. Aus Fig. 2 ist durch die strichlierte Darstellung der zylindrischen Flächen
8 deutlich sichtbar, daß die zylindrischen Flächen 9 zu den zylindrischen Flächen
8 exzentrisch versetzt sind. Die jeweiligen zylindrischen Innenflächen 8, 9 und
10 im Gehäuse 11 oder Deckel 24 und die zylindrischen Außenflächen 8, 9 und 10 am
Kupplungskörper 1 sind in den Figuren jeweils als nur eine Linie dargestellt, weil
die genannten zylindrischen Außenflächen des Kupplungskörpers 1- eng in die zylindrischen
Innenflächen im Teil 11 oder Deckel 24 eng eingepaßt sind, so daß nach Zusammenbau
des Aggregates keine zwei Flächen mit dem bloßen Auge mehr sichtbar sind. Die Einpassung
der genannten Außenflächen in die genannten Innenflächen ist jedoch mit so viel
Spiel ausgeführt, daß der Kupplungskörper 1 sich in dem Teile 11 oder 24 in axialer
Richtung in dem gegebenen Umfange leicht bewegen kann. Oft setzt man in die Außenflächen
des Kupplungskörpers 1 Dichtringe ein, die in der Zeichnung gekreuzt schraffiert
sind. Diese dienen der besseren Abdichtung zwischen den genannten Innenflächen und
Außenflächen. Schließlich ist in Fig. 1 und Fig. 2 noch dargestellt, daß eine weitere
zylindrische Innenfläche 10 im Deckel 24 oder einem separierten Einsatzstück 244
angeordnet sein kann, die eine entsprechende Außenfläche 10 am Kupplungskörper 1
umschließt. Der Zweck dieser Anordnung wird später erläutert.
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Die entsprechenden Teile des Kupplungskörpers 1 sind etwas kürzer
ausgeführt, als die entsprechenden Ausnehmungen im Deckel oder Gehäuse 24, 244 oder
11, damit axialwärts der betreffenden Kupplungskörperteile die fluidbeinhaltenden
Fluidkammern 3 und 2 oder 3, 2 und 4 erfindungsgemäß ausgebildet werden können.
In die Fluidkammer 3 mündet der Fluidleitungsanschluß 25 und die durch den Kupplungskörper
gehende Fluidleitung 6. In die Fluiddruckkammer 2 mündet der Leitungsanschluß 26
und die Fluidleitung 5. Diese Fluidleitungen sind oft auch als Kanäle bezeichnet.
Die Fluiddruckkammer 4, die im folgenden als Gegendruckkammer 4 bezeichnet wird,
ist, falls sie angeordnet ist, entweder mit der Fluiddruckkammer 2 oder mit der
Fluiddruckkammer 3 verbunden. Diese Verbindung kann mittels der Kanäle 31 oder 32
erfolgen, oder sie erfolgt durch entsprechende Kanäle 31 und 32 mit in diese eingebauten
Rückschlagventilen oder Umsteuerungen, denn es ist notwendig, daß die Gegendruckkammer
4, falls sie angeordnet ist, jeweils mit der betreffenden fluiddurchströmten Druckkammer
2 oder 3 des jeweils höheren Druckes verbunden ist.
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Der Rotor 12 ist in den Lagern 15 gegen axiale Verschiebung gesichert.
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Mit seiner Endfläche 7 oder einem am Kupplungskörper gelagerten Steuerkörper
liegt der Kupplungskörper 1 oder der ihm zugeordnete Steuerkörper an der betreffenden
rotierenden Endfläche des Rotors 12 an. Die Fläche 7 am M Rotor 12 und die Fläche
7 am Kupplungskörper
oder Steuerkörper 1,111 111 bilden in bekannter
Weise den Steuerspiegel des Aggregates. Da derartige Steuerspiegel an sich bekannt
sind, wird auf deren Beschreibung verzichtet und auf die einschlägige Literatur
verwiesen. Der genannte, eventuell dem Kupplungskörper zugeordnete Steuerkörper
111 ist in Fig. 1 strichliert gezeichnet.
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Wird auf den Steuerkörper 111 verzichtet, dann wird das betreffende
Ende des Kupplungskörpers als Steuerkörper ausgebildet. Die axialen Längen der genannten
Ausnehmungen und der Kupplungskörperteile sind so ausgebildet, daß der Kupplungskörper
1 sich in begrenztem Umfange axial zu dem Rotor 12 hin oder von ihm fort bewegen
kann.
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Das ist notwendig, damit zwischen der rotierenden Steuerfläche 7 und
der stationären Steuerfläche 7 jeweils der richtige Steuerspiegelabstand eingestellt
sein kann.
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Die Durchmesser der Teile des Kupplungskörpers mit den Außenflächen
9 und 8 und die Exzentrizität zwischen ihnen werden so bemessen, daß bei Umlaufrichtung
Umkehrbaren Aggregaten, die Radialschnitte durch die Fluiddruckkammern 2 und 3 gleich
groß sind und durch die Exzentrizität "e" zwischen ihnen gesichert ist, daß die
eine Fluiddruckkammer über etwa 180 Grad des Steuerspiegels ihren Hauptdruck ausübt
und die andere über etwa die anderen 180 Grad des Steuerspiegels ihren Hauptdruck
ausübt. Das rückwärtige Ende der Fluiddruckkammer 3 wird mittels des Zapfens mit
den zylindrischen Flächen 49 am Kupplungskörper und am Deckelteil 24 oder Gehause
11 begrenzt und abgedichtet. Wenn D der Durchmesser der zylindrischen
Flächen
49 ist und R der Radius der zylindrischen Flächen 9 ist, dann kann die Größengleichheit
der Querschnitte durch die genannten Kammern 2 und 3 mittels der Gleichung
ermittelt werden. Auch die Exzentrizität "e" läßt sich rechnerisch oder auch graphisch
bestimmen.
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Wenn Druckfluid durch die Kanäle und Kammern 3, 6, 25 fließt dann
drückt die Fluiddruckkammer 3 den Kupplungskörper 1 zwecks Abdichtung des Steuerspiegels
7 gegen den Rotor. Wenn Fluiddruck in der Kammer 2 herrscht, oder Fluiddruck durch
die Kanäle 2, 5, 26 strömt, dann drückt der Fluiddruck in der Kammer 2 den Kupplungskörper
1 zwecks Abdichtung des Steuerspiegels 7 gegen den Rotor 12.
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Erfindungsgemäß können die Abmessungen der Durchmesser 8, 9 oder 10
und 49 so reduziert werden, daß zwischen Rotor 12 und Kupplungskörper 1 oder Steuerkörper
111 keine ausgedehnten Traglager angebracht werden brauchen. Schmale Dichtstege
genügen im Steuerspiegel 7, da durch die Erfindung die Andrückkraft des Kupplungskörpers
1 gegen den Rotor 12 sehr genau dosiert werden kann.
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Durch die genaue Bemessungsmöglichkeit der Anpreßkraft des erfindungsgemäßen
Kupplungskörpers an den Rotor und die dadurch mögliche Verkleinerung der Dichtflächen
und/oder Lagerflächen im Steuerspiegel wird Reibung eingespart und dadurch der Wirku
ngsgrad der Maschine beträchtlich erhöht.
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Die genaue Anpassungsmöglichkeit der Durchmesserverhältnisse des erfindungsgemäßen
Kupplungskörpers und damit seiner Andrückkräfte an den Rotor ist es auch möglich
geworden, auf einfache Art und Weise den Rotor 12 mit durchgehend gleichen Zylindern
zu verstehen, denn der Kupplungskörper kann ja so bemessen werden, daß er gerade
der Fluidkraft aus den Zylindermündungen zweckdienlich entgegendrücken kann. Der
Rotor 12 kann dadurch kürzer ausgeführt werden und die Herstellung des Rotors 12
mit durchgehenden Zylinderbohrungen ist wesentlich einfacher als die Ausführung
mit nicht durchgehenden Zylindern. Der Rotor ist deshalb durch die erfindungsgemäße
Steuer- oder Kupplungskörper-Anordnung wesentlich einfacher und billiger geworden.
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Da erfindungsgemäß nicht mehr der Rotor gegen den Steuerkörper gedrückt
wird, sondern der Kupplungskörper in einfachster Weise gegen den Rotor, kann man
den Rotor fest lagern in den Lagern 15 und folglich dem Rotor einen großen Anstellwinkel
geben, ohne die Betriebssicherheit des Aggregates zu beeinträchtigen. Dadurch ist
ein sehr großer Kolbenhub und folglich eine große Leistung in dem erfindungsgemäßen
Aggregat möglich.
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Durch den großen Anstellwinkel des Rotors zur Triebflanschachse entstehen
Kraftkomponenten von den Kolbenpleueln 18 auf die Kolbenaußenwände und die Wände
der Zylinder 31, die größer sind als in Axialkolbenmaschinen mit geringeren Anstellwinkeln
und geringeren Leistungen. Um diese Kraftkomponenten auszugleichen, können in den
Wänden der Kolben 14 Druckfluidfelder (Ausnehmungen) 31 und 311 bis 315 angeordnet
werden, die in Richtung der Pleuelachse oder Schubkolbenachse liegen und in denen
eine Fluidkraft aufgebaut wird, die der Kraftkomponente der Pleuel 17 auf die Kolben
14 entgegenwirkt. Dadurch wird das radialkraftlose Schwimmen der Kolben 14 in den
Zylindern 17 ermöglicht, das die Reibung zwischen Kolbenwänden und Zylinderwänden
verringert. Zur Verwirklichung dessen ist eine einfache Steuerung der Beaufschlagung
dieser Druckfluidkammern vorgesehen.
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Wie aus Fig. 3 und Fig. 1 ersichtlich, ist radial von außen her mindestens
eine Ausnehmung, besser aber eine Anzahl von Ausnehmungen 31, 311, 312, 313, 314,
315 oder dergleichen in die Kolben 14 eingearbeitet. Durch den Kolben 14 erstreckt
sich die Bohrung 34.
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Im Pleuelkopf des Pleuels 18 ist innerhalb des Kolbens 14 eine übliche
Abflachung des sphärischen Pleuelkopfes eine Abflachung oder Ausnehmung vorgesehen,
wie in bekannten Axialkolbenaggregaten ebenfalls möglich. Dadurch bildet sich in
bekannter Weise ein kleiner Fluiddruckraum zwischen Pleuelkopf und Kolben aus, der
durch die
Bohrung 34 aus dem betreffenden Zylinder her mit Fluid
unter Druck gefüllt wird. Erfindungsgemäß erstreckt sich von jeder Fluiddruckausnehmung
31 oder 311 bis 315 her eine Bohrung oder ein Kanal 32, 321-325 bis zum Pleuelkopfsitz
im betreffenden Kolben 14 und mündet in diesen ein. Die radiale Distanz dieser Bohrungsmündungen
von der Kolbenachse und der Durchmesser der Pleuelkopfabmessung oder Ausnehmung
im Kolbenkopf werden so bemessen, daß bei stärkerer Anstellung (Erhöhung des Anstellwinkels)
des Pleuels zur Kolbenachse die Abflachung oder Ausnehmung am Pleuelkopf eine Verbindung
zwischen der Kolbenbohrung 34 und einer oder mehrerer der Kanäle 32,321,322, 323,
324,325 325 verstellt, während die Verbindung zu den anderen dieser Kanäle durch
den Pleuelkopf verschlossen bleibt.
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Erfindungsgemäß ist dadurch sichergestellt, dat3 gerade dasjenige
oder diejenigen Fluiddruckfelder 31 usw. im Kolben 14 mit Fluiddruck beaufschlagt
sind, die sich gerade etwa in der Verlängerung der Pleuelachse des oder der betreffenden
Pleuel 18 befinden. In Richtung der Pleuelachse drückt dann nicht mehr die Kolbenoberfläche
gegen die Zylinderwand, sondern das Fluidum in der betreffenden Fluiddruckkammer
31 oder 311 bis 315. In Wirklichkeit entsteht natürlich auch zwischen den Resten
der Oberfläche der betreffenden Kolben und den Zylinderwänden ein Fluidfilm, in
den der Druck mit einem gewissen Druckgefälle mit zunehmender Entfernung von der
Druckfluidkammer abnimmt. Die Verhältnisse in diesem Film müssen bei der Berechnung
der Größe und Lage der Druckfluidtaschen 31,311, 312,313,314 und 315 usw. mit berücksichtigt
werden. Auf diese erfindungsgemäße
Weise ist die Reibung zwischen
den Wänden der Kolben 14 und den Zylinderinnenwänden der Zylinder 13 wesentlich
vc ringert worden und wurde ein großer Anstellwinkel zwischen Kolbeachse und Triebflanschachse
und damit ein großer Kolbenhub auch für hohe Fluiddrücke und damit hohe Leistung
in dem Axialkolbenaggregat ermöglicht. Die bisherigen Maßnahmen mit ähnlichen Zielen,
wie aus der Literatur bekannt, zeigen die Wichtigkeit der Verwfrk1ichung dieses
Zieles für hohe Drücke und Anstellwinkel, doch haben sie keine ausreichend einfachen
und exakten Mittel offenbart, das wichtige Ziel rationell und betriebssicher und
betriebseinfach zu verwirklichen.
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Aus der Schnittfigur 2 und dem entsprechenden Teil der Fig. 1 ist
ferner ersichtlich, daß die betreffenden Fluiddruckkammern 2 und 3 jeweils mit einer
größeren Fläche über die eine Hälfte des Steuerspiegels und jeweils mit einer kleineren
Fläche über die andere Hälfte des Steuerspiegels 7 ausgedehnt sind. Das ist durch
die Exzentrizität e e" zwischen der Mittellinie der Flächen 49,8,10 einerseits und
der Mittellinie der Flächen 9 andererseits veri rklicht. In Fig. 2 liegt die Fluiddruckkammer
2 zwischen den Zylinderflächen 8 und 9 und die Fluiddruckkammer 3 zwischen den Zylinderflächen
9 und 49. Die größeren Flächenquerschnitte der Fluiddruckkammern 2 und 3 drücken
jeweils im Bereich der Hochdrucksteuerspiegelhälfte gegen den Rotor und die kleineren
Flächenquerschnitte jeweils gegen die Niederdruckhälfte des Steuerspiegels 7. Bei
geringen und mittleren Drucken ist diese Art geeignet, denn auch in der jeweiligen
Niederdruckhälfte des
Um-Steuerspiegels 7 und den Um Steuerzonen
desselben muß dega der körper 1 ja gegen den Rotor 12 gedrückt werden.
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Bei hohen oder sehr hohen Fluiddrucken und/oder Rotordreszahlen ist
es jedoch zweckdienlich, dafür zu sorgen, daß der Kupulungskörper 1 nicht zu stark
gegen den Rotor gedrückt wird. Eine zu starke Anpressung ist vor allem in der jeweiligen
Niederdruckhälfe des Steuerspiegels 7 eine Gefahr für die Betriebssicherheit des
Aggregates, denn dort können unter zu starkem Andruck die Steuerflächen meißlaufen
oder einander verschweißen. Deshalb ist bei Hochdruckausführanger erfindungsgemäß
die Gegendruckkammer 50 an einer rotorsei.i Schulter des Kupplungskörpers 1 angeordnet
und in bereits best bener Weise jeweils mit einer Kammer des höheren Druckes in
Fluidum im Aggregat verbunden. In Fig. 2 ist diese Gegendruckammer 50 zwischen den
gestrichelt gezeichneten Zylinderflächen Xchen u. 10 angeordnet. Der Querschnitt
dieser Kammer wird so bemessen daß der Fluiddruck aus der Gegendruckkammer 50 gerade
dem überschüssigen Anpreßdruck aus den Fluiddruckkammern 2 und 3 oder 2 oder 3 entgegenwirkt,
so daß die resultierende Anpreßkraft des Kupplungskörpers 1 gegen den Rotor gerade
den gewünschten optimalen Verhältnissen entspricht. Durch die Lage und Abmessung
der Gegendruckkammer 50 läßt sich auch der Anpreßschwerpunkt des Kupplungskörpers
1 so gestalten, daß er gerade oder nahe dem Fluiddruckschwerpunkt im Steuerspalt
7 liegt. Die erfindungsgemäße Oppositionskammer
ermöglicht also
eine sehr einfache und sehr genaue, feinstiftige Anpassung des Anpreßdruckes des
Steuerkörpers, Kupplungskörpers 1 an die erforderlichen Verhältnisse im Steuerspiegel
7.
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Die Erfindung ist nicht auf das in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiel
begrenzt, sondern beschränkt lediglich durch die folgenden Patentansprüche.