DE2924135A1 - Hydraulische axialkolbenmaschine - Google Patents

Description

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SCHIFF ν. FDNER STREHL SCHOBEL-HOPF EBBINGHAUS RNCK

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf den Maschinenbau und insbesondere auf hydraulische Axialkolbenmaschinen.

Die Erfindung kann in Maschinen verschiedener Zweckbestimmung angewendet werden, die einen Hydraulikantrieb besitzen, beispielsweise in Hydraulik-Eingefäßbaggern, v/o zur Zeit vorwiegend Zweisektions (Zwillings-)-Axialkolbenpumpen mit geneigtem Zylinderblock zum Einsatz kommen.

Bei diesen Pumpen wird jed,e der Sektionen durch eine für die beiden Sektionen gemeinsame Antriebswelle, die Achsen aller Wellen sind parallel, mittels einer Verzahnung bei der seitlichen Leistungszufuhr zur Welle jeder Sektion angetrieben. Die Erfindung kann auch in hydraulischen Einsektionsmaschinen mit seitlicher Leistungszu- oder -abfuhr angewandt werden, in welchen ein freier Zugang zur Stirnfläche der Welle vorhanden ist.

Die Erhöhung der Lebensdauer einer hydraulischen Maschine ist eine der wichtigsten Aufgaben, die bei der Schaffung von hydraulischen Maschinen einer beliebigen Konstruktion zu lösen sind. Die Lebensdauer beim Betrieb der hydraulischen Maschine insgesamt hängt von vielen Faktoren ab, darunter auch von der Betriebsdauer der Lagerung der Welle der hydraulischen Maschine. Dies wiederum ist von durch die Lagerungen aufgenommenen Belastungen abhängig, die nach Möglichkeit vermindert werden müssen.

Bei- einer bekannten hydraulischen Zwillings-Axialkolbenmaschine (CH-PS 325 587) sind die Wellen der beiden Sektionen

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gleichachsig gegeneinander angeordnet« Dies gestattet, da der Druck der Arbeitsflüssigkeit in den beiden Sektionen nicht gleich sein kann, die Lager der Welle teilweise von der Wirkung der Axialkräfte, die hierbei entgegengesetzt gerichtet sind, und der Kräftemomente zu entlasten« Jedoch ist es bei dieser Anordnung der Sektionen schwer, einen zufriedenstellenden Aufbau der Maschine zu erzielen. Besonders schwierig ist dabei die Zu- oder Abfuhr der Leistung.

Praktische Anwendung hat ein Aufbau einer hydraulischen Maschine erfahren (DÜ-OS 20 28 642), bei welchem die beiden Sektionen symmetrisch in bezug auf die Achse der für sie gemeinsamen Antriebswelle angeordnet sind. "Es ist eine seitliche Leistungszufuhr zu den Wellen jeder Sektion über Zahnräder vorgesehen. Bei einer solchen Anordnung der Sektionen sind jedoch die Axialkräfte nach einer Seite gerichtet und werden gänzlich von den Lagerungen aufgenommen.

Bekannt sind hydraulische Maschinen mit hydrostatischer "Entlastung der Lager, die verschiedene konstruktive Ausführung haben.

So ist bei einer solchen hydraulischen Maschine (UdSSR-Urheberschein 177 774) der Pleuelkopf in einer Buchse angeordnet, die in der Durchgangsbohrung der Scheibe der Antriebswelle untergebracht ist. Die Buchse stützt sich unmittelbar auf das Gehäuse und weist eine Ausdrehung auf, die durch Axialkanäle in der Buchse, dem Pleuel und dem Kolben mit dem Hohlraum eines Zylinders in Verbindung steht. Hierbei ist jede Lagerung des Pleuels mit einem Mittel zur individuellen Entlastung versehen. Der Nachteil einer solchen Konstruktion ist, daß bei einer Drehung mit hoher Umfangsgeschwindigkeit auf die Buchse ein von den Reibungskräften herrührendes Kippmoment wirkt und die Buchse sich aus ihrer ursprünglichen Lage verschiebt. Aus diesem Grunde entsteht ein ungleichmäßiger Spielraum zwischen Buchse und

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Gehäuse. Dies vergrößert die Leckverluste der Ärbeitsflüssigkeit in der hydraulischen Maschine und verringert ihren Wirkungsgrad, während die große Geschwindigkeit,mit der die Buchse relativ zum Gehäuse gleitet, in Verbindung mit der Schiefstellung der Buchse den Verschleiß der Reibpaarungen Buchse - Gehäuse beschleunigt.

Bekannt sind andere ähnliche Konstruktionen zur hydrostatischen Entlastung (UdSSR-Urheberschein 203 486, DE-PS 1 453 642) der Lager der hydraulischen Maschine, denen die vorerwähnten Nachteile zu eigen sind.

Es ist eine hydraulische Maschine (DS-PS 1 939 084) bekannt, in der auf einer Antriebswelle eine Scheibe mit an diese angedrückten, relativ zum Gehäuse unbeweglichen Plungern gleichachsig angebracht ist, die in bezug auf die Achse der Welle symmetrisch in einem gewissen Abstand angeordnet sind. Die an der Scheibe anliegende Seite eines jeden Plungers besitzt eine Ausnehmung, die mit der Druckleitung der hydraulischen Maschine in Verbindung steht. Bei der Arbeit übt die Flüssigkeit einen Druck auf die l/elle über die Scheibe nach der Seite aus, die der Wirkungsrichtung der Axialkraft entgegengesetzt ist, indem sie dadurch die von den Wellenlagern aufgenommene Kraft vermindert. Jedoch führt die Anordnung der Plunger in einem gewissen Abstand von der Wellenachse zu denselben Nachteilen, welche der vorstehend beschriebenen hydraulischen Maschine (UdSSR-Urheberschein 177 774) anhaften* Infolgedessen sinkt bei der Erhöhung der Betriebsdauer der Lager gleichzeitig die Lebensdauer von neu eingeführten Elementen (Scheibe, Plunger), was neben der Vergrößerung der Leckverluste der Arbeitsflüssigkeit in der hydraulischen Maschine und der Wirkungsgradeinbuße sich auf die Arbeit der hydraulischen Maschine im ganzen auswirkt.

Es wurden Versuche gemacht, eine einfachere Einrichtung zur

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hydrostatischen Entlastung der Lager von hydraulischen Axialkolbenmaschinen mit geneigtem Zylinderblock zu schaffen, die seitliche Leistungszufuhr und freie Stirnfläche der Antriebswelle haben (Fachzeitschrift "Hydraulic pneumatic power", London, Oktober 1968, Vol. 14, Artikel von Schlosser W.M.J. u.a. "The Service Life of Axial Piston Pumps with Anti Friction Bearings", S. 632-641, Bild 18).

In dieser hydraulischen Maschine erfolgt die "Entlastung der Lagerungen mittels eines mit der Welle zusammenwirkenden Plunger-Hydraulikzylinders. Hierbei ist der Plunger gleichachsig auf einer Welle fliegend befestigt, während die Hülse des Hydraulikzylinders unbeweglich mit dem Gehäuse verbunden ist. Dank der Anordnung des Hydraulikzylinders gleichachsig zu der Welle werden die Gleitgeschwindigkeiten, der Verschleiß der reibenden Elemente des Hydraulikzylinders und die Leckage der Arbeitsflüssigkeit verringert, was die Zuverlässigkeit und Betriebsdauer der hydraulischen Maschine positiv beeinflußt.

Infolge der unvermeidlichen Ungenauigkeiten bei der Herstellung von Teilen der hydraulischen Maschine, der Wellendurchbiegung im belasteten Zustand und des Verschleißes der Lagerungen weichen Jedoch die Achse der Welle und zusammen mit ihr auch die Achse des Plungers von der Achse der Hülse ab. Dazu trägt bei der Durchbiegung und der Winkelverschiebungen der Welle die starre fliegende Befestigung des Plungers an der Welle bei. Da der Plunger zur Gewährleistung einer zuverlässigen Abdichtung in den Hohlraum der Hülse mit einem geringen Radialspiel auf eine bestimmte Länge hineinragt, tritt bei der Querverschiebung des Plungers um einen Betrag, der größer als das Spiel ist - die Wahrscheinlichkeit, daß dies in der Praxis eintreten wird, ist groß ein Festklemmen des rotierenden Plungers oder dessen Verbiegen auf. Die von der Biegung des Plungers herrührende Seitenkraft wird von den Hülsenwänden aufgenommen, was wäh-

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rend der Arbeit den Verschleiß von Einzelteilen, die "Erhöhung der Leckverluste der Arbeitsflüssigkeit in der hydraulischen Maschine und den Abfall ihres Wirkungsgrades hervorruft. Die Hülse wird dabei für die Welle zur dritten Lagerung, die die radiale Belastung aufnimmt. All das setzt die Lebensdauer und Betriebssicherheit der hydraulischen Maschine im ganzen herab und kann die praktische Zweckmäßigkei der Anwendung eines solchen Schemas der hydrostatischen Entlastung in den hydraulischen Maschinen des besagten Typs mit der seitlichen Leistungszufuhr auf den Nullpunkt bringen. In solchen Maschinen ist die Welle der zusätzlichen Wirkung von Radialkräften wegen des auf ihr vorhandenen Zahnrades ausgesetzt.

Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Behebung der vorerwähnten Nachteile.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydraulische Axialkolbenmaschine zu schaffen, in der der Hydraulikzylinder in bezug auf die Welle und das Gehäuse der hydraulischen Maschine derart angeordnet ist, daß die Seitenkräfte, welche von dem Plunger und der Hülse des Hydraulikzylinders bei der Querverschiebung der Welle im belasteten Zustand aufgenommen werden, maximal gemindert werden.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in der hydraulischen Axialkolbenmaschine mit einem Gehäuse, in dem ein geneigter Zylinderblock mit Kolben untergebracht ist, welche mit einer Welle gelenkig verbunden sind, die in Drehlagerungen angeordnet ist und mit einem gleichachsig zu ihr angeordneten Plunger-Hydraulikzylinder zusammenwirkt, erfindungsgemäß in Achsrichtung der Welle eine Grundausbohrung eingearbeitet ist, in die der Plunger des Hydraulikzylinder hineinragt, wobei der Abschnitt der Wechselwirkung des Plungers mit der Welle in der Zone der minimalen Größe der Querverschiebung der Welle im belasteten Zustand relativ zum Gehäuse liegt.

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Die Erfindung gestattet es, die Lebensdauer und die Betriebszeit der hydraulischen Maschine beträchtlich zu erhöhen.

Dies wird dadurch sichergestellt, daß der Abschnitt der Wechselwirkung des Plungers mit der Welle sich in der Zone der minimalen Größe der Querverschiebung der Welle im belasteten Zustand befindet, in deren Achsrichtung eine Grundausbohrung ausgeführt ist, in welche der Plunger hineinragt.

Dank einer solchen Anordnung der Elemente des Hydraulikzylinders wird die Biegung des Plungers auf eine minimale Größe vermindert, wobei sich entsprechend die Seitenkräfte verringern, die von der Hülse des Hydraulikzylinders aufgenommen werden, welche dabei für die Welle schon nicht mehr die dritte Lagerung darstellen kann. Dies bietet die Möglichkeit, den Verschleiß der Reibflächen des Plungers und der Hülse herabzusetzen, die Leckverluste der Arbeitsflüssigkeit zu verringern, die Wahrscheinlichkeit des Pestklemmens des Plungers in der Hülse auszuschließen und die Betriebsdauer der hydraulischen Maschine insgesamt zu erhöhen.

"Entsprechend einer Variante der Erfindung ist die Hülse des Hydraulikzylinders am Gehäuse starr angebracht, während der Plunger mittels seines Schaftes gelenkig mit der Welle verbunden ist. Bei dieser Ausführung kann man das Verhältnis der Abmessungen der Elemente des Hydraulikzylinders so auswählen, daß die Querverschiebung des Plungers relativ zur Hülse innerhalb des Radialspiels zwischen ihnen erfolgen wird. Dadurch wird die Biegung des Plungers ausgeschlossen. Die bei der Biegung des Plungers auftretenden Seitenkräfte verringern sich.

In Übereinstimmung mit einer anderen Erfindungsvariante dient die Ausbohrung in der Welle als Hülse des Hydraulikzylinders, während der Plunger am Gehäuse starr befestigt

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ist und auf seinem Abschnitt zwischen der Hülse und dem Gehäuse Querschlitze aufweist.

Hierbei wird die Konstruktion der .erfindungsgemäßen hydraulischen Maschine vereinfacht, wobei jedoch nicht ausgeschlossen ist, daß in einzelnen Fällen, wenn die Wellenverschiebungen (zwar minimal, jedoch nicht gleich Null) größer als das Spiel zwischen Plunger und Hülse sein können, sich der Plunger biegen wird. Die am Plunger vorhandenen Schlitze vermindern bei einer solchen Ausführung das Ausmaß der bei der Verformung entstehenden Seitenkräfte.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße hydraulische Maschine im Längsschnitt;

Fig. 2 schematisch die Teile der hydraulischen Maschine bei der Verschiebung der Welle im belasteten Zustand;

Fig. 3 eine Variante der Konstruktion der hydraulischen Maschine im Längsschnitt und

Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV von Fig. 3.

Die in Fig. 1 dargestellte hydraulische Maschine hat ein Gehäuse 1, in dein die Lagerungen 2 in Form von Wälzlagern eine Welle 3 mit einer Scheibe 4 an ihrem einen Ende angeordnet ist. Die Scheibe 4 ist sit den Pleueln 5 von Kolben 6 gelenkig verbunden, die in die Hohlräume eines geneigten Zylinderblocks 7 hineingehen, der sich über einen Verteiler 8 gegen den Deckel 9 des Gehäuses 1 abstützt. Am anderen Ende der Welle 3 ist ein Antriebsritzel 10 angeordnet, das beispielsweise mit der gemeinsamen Antriebswelle im Falle der Ausführung der hydraulischen Maschine als Zwillingsmaschine (in der Zeichnung nicht dargestellt) oder mit einem anderen An-

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trieb verbunden ist. An demselben Ende der Welle 3 (in ihrer Stirnfläche) ist gleichachsig mit ihr eine Grundausbohrung eingearbeitet, deren Grund beispielsweise eine sphärische Oberfläche hat, mit welcher der Schaft eines Plungers 11 zusammenwirkt. Der Dichtungsteil des Plungers 11 ist mit einem geringen Spiel auf eine zur zuverlässigen Abdichtung ausreichende Länge in der Hülse 12 des Plunger-Hydraulikzylinders untergebracht. Die Hülse 12 stützt sich unbeweglich am Gehäuse 1 ab. Dies vereinfacht die Flüssigkeitszuführung unter Druck, wobei jedoch auch andere Varianten der Anordnung von Hülse und Plunger möglich sind. Der Hohlraum der Hülse 12 steht mittels einer Rohrleitung 13 mit der Druckleitung der hydraulischen Maschine in Verbindung. Die Lagerungen 2 werden vorzugsweise in Form von Schrägwälzlagern ausgeführt, deren Außenringe in bezug auf das Gehäuse 1 fixiert sind, während die Innenringe auf der einen Seite der Welle 3 durch den Zylinderblock 7, auf der anderen Seite aber durch eine Tellerfeder 14 angedrückt sind.

Während der Arbeit wirken die Kolben 6 über die Pleuel 5 auf die Scheibe 4 der Welle 3 ein. Die dabei entstehenden erheblichen Kräfte, darunter auch Axialkräfte, werden von den Lagern 2 aufgenommen. Die dem Hohlraum der Hülse 12 zugeführte Arbeitsflüssigkeit wirkt über den Plunger 11 auf die sphärische Oberfläche des Grundes in der Ausbohrung der Welle 3 in der entgegengesetzten Richtung ein, wodurch eben die Entlastung der Lager 2 herbeigeführt wird. Der Durchmesser des Plungers 11 wird so angenommen, daß die Entlastungskraft die die Lager belastende Axialkraft um einen vorgegebenen Wert unterschreitet. Diese Bedingung wird dadurch erzielt, daß der Druck im Hohlraum der Hülse 12 praktisch gleich ist dem Druck in den Hohlräumen des Zylinderblocks 7. Infolge der unvermeidlichen Ungenauigkeit bei der Herstellung ist die Achse der Welle 3 in bezug auf die Achse der Hülse 12 etwas versetzt. Dies wird auch noch dadurch

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verstärkt, daß die Welle 3 durch die von den Kolben 6 und dem Ritzel 10 herrührenden Radialkräfte belastet ist, welche eine Durchbiegung der Welle 3 und einen Verschleiß der Lager hervorrufen. Aus diesen Gründen ist die Größe der Querverschiebung der Achse der Welle 3 in bezug auf die Achse der Hülse 12 und des Gehäuses 1 in verschiedenen Abschnitten der Welle 3 unterschiedlich. Die Länge der Ausbohrung in der Welle 3 wird derart gewählt, daß der Abschnitt der Wechselwirkung des Plungers 11 mit der Welle in der Zone mit minimaler Größe der Querverschiebung der Welle J im belasteten Zustand relativ zum Gehäuse 1 liegt. Diese Zone wird auf rechnerischem oder experimentellem Wege bestimmt. Wegen des ständigen Andrückens der Lagerringe wird das Radialspiel in den Lagern bei deren Verschleiß ausgeglichen, was die Größe der Querverschiebungen der Achse der Welle 3 relativ zum Gehäuse 1 vermindert und die Beständigkeit der Lage der Zone der minimalen Verschiebung der Welle 3 auf der Länge derselben beim Dauerbetrieb der hydraulischen Maschine gewährleistet. Da diese Größe praktisch nicht auf den Nullpunkt gebracht werden kann, soll der Plunger 11 bei der Wechselwirkung mit der Welle 3 bei deren Querverschiebung bis zu einem zulässigen Grenzwert eine Beweglichkeit relativ zur Hülse ohne Berührung ihrer Wände und ohne Biegung innerhalb des Spielraumes zwischen ihnen unter Berücksichtigung der erforderlichen Dicke des Ölfilmes haben, der zwischen dem Plunger 11 und der Hülse 12 vorhanden ist. Dies wird durch Änderung der Länge der Elemente des Plunger-Hydraulikzylinders erreicht.

Aus Fig. 2 folgt, daß

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1 ü - d - 2A " 2 '

worin L die Länge des Plungers mit Schaft, 1 die Länge des Dichtungsteils zwischen dem Plunger

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und der Hülse 12;

" die größtmögliche zulässige Querverschiebung der Welle 3 in bezug auf die Achse der Oberfläche der Wechselwirkung des Hydraulikzylinders mit dem Gehäuse 1, in der Zeichnung die Achse der Hülse oder die Bohrung für diese im Gehäuse 1;

D der Innendurchmesser der Hülse 12; d der Außendurchmesser des Plungers 11 und

Δ die minimal erforderliche Ölfilmdicke auf jeder Seite des Plungers 11 sind.

Bei dieser Ausführung können der Spielraum zwischen dem Plunger 11 und der Hülse 12 sowie die Länge des,Dichtungsteils zwischen ihnen eine für die zuverlässige Abdichtung erforderliche Größe haben, jedoch wird die Möglichkeit des Festklemmens des Plungers 11 in der Hülse 12 hierbei ausgeschlossen. Die Hülse 12 wird von der Wirkung der Seitenkräfte entlastet.

Dadurch wird die Betriebssicherheit und Lebensdauer der "Elemente der hydrostatischen Entlastung der Lager bei einer minimalen Zahl von Gelenkverbindungen und Dichtflächen erhöht. "Eine Vergrößerung dieser Zahl ist nicht erwünscht, da dies die Durchführung der Flüssigkeit unter hohem Druck aus dem Hohlraum der Hülse 12 zur geschmierten Oberfläche für die Wechselwirkung des Schaftes des Plungers 11 mit der Welle 3 erschweren würde.

In der hydraulischen Maschine, die gemäß einer anderen in Fig. 3 dargestellten Variante der Erfindung ausgeführt ist, dient die Ausbohrung in der Welle 3 als Hülse 15 des Hydraulikzylinders, in welche ein Plunger 16 hineinragt, der am Gehäuse 1 starr befestigt ist. Der Plunger 16 besitzt einen durchgehenden Axialkanal 17, der über die Rohrleitung 13 die Druckleitung der hydraulischen Maschine mit dem Hohlraum der Hülse 15 verbindet. Der Plunger 16 weist auf seinem Ab-

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schnitt zwischen, der Hülse 15 und dem Gehäuse 1 Querschlitze 18 auf.

Während des Arbeitsablaufs verschieben sich aus den obengenannten Gründen die Achse der Welle 3 und dementsprechend die der Hülse 15 in der Querrichtung in bezug auf die Achse des Plungers 16 und des Gehäuses 1. Diese Verschiebung ist auf verschiedenen Abschnitten der Welle 3 größenmäßig ebenfalls verschieden. Der Dichtungsteil des Plungers 16, dessen Oberfläche hier mit der Welle zusammenwirkt, befindet sich in der Zone der minimalen Verschiebungen, die im allgemeinen auch nicht gleich Null sein können. Wenn diese Verschiebungen größer sind als der Spielraum zwischen dem Dichtungsteil des Plungers 16 und der Hülse 15, beginnt sich der Plunger 16 zu biegen. Hierbei treten Seitenkräfte auf, die von dem Plunger 16 und der Hülse 15 aufgenommen werden und die vorstehend angegebenen Nachteile verursachen, nämlich einen Verschleiß der Reibflächen, eine Vergrößerung der Leckverluste der Arbeitsflüssigkeit usw. Das Vorhandensein von Querschlitzen am Plunger 16 vermindert dessen Biegesteifigkeit und führt dadurch zur Verringerung der auf den Plunger 16 und die Hülse 15 einwirkenden Seitenkräfte«

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Claims (1)

1. SCHIFF ν. FÜNER S'^rREHL SCHUBEL-HOPF EBBINGHAUS FINCK

   MARiAHlLFPLATZ 2*3, MDNCHEN SO POSTADRESSE: POSTFACH SS OI6O, D-8OOO MÖNCHEN 95

   Moskovskij maschinostroitelnyj
   zavod imeni Kalinina

   PROFESSIONAL REPRESENTATIVES ALSO BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE

   KARL LUDWIS SCHIFF (I9B4 —1978)

   DIPL. CHEM. DR. ALEXANDER V. FÜNER

   DIPL. ING. PETER STREHL

   DIPL. CHEM. DR. URSULA SCHÜBEL-HOPF

   DIPL. INQ. DIETER EBBINGHAUS

   DR. ING. DIETER FINCK

   TELEFON (O89) 48 SO 54

   TELEX 5-53565 AURO D

   TELEGRAMME AUROMARCPAT MÜNCHEN

   15. Juni 1979
   HYDRAULISCHE AXIALKOLBiMMASCHINi;

   Patentansprüche

   ,·-
   [1y Hydraulische Axialkolbenmaschine mit einem Gehäuse, in dem ein geneigter Zylinderblock mit Kolben angeordnet ist, welche mit der Scheibe einer Antriebswelle gelenkig verbunden sind, die in Drehlagerungen angeordnet ist und mit einem gleichachsig zu ihr angeordneten Plunger-Hydraulikzylinder zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß in der Welle (3) in Richtung ihrer Achse eine Grundausbohrung eingearbeitet ist, in die der Plunger (11) des Hydraulikzylinders hineinragt, wobei der Abschnitt der Wechselwirkung des Plungers (11) mit der Welle (3) in der
   Zone der minimalen Größe der Querverschiebung der Welle (3) im belasteten Zustand relativ zum Gehäuse (1) liegt.

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   2« Hydraulische Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (12) des Hydraulikzylinders mit dem Gehäuse (1) starr verbunden ist, während der Plunger (11) über seinen Schaft mit der Welle (3) gelenkig verbunden ist.

   3. Hydraulische Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbohrung in der Welle (3) als Hülse (15) des Hydraulikzylinders dient, während der Plunger (16) am Gehäuse (1) starr befestigt ist und auf seinem Abschnitt zwischen der Hülse (15) und dem Gehäuse (1) Querschlitze (18) aufweist«

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