BRPI1009161A2

BRPI1009161A2 - eixo de manivelas para um compressor alternativo de refrigeraÇço

Info

Publication number: BRPI1009161A2
Application number: BRPI1009161-0A
Authority: BR
Inventors: Adilson Luiz Manke; Laerte Capestrini
Original assignee: Whirlpool Sa
Priority date: 2010-12-06
Filing date: 2010-12-06
Publication date: 2013-03-26
Also published as: ES2805727T3; WO2012075554A1; US9714589B2; BRPI1009161B1; KR20140034117A; EP2649317B1; JP6117108B2; US20130336765A1; EP2649317A1; EP2649317A4; BRPI1009161B8; JP2013545025A

Abstract

EIXO DE MANIVELAS PARA UM COMPRESSOR ALTERNATIVO DE REFRIGERAÇçO. A presente invenção refere-se a eixo de manivela (1) para um compressor alternativo que compreende um eixo principal (21) conectado a um pino excêntrico (2) por meio de uma fíange periférica (3) contendo um furo de lubrificação (24) que se estende pelo pino excêntrico (2) e por pelo menos parte do eixo principal (21), sendo que uma das extremidades do furo (24) está na superfície cilíndrica (2a) do pino excêntrico (2). Com esse tipo de furação, a presente invenção possibilita a utilização de eixos com diâmetros extremamente baixos (e, consequentemente, com baixa perda viscosa), mesmo com altas excentricidades, mantendo uma excelente capacidade de bombeamento de óleo e resistência mecânica.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "EIXO DE MANIVELAS PARA UM COMPRESSOR ALTERNATIVO DE REFRIGERAÇÃO".

Campo da Invenção

A presente invenção refere-se a um eixo de manivelas para um compressor de refrigeração e, mais especificamente a um eixo de manivelas tendo uma furação de lubrificação aperfeiçoada.

Fundamentos da Invenção

Um compressor tem como função elevar a pressão de determinado volume de fluido a uma pressão necessária à realização de um ciclo de refrigeração. Afigura 1 ilustra de modo esquemático as principais peças do conjunto móvel de

um compressor de refrigeração do tipo alternativo, onde um sistema biela-manivela é usado para converter o movimento rotativo do motor elétrico no movimento alternativo do pistão.

Assim, a figura 1 ilustra um eixo principal (ou corpo de eixo) 1 conectado a um pino excêntrico 2 por meio de uma flange 3. O pino excêntrico 2 é conectado por meio de uma biela 4 ao pistão 5 que se movimenta dentro do cilindro 6a de um bloco de cilindro 6. O conjunto é acionado por um motor elétrico 7, sendo que uma bomba 8 fixada no eixo 1 ou no rotor 7a do motor elétrico 7 alimenta o conjunto com óleo lubrificante 9.

A indústria de refrigeração tem grande preocupação com a performance dos compressores de refrigeração. De fato, diversos trabalhos e estudos foram realizados com vistas a melhorar tal performance, destacando-se aqueles visando a redução das perdas mecânicas dos componentes móveis, entre elas aquela gerada nos mancais radiais do compressor.

A perda mecânica de mancais radiais é gerada pelo contato entre as superfícies das peças e pelo atrito viscoso resultante da presença do óleo de lubrificação.

As perdas por contato das superfícies do eixo e mancai seguem a seguinte equação:

Pot = Fa χ ω χ R, onde Fa = μ χ N

sendo

Pot = potência gerada pelo atrito;

Fa = força de atrito;

ω = velocidade angular relativa entre as superfícies;

R = raio do eixo;

μ = coeficiente de atrito dinâmico; e N = força normal.

As perdas por atrito viscoso (decorrentes do cisalhamento do óleo de lubrificação devido à movimentação relativa entre o eixo e mancai) seguem a seguinte equação: Pot = cte χ f(e) χ (η χ ω2 χ R3 X L) / c sendo

Pot = potência gerada pelo atrito;

ω = velocidade relativa entre as superfícies;

η = viscosidade do óleo; R = raio do eixo; L = largura útil do mancai; c = folga radial entre as superfícies; e ε = relação de excentricidade entre eixo e mancai.

Para reduzir essas perdas mecânicas, são conhecidas da técnica soluções que envolvem a alteração da geometria das peças componentes para alcançar a diminuição do atrito. Dentre esse tipo de solução, existe a possibilidade de reduzir o diâmetro do eixo e do pino excêntrico.

Como a redução da perda viscosa é proporcional ao cubo do raio do eixo, a

redução do diâmetro do mancai é uma das alternativas mais interessantes para a redução da perda mecânica em um mancai.

Entretanto, existem dificuldades técnicas associadas a esta contínua redução de diâmetro do corpo do eixo principal e do pino excêntrico, como: a) A redução do momento de inércia e uma conseqüente diminuição da resistência

mecânica do eixo;

b) A redução da capacidade de bombeamento centrífugo do óleo, já que a diminuição do diâmetro do eixo causa uma diminuição no raio máximo de centrifugação do óleo; e

c) A redução da capacidade de bombeamento de óleo na região de transição entre

o corpo do eixo e o pino excêntrico.

Para diminuir as dificuldades associadas ao item (a), é possível, por exemplo, manufaturar o eixo de manivela a partir de um material com maior resistência mecânica, como o ferro fundido nodular ou aço. Com relação às dificuldades associadas ao item (b) acima, é possível contorna-las,

por exemplo, ao optar pelo uso de uma solução conforme aquela apresentada na patente US6416296 B1

Já as dificuldades associadas ao item (c) acima são de fato uma limitação técnica para a diminuição dos diâmetros do eixo principal e do pino excêntrico, principalmente quando associados a valores elevados de excentricidades do pino excêntrico, pois o espaço disponível para usinagem do furo de lubrificação (responsável pela transferência de óleo entre o corpo do eixo e o pino excêntrico) torna-se extremamente limitado.

As furações de eixo conhecidas da técnica costumam seguir duas configurações principais, mostradas nas figuras 2 e 3.

A configuração apresentada na figura 2 compreende um furo 10 que se inicia na face 2a do cilindro que define o pino excêntrico 2 e segue na direção do centro do corpo do eixo principal 1, até alcançar um furo 11 transversal ao eixo geométrico do eixo 1.

Essa configuração apresenta uma limitação no que se refere ao processo de bombeamento de óleo, já que para que o óleo seja transferido do rasgo de lubrificação do corpo do eixo principal ao pino excêntrico, é necessário que o mesmo seja forçado a escoar em direção ao centro do corpo, em sentido oposto à força centrífuga gerada pela rotação do eixo. Assim, nessa configuração, o volume do óleo transferido ao pino excêntrico é inversamente proporcional à profundidade radial máxima Έ" à qual o óleo é forçado contra a força centrífuga (profundidade do furo 11 na direção radial).

Já na configuração apresentada na figura 3, a furação do pino excêntrico 2 termina em uma posição que se interliga diretamente ao rasgo de lubrificação 12 do corpo do eixo principal 1 (rasgo helicoidal que define um canal superficial, normalmente utilizado em parte do processo de bombeamento do óleo lubrificante a partir do reservatório do compressor). Essa configuração, embora elimine o problema associado ao processo de bombeamento de óleo em sentido oposto à força centrifuga, possui um melhor funcionamento quando o mancai axial é plano, que atua como uma vedação mecânica que evita que o óleo seja totalmente expulso do eixo quando o rasgo de lubrificação do corpo do eixo não está coberto pelo mancai radial do bloco. Ou seja, essa configuração é efetiva quando o mancai axial impede ou restringe o vazamento do óleo que seria expulso do eixo pela ação da força centrifuga. Embora existam soluções que usem as soluções acima como base para pequenas

alterações de projeto, as complexidades geométricas destas furações e de seus processos aumentam ao utilizar-se uma combinação de diâmetros de eixo e pino excêntrico de valores menores que 14mm e excentricidades maiores que 8,0mm.

Objetivos da Invenção

Assim, é um dos objetivos da presente invenção prover um eixo de compressor de

refrigeração com uma furação que permite a redução significativa das dimensões do eixo de manivela, sem restringir excessivamente a excentricidade do pino excêntrico, restringindo ao mínimo o volume de óleo bombeado ao excêntrico e pistão.

Sumário da Invenção

A presente invenção atinge os objetivos acima por meio de um eixo de manivela

para um compressor de refrigeração que normalmente compreende um eixo principal (ou corpo do eixo) conectado a um pino excêntrico e que possui um furo de lubrificação que se estende pelo pino excêntrico e por pelo menos parte do corpo do eixo principal, sendo que uma das extremidades do furo está na superfície cilíndrica do pino excêntrico e a linha de centro do furo está contida em um plano B-B que não contém o eixo geométrico que passa pela linha de centro do corpo do eixo principal e está rotacionado em um ângulo "B" em relação ao plano P definido pelas linhas de centro do corpo do eixo principal e do pino excêntrico, configuração esta que viabiliza uma furação com mínima restrição ao bombeamento de óleo e espessuras de paredes adequadas. Na concretização preferida da invenção, o eixo principal e o pino excêntrico são conectados por meio de uma flange periférica que normalmente define o mancai axial (e que também normalmente incorpora

uma massa de contra-peso). Já em uma concretização alternativa da presente invenção, o corpo do eixo principal é conectado diretamente ao pino excêntrico, sem a existência da flange periférica.

Ainda na concretização preferida da presente invenção, a outra das extremidades do furo está na superfície cilíndrica do corpo do eixo. Já em uma concretização alternativa,

a outra extremidade do furo está no interior do corpo do eixo, e uma furação complementar liga esta extremidade à superfície cilíndrica do corpo do eixo principal. Em outra concretização alternativa, a outra extremidade do furo está totalmente na superfície do assento axial da flange periférica ou em região intermediária ao assento axial e superfície cilíndrica do corpo do eixo, gerando uma canaleta em parte desta superfície.

Adicionalmente, qualquer das soluções apresentadas também são válidas para

eixos de manivela no qual o pino excêntrico está posicionado entre 2 mancais de um eixo de manivelas bi-mancalizado.

Descrição Resumida dos Desenhos

As figuras mostram:

Figura 1 - A figura 1 ilustra uma vista esquemática mostrando as principais peças

do conjunto móvel de um compressor de refrigeração do tipo alternativo;

Figura 2 - A figura 2 ilustra uma vista em corte da extremidade de um eixo de manivela de um compressor convencional na qual se encontra posicionado o pino excêntrico;

Figura 3 - Afigura 3 ilustra uma vista em corte da extremidade de um outro tipo de

eixo de manivela de um compressor convencional na qual se encontra posicionado o pino excêntrico;

Figura 4 - A figura 4 ilustra uma vista superior de um eixo de manivela de um compressor de acordo com uma concretização preferencial da presente invenção;

Figura 5 - A figura 5 ilustra uma vista em corte, indicado na figura 4, da

extremidade de um eixo de um compressor na qual se encontra posicionado o pino excêntrico de acordo com uma concretização preferencial da presente invenção; e Figura 6 - A figura 6 ilustra uma vista em corte da extremidade de um eixo de um compressor na qual se encontra posicionado o pino excêntrico de acordo com uma concretização alternativa da presente invenção.

Figura 7 - A figura 7 ilustra uma vista superior de um eixo de manivela de um compressor de acordo com uma concretização alternativa da presente invenção;

Figura 8 - A figura 8 ilustra uma vista em corte, indicado na figura 7, da extremidade de um eixo de um compressor na qual se encontra posicionado o pino excêntrico de acordo com uma concretização alternativa da presente invenção;

Figura 9 - A figura 9 ilustra um gráfico que apresenta os resultados experimentais de medição da vazão de óleo (capacidade de bombeamento) de um eixo tendo sido variada a profundidade radial máxima do furo de lubrificação 24 em relação à superfície do corpo do eixo ("E").

Figura 10 - Afigura 10 ilustra um gráfico que apresenta o resultado de um estudo teórico para 4 diferentes excentricidades do pino excêntrico, no qual a furação 24 foi mantida fixa em relação ao corpo do eixo.

Descrição Detalhada da Invenção

A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrita com base nos exemplos de execução representados nos desenhos. Deve ser entendido que os princípios da presente invenção podem ser aplicados a qualquer tipo, tamanho ou configuração de compressor alternativo.

As figuras 4 e 5 mostram uma concretização preferida do eixo de manivela da presente invenção, sendo que a figura 4 mostra uma vista superior, e a figura 5 uma vista em corte parcial da porção extrema do eixo na qual se encontra posicionado o pino excêntrico.

Conforme pode ser visto nessas figuras, o eixo de manivela 1 da presente

invenção compreende um eixo principal 21 conectado a um pino excêntrico 2 por meio de uma flange periférica 3.

Deve ser notado, entretanto, que a presença desta flange não é obrigatória, sendo que em outras concretizações da presente invenção o eixo principal poderia ser conectado diretamente ao pino excêntrico. A construção desses tipos de eixos é bem conhecida da técnica, sendo sua função comentada anteriormente.

Para evitar os problemas e desvantagens associadas com as soluções de furação da técnica anterior, o eixo de manivela 1 da presente invenção compreende uma furação 24 cuja extremidade se inicia (ou termina, dependendo da técnica de usinagem utilizada) na superfície cilíndrica 2b do pino 2, e termina (ou se inicia, dependendo da técnica de usinagem utilizada) na superfície cilíndrica 21a do corpo do eixo principal 21, conforme pode ser visto nas figuras 4 e 5. Na superfície cilíndrica 21a do corpo do eixo principal 21 é disposto um rasgo (ou canal) de lubrificação helicoidal (não mostrado). Esse rasgo de lubrificação é conhecido por aqueles versados na técnica e, portanto, não será aqui detalhadamente descrito.

Na concretização preferida mostrada nas figuras 4 e 5, a furação 24 está contida em um plano B-B que não contém o eixo geométrico que passa pela linha centro do eixo principal 21 e está rotacionado em um ângulo "B" em relação ao plano P definido pelas linhas de centro do eixo principal 21 e do pino excêntrico 2, com o objetivo de minimizar-se a profundidade máxima "E" da superfície interna do furo 24 em relação à superfície cilíndrica 21a do corpo principal 21. Assim, com a minimização da profundidade máxima Έ" (ou maximização do raio

mínimo "R1"), obtém-se menor restrição ao escoamento de óleo do eixo principal 21 ao pino excêntrico 2.

Assim, com a configuração de furação da presente invenção, tem-se um elevado grau de flexibilidade no posicionamento do furo 24, sendo que a obtenção de uma baixa profundidade radial máxima "E" (valores menores que 4,0mm) pode ser atingida com a correta combinação de valores para os ângulos "B" e "D" (sendo "D" o ângulo da posição de início da furação 24 na superfície 2b do pino excêntrico), ao serem consideradas as restrições dimensionais dadas ainda pela excentricidade "A", pelo diâmetro "F" do furo 24 e pelos diâmetros do eixo principal 21 e pino excêntrico 2 do eixo de manivela 1. O benefício advindo do aumento do raio mínimo "R1" (ou redução da profundidade

radial máxima Έ") na vazão de óleo é apresentado na figura 9, a qual mostra a relação inversamente proporcional entre a redução da profundidade radial máxima "E" e o aumento da vazão de óleo.

Para a correta usinagem do furo 24, de acordo com a concretização preferida da presente invenção, a ferramenta de perfuração deve ser introduzida a partir de um ângulo "D" em relação ao centro do pino excêntrico, e, no plano B-B, o furo 24 possui uma inclinação em ângulo "Γ com relação à linha de centro do eixo principal 21, sendo tais ângulos ("D" e "I") definidos:

- pela excentricidade "A" do pino excêntrico;

- pelos diâmetros do eixo principal 21 e do pino excêntrico 2; e

- pela distância axial entre o início e fim (cotas "H" e "C") da furação nas superfícies do eixo principal 21 e do pino excêntrico 2.

O início da furação na superfície cilíndrica 2b do pino excêntrico 2 permite a utilização de ângulos Ί" em torno de 45 graus que, em combinação com o ângulo "B", viabiliza a localização desta furação em uma região que garante espessuras de parede satisfatórias ("esp.1" e "esp.2", na figura 5, superiores a 1,0 mm) mesmo com a utilização de eixos com: - diâmetro de corpo e de pino excêntrico inferiores a 14,0 mm;

- diâmetros de furo "F" de 2,5mm ou maiores;

- excentricidades de 12,0 mm ou mais;

- espessuras reduzidas da flange periférica que define o assento axial.

Ao ser analisado o processo de fabricação necessário para a usinagem do furo 24,

considerando que são produzidos eixos de diferentes excentricidades no mesmo equipamento, é possível simplificar este processo (redução do tempo de preparação de máquinas ou set-up) mantendo-se uma posição fixa do furo 24 em relação ao corpo do eixo 21 para uma determinada faixa de excentricidades "A". Conforme apresentado na figura 4, mantendo-se o ângulo "B" e o raio mínimo "RO"

fixos, a posição de início de furação 24 na superfície do pino excêntrico 2b, definido pelo ângulo "D", passa a ser variável com a excentricidade "A". A figura 8 apresenta esta situação para diferentes excentricidades (excentricidades 6, 8, 10 e 12mm).

A figura 6 mostra uma concretização alternativa da presente invenção onde o furo 24 não é um furo que passa completamente através do eixo principal 21 do eixo de manivela 1. Nesse sentido, a figura 6 ilustra o eixo de manivelas em um corte correspondente ao corte B-B mostrado na concretização da figura 4.

Nesse caso, é utilizada uma furação complementar 25 que interliga o furo 24 ao rasgo helicoidal na superfície do eixo principal 21. Essa furação complementar 25 pode ser perpendicular à superfície do eixo

principal 21, como mostrado na figura 6, ou ter qualquer outro tipo de direção adequada.

Além disso, em outra concretização alternativa, conforme mostrado nas figuras 7 e 8, a furação 24 pode terminar, total ou parcialmente, na superfície axial 3a da flange periférica 3, de modo similar ao término do furo de lubrificação mostrado na figura 3. A profundidade máxima Έ" passa a ser zero, pois o raio mínimo "R1" é maior do que o raio "Rc" do corpo do eixo principal 21 e, consequentemente, deixa de ser necessário garantir uma espessura mínima "esp.2".

Para esta configuração particular em que o furo 24 atinge o corpo do eixo principal 21 de forma parcial, o furo 24 deixa de ser formado completamente nesta região e passa a formar uma canaleta (semi-cilíndrica) sobre a superfície cilíndrica 21a do corpo do eixo principal 21, que pode ser conectada diretamente ao rasgo de lubrificação helicoidal normalmente existente nestes eixos.

Adicionalmente, a presente invenção não é aplicável apenas a eixos de manivela com o pino excêntrico posicionado axialmente em uma das extremidades do corpo principal, sendo que pode ser utilizada também em eixos de manivela nos quais o pino excêntrico está posicionado entre 2 mancais de um eixo de manivelas bi-mancalizado.

Com o uso da presente invenção, é possível a obtenção de um alto grau de flexibilidade no projeto de furação do eixo de manivelas de um compressor, sendo que a presente invenção possibilita:

- aumentar as espessuras de parede do eixo ("esp.1" e "esp.2") garantindo uma profundidade radial máxima Έ" adequada ao processo de bombeamento de óleo; e

- posicionar o início e término da furação em região fora da região de carga do mancai (região onde são geradas as maiores pressões no filme de lubrificante durante o regime hidrodinâmico);

- simplificar o processo de usinagem (redução do tempo de preparação de máquinas ou set-up), mantendo-se uma posição fixa do furo 24 em relação ao corpo do eixo 21 para uma determinada faixa de excentricidades "A"..

De fato, a presente invenção possibilita a utilização de eixos de manivela com diâmetros extremamente baixos (e, consequentemente, com baixa perda viscosa), mesmo com altas excentricidades (12,Omm ou mais), mantendo uma excelente capacidade de bombeamento de óleo, resistência mecânica e facilidade de fabricação.

Deve ser entendido que a descrição fornecida com base nas figuras acima se refere apenas a concretizações possíveis para o eixo de manivela da presente invenção, sendo que o real escopo do objeto da invenção encontra-se definido nas reivindicações apensas.

Claims

1. Eixo de manivela (1) para um compressor alternativo que compreende um eixo principal (21) conectado a um pino excêntrico (2) e um furo de lubrificação (24) que se estende pelo pino excêntrico (2) e por pelo menos parte do corpo de eixo principal (21), CARACTERIZADO pelo fato de que uma das extremidades do furo (24) está na superfície cilíndrica (2b) do pino excêntrico (2), sendo que o furo (24) está contido em um plano B-B que não contém o eixo geométrico que passa pela linha centro do eixo principal (21) e está rotacionado em um ângulo "B" em relação ao plano P definido pelas linhas de centro do eixo principal (21) e do pino excêntrico (2), garantindo uma profundidade radial máxima "E" de 4,0mm da superfície interna do furo (24) em relação à superfície cilíndrica (21a) do corpo principal (21).

2. Eixo de manivela (1), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de utilizar uma furação com espessuras de parede mínima ("esp.1" e "esp.2") de 1 ,Omm.

3. Eixo de manivela (1), de acordo com a reivindicação 1 ou 2, CARACTERIZADO pelo fato de que o eixo principal (21) está conectado diretamente ao pino excêntrico (2).

4. Eixo de manivela (1), de acordo com a reivindicação 1 ou 2, CARACTERIZADO pelo fato de que o eixo principal (21) está conectado ao pino excêntrico (2) por meio de uma flange periférica (3).

5. Eixo de manivela (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, CARACTERIZADO pelo fato de que a outra das extremidades do furo (24) está na superfície cilíndrica (21a) do corpo do eixo principal (21).

6. Eixo de manivela (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, CARACTERIZADO pelo fato de que a outra das extremidades do furo (24) está no interior do corpo do eixo principal (21), e uma furação complementar (25) liga esta extremidade à superfície cilíndrica (21a) do corpo do eixo principal (21).

7. Eixo de manivela (1), de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de que a outra das extremidades do furo (24) termina, total ou parcialmente,na superfície axial (3a) da flange periférica (3).

8. Compressor alternativo tendo um eixo de manivelas compreendendo um eixo principal (21) conectado a um pino excêntrico (2) e um furo de lubrificação (24) que se estende pelo pino excêntrico (2) e por pelo menos parte do corpo do eixo principal (21), CARACTERIZADO pelo fato de que uma das extremidades do furo (24) está na superfície cilíndrica (2b) do pino excêntrico (2), sendo que o furo (24) está contido em um plano B-B que não contém o eixo geométrico que passa pela linha centro do eixo principal (21) e está rotacionado em um ângulo "B" em relação ao plano P definido pelas linhas de centro do eixo principal (21) e do pino excêntrico (2), garantindo uma profundidade máxima Έ" de 4,Omm da superfície interna do furo (24) em relação à superfície cilíndrica (21a) do corpo principal (21).

9. Compressor alternativo, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO pelo fato de utilizar uma furação com espessuras de parede mínima ("esp.1" e "esp.2") de 1 ,Omm.

10. Compressor alternativo, de acordo com a reivindicação 8 ou 9, CARACTERIZADO pelo fato de que o eixo principal (21) está conectado diretamente ao pino excêntrico (2).

11. Compressor alternativo, de acordo com a reivindicação 8 ou 9, CARACTERIZADO pelo fato de que o eixo principal (21) está conectado ao pino excêntrico (2) por meio de uma flange periférica (3).

12. Compressor alternativo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 11, CARACTERIZADO pelo fato de que a outra das extremidades do furo (24) está na superfície cilíndrica (21a) do corpo do eixo principal (21).

13. Compressor alternativo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 11, CARACTERIZADO pelo fato de que a outra das extremidades do furo (24) está no interior do corpo do eixo principal (21), e uma furação complementar (25) liga esta extremidade à superfície cilíndrica (21a) do corpo do eixo principal (21).

14. (changed de number in 14) Compressor alternativo, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato de que a outra das extremidades do furo (24) termina, total ou parcialmente, na superfície axial (3a) da flange periférica (3).