CN106574613A - 由轻金属制成的空气压缩机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种空气压缩机(10)，例如用于向机动车的压缩空气系统供给压缩空气，该空气压缩机包括：曲轴箱(46)；与曲轴箱连接的缸壳体(14)；缸头(20)；以能转动支承的方式布置在曲轴箱中的曲轴(40)；借助连杆(42)与曲轴(40)连接的柱形的活塞(12)，其以能沿着缸壳体(14)的柱形的工作面(56)轴向运动的方式布置；至少一个活塞环(54)或者刮油环，其布置在活塞(12)的外周侧面上的环形的槽(52)中；压缩腔(16)，其构造在活塞(12)之上并通过缸头(20)来关闭；该空气压缩机还包括吸入通道(26)和排出通道(28)，它们构造在缸头(20)的缸头上部(22)中，其中，吸入通道(26)配属有至少一个抽吸阀(36)以及排出通道(28)配属有至少一个压排阀(38)，并且其中，曲轴箱(46)以及缸壳体(14)在应用铝的情况下来制造。为了给待加压的空气尽可能少地加载热量而提出，曲轴箱(46)、缸壳体(14)、缸头(20)和活塞(12)由铝或铝合金制成，并且至少一个活塞环(54)或者至少一个刮油环由灰铸铁或者由聚四氟乙烯(PTFE)制成。

Description

由轻金属制成的空气压缩机
技术领域
本发明涉及一种空气压缩机，例如用于向机动车的压缩空气系统供给压缩空气，空气压缩机包括：曲轴箱；与曲轴箱连接的缸壳体；缸头；以能转动支承的方式布置在曲轴箱中的曲轴；借助连杆与曲轴连接的柱形的活塞，其以能沿着缸壳体的柱形的工作面轴向运动的方式布置；至少一个活塞环或者刮油环，其布置在活塞的外周侧面上的环形的槽中；压缩腔，其构造在活塞之上并通过缸头被关闭；空气压缩机还包括吸入通道和排出通道，它们构造在缸头的缸头上部中，其中，吸入通道配属有至少一个抽吸阀以及排出通道配属有至少一个压排阀，并且其中，曲轴箱以及缸壳体在应用铝的情况下来制造。
背景技术
用于产生压缩空气的加压机尤其用于机动车和轨道车辆中的气动制动系统的运行。为了实现高效率，由加压机吸入的周围环境空气在到达加压机中的加压腔之前应当尽可能小地升温。加压机的缸头中的热量带入主要通过在加压腔中释放的加压热量导致。在这种情况下，强烈升温的缸头将其热量强制性地释放到吸入空气中，该吸入空气通常在缸头内部的至少一个吸入通道中被引向加压腔。在这里，吸入空气中的特别强烈的热量带入是在吸入通道朝向吸片的开口区域中进行。吸入空气温度的降低同时也导致压缩最终温度的显著下降，这具有对于本领域技术人员而言熟知的优点。
DE 698 26 381 T2涉及一种活塞加压机，其具有用于压缩气体或者气体混合物、例如空气的水冷的缸头。缸头由众所周知具有高的导热性的铝构成。此外，在缸头上在内侧构造有空气冷却肋片并且与该空气冷却肋片相邻地构造有流动通路，以便将释放的加压热量从缸头导出到周围环境中。在缸头中为了进一步优化冷却而引入多个水冷通道，并且将一体构造的冷却肋片布置在排出空气的流动路径之内。
另外，从DE 10 2007 023 192 A1公知了一种双缸式空气加压机，其曲轴箱由铸铝材料制成。这与由铸钢制成的公知的曲轴箱相比使重量减少40％至50％。因此，空气加压机的总重量也得到显著减少，从而在将其装入到机动车之后结果可以有利地降低其燃料消耗量和其污染物排放量。另外，在该文献中已经指出的是，铸铝的比热导性比铸钢的比热导性高约六十倍，从而在该加压机的运行中产生的热量可以比由钢制成的加压机更好地从加压机中引出。在该空气加压机中，活塞以可轴向移动的方式容纳在套筒形的工作缸中，这些活塞根据该文献的图6以力锁合(kraftschlüssig)且形状锁合(formschlüssig)的方式插入由铝制成的曲轴箱中。对于套筒形的工作缸和活塞或者其活塞环由哪种材料构成，DE 102007 023 192 A1没有给出说明。
发明内容
本发明基于的任务是提供一种空气压缩机，其中，尽可能多地热加载的部件具有高的热导性，并且其中，至少一个活塞和/或其至少一个活塞环以如下方式构造，即，使其可以无损坏地直接与缸壳体的缸壳面发生摩擦接触。
本发明通过一种具有权利要求1的特征的空气压缩机来解决。该空气压缩机的有利的改进方案在从属权利要求中限定。
本发明从如下认知出发，即，当空气压缩机的所有重要的热加载的部件由铝或者铝合金构成时，以及当至少一个活塞环由灰铸铁合金或者由聚四氟乙烯(PTFE)构成时，可以解决所提出的任务。由灰铸铁构成的活塞环由于其金相结构而具有一定的润滑特性，该润滑特性允许使该活塞环直接在空气压缩机的缸壳面上进行引导，尤其是当该缸壳面由铝或铝合金构成时。
因此，本发明涉及如下空气压缩机，例如用于向机动车的压缩空气系统供给压缩空气，空气压缩机包括：曲轴箱；与曲轴箱连接的缸壳体；缸头；以能转动支承的方式布置在曲轴箱中的曲轴；借助连杆与曲轴连接的柱形的活塞，其以能沿着缸壳体的柱形的工作面轴向运动的方式布置；至少一个活塞环或者刮油环，其布置在活塞的外周侧面上的环形的槽中；压缩腔，其构造在活塞之上并通过缸头来关闭；空气压缩机还包括吸入通道和排出通道，它们构造在缸头的缸头上部中，其中，吸入通道配属有至少一个抽吸阀以及排出通道配属有至少一个压排阀，并且其中，曲轴箱以及缸壳体在应用铝的情况下来制造。此时，曲轴箱和缸壳体可以一起一体式地构造。
为了解决所提出的任务，在该空气压缩机中还设置的是，曲轴箱、缸壳体、缸头和活塞由铝或铝合金制成，并且至少一个活塞环或者至少一个刮油环由灰铸铁或者由聚四氟乙烯(PTFE)制成。
通过这种结构实现的是，空气压缩机的所有直接与待压缩的或者已压缩的空气接触的主要部件都由具有非常良好的热导性的材料构成。通过该导热性可以容易地将在空气压缩机的运行中产生的压缩热量以及摩擦热量从空气压缩机中导出。这可以按公知的方式借助引导冷却液的冷却剂通道来实现，这些冷却剂通道布置在曲轴箱或者缸壳体之上或者之中。通过使用由灰铸铁或者由聚四氟乙烯(PTFE)构成的活塞环或刮油环，可以省去使用单独的缸套筒作为用于一个或多个活塞或者其活塞环或刮油环的摩擦配对件。
根据本发明的空气压缩机的一个有利的设计方案设置的是，曲轴箱、活塞以及缸壳体由铝合金制成，该铝合金具有最大25％的硅含量并具有至少90HB(Brinell，布氏硬度)的硬度。这样的合金已在研究中被证明是特别有利的。
另有研究已表明，优选可以设置的是，曲轴箱、活塞和缸壳体由铝合金AlSi12CuNiMg、AlSi17 Cu4MG或者AlSi9 Cu3(F2)构成。不过，鉴于铝合金AlSi9 Cu3(F2)应设置的是，该材料在铸造过程之后附加地被热处理。虽然使用所提到的铝合金是有利的，但是活塞也可以由其它铝合金制成。
至少一个活塞环优选被构造为锥面环或者鼻形锥面环。但是，活塞环也可以被构造为简单的刮油环。按照需要，每个活塞配属有一个至五个活塞环和/或刮油环。
至少一个活塞环或者至少一个刮油环如所提到的那样由灰铸铁材料制成。研究表明有利的是，至少一个活塞环或者至少一个刮油环由具有最大295HB(布氏硬度)的硬度的标准灰铸铁材料、具有最大295HB的硬度的低合金化的标准灰铸铁材料、具有最大380HB的硬度的合金化且经热加工的灰铸铁材料、具有最大360HB的硬度的经调制的球墨铸铁材料或者具有最大410HB的硬度的合金化且经调制的灰铸铁材料构成。
根据本发明的另一改进方案设置的是，至少一个活塞环的外直径相对于缸壳体的配属的柱形的工作面的内直径以如下方式来选择，即，使得活塞环以5N至20N的压紧力抵靠在柱形的工作面上。在这里优选设置的是，活塞环以9N至13.5N的压紧力抵靠在柱形的工作面上。
如果在各自的活塞上布置有至少一个刮油环，那么被判定为有利的是，至少一个刮油环的外直径相对于缸壳体的配属的柱形的工作面的内直径以如下方式来选择，即，使得刮油环以10N至60N的压紧力抵靠在柱形的工作面上。在这里优选设置的是，刮油环以27.2N至40.8N的压紧力抵靠在柱形的工作面上。
附图说明
为了更好理解本发明，给本说明书附上附图。
在附图中以示意性纵剖面图示出唯一的附图，即空气压缩机。
具体实施方式
空气压缩机10可以例如是用于商用车的制动装置的压缩空气加压机，空气压缩机10具有活塞12，活塞12以可轴向往复运动的方式布置在缸壳体14中。在活塞上侧18之上的压缩腔16通过缸头20被朝上关闭。缸头20由缸头上部22和中间板24构成。
缸头上部22设置有吸入通道26和排出通道28，吸入通道26和排出通道28经由罐形的进入腔60或者罐形的排出腔62与中间板24中的进入开口30或者排出开口32在流体流动技术上处于连接中。吸入通道26和排出通道28在缸头上部22中通过隔板34在流体流动技术上彼此分隔，隔板34与缸头上部22构造为一体并且近似平行于活塞12的运动轴线地伸展。在中间板24上，在活塞侧布置有膜片阀形式的抽吸阀36，抽吸阀36在所示的吸入冲程中以图示的方式打开，为此其膜片84从中间板24中的进入开口30抬起，以便将空气以大气压从周围环境吸入压缩腔16中。
当活塞12开始压缩行程时，抽吸阀36闭合，压缩行程随着压缩腔16的减小而出现。当压缩腔16中的压力超过排出通道28中的压力时，同样构造为膜片阀的压排阀38打开。此时，压排阀38的膜片86从中间板24的排出开口32抬起，如这由虚线示出的那样。在进行加压的活塞运动的进一步的过程中，被压缩的空气经由排出开口32被抽出到排出通道28中并且例如经由与排出通道28联接的、未示出的线路被传递到同样未示出的压缩空气容器中。
活塞12的轴向往复运动由旋转的曲轴40产生，曲轴40借助连杆42和活塞销44与活塞12铰接连接。曲轴40以能转动支承的方式容在曲轴箱46中，曲轴箱46与缸壳体14连接。该曲轴箱46远离活塞地通过油底壳48被关闭，油底壳48用于容纳储油器50。在空气压缩机10的运行期间，所喷射的油从储油器50到达缸壳体14的内部的柱形的工作面56并且在此对活塞表面以及至少一个在活塞12的环形槽52中弹簧弹动的(federnd)且能在周侧转动地容纳的活塞环54进行润滑。
根据本发明，在该空气压缩机10中设置的是，曲轴箱46、活塞12、缸壳体14以及缸头20由铝或者铝合金构成，并且活塞环由灰铸铁制成。由于曲轴箱、活塞、缸头和缸壳体由具有非常良好的热导性的材料制成，因而在空气压缩机10的运行中产生的压缩热量和摩擦热量可以非常良好地从空气压缩机10中被引出，从而空气压缩机10与常规的空气压缩机相比效率更高。
由灰铸铁材料制成的活塞环54非常良好地适合作为用于缸壳体14的由铝或者铝合金构成的柱形的工作面56的摩擦配对件，尤其是在油润滑的空气压缩机中。在油润滑的空气压缩机中，但尤其是在不用油润滑的空气压缩机中，也可以有利地使用由聚四氟乙烯(PTFE)制成的活塞环，因为该材料具有非常有利的摩擦特性。但是，只要至少一个活塞环由聚四氟乙烯构成，那么需要的是，必须将空气压缩机的柱形的工作面作为活塞环的摩擦配对件单独进行涂层。作为涂层材料，可以同样使用聚四氟乙烯。
曲轴箱46、活塞12和缸壳体14由铝构成，或者由铝合金AlSi12 CuNiMg、AlSi17Cu4MG或者AlSi9 Cu3(F2)中的至少一种构成。据此，曲轴箱46、活塞12和缸壳体14可以仅由所提到的材料中的仅一种材料制成，或者分别由这些材料中的不同材料制成。
另外，在该空气压缩机10中设置的是，至少一个活塞环54或者至少一个刮油环由具有最大295HB的硬度的标准灰铸铁材料、具有最大295HB的硬度的低合金化的标准灰铸铁材料、具有最大380HB的硬度的合金化且经热加工的灰铸铁材料、具有最大360HB的硬度的经调制的球墨铸铁材料或者具有最大410HB的硬度的合金化且经调制的灰铸铁材料构成。
为了实现特别良好的运行特性而设置的是，活塞环54的外直径相对于缸壳体14的配属的柱形的工作面56的内直径58以如下方式来选择，即，使得活塞环54以5N至20N的压紧力抵靠在柱形的工作面56上。被判定为特别有利的是，活塞环54以9N至13.5N的压紧力抵靠在柱形的工作面56上。该压紧力适用于具有最大100mm的直径的活塞。
附图标记列表(说明书的组成部分)
10 空气压缩机
12 活塞
14 缸壳体
16 压缩腔
18 活塞上侧
20 缸头
22 缸头上部
24 中间板
26 吸入通道
28 排出通道
30 中间板中的进入开口
32 中间板中的排出开口
34 缸头上部的隔板
36 抽吸阀
38 压排阀
40 曲轴
42 连杆
44 活塞销
46 曲轴箱
48 油底壳
50 储油器
52 活塞中的环形槽
54 活塞环
56 柱形的工作面
58 柱形的工作面的内直径
60 缸头上部的进入腔
62 缸头上部的排出腔
84 抽吸阀的膜片
86 压排阀的膜片

Claims (11)

1.空气压缩机(10)，例如用于向机动车的压缩空气系统供给压缩空气，所述空气压缩机包括：曲轴箱(46)；与所述曲轴箱(46)连接的缸壳体(14)；缸头(20)；以能转动支承的方式布置在所述曲轴箱(46)中的曲轴(40)；借助连杆(42)与所述曲轴(40)连接的柱形的活塞(12)，所述活塞以能沿着所述缸壳体(14)的柱形的工作面(56)轴向运动的方式布置；至少一个活塞环(54)或者刮油环，所述至少一个活塞环或者刮油环布置在所述活塞(12)的外周侧面上的环形的槽(52)中；压缩腔(16)，所述压缩腔构造在所述活塞(12)之上并通过所述缸头(20)来关闭；所述空气压缩机还包括吸入通道(26)和排出通道(28)，所述吸入通道和所述排出通道构造在所述缸头(20)的缸头上部(22)中，其中，所述吸入通道(26)配属有至少一个抽吸阀(36)以及所述排出通道(28)配属有至少一个压排阀(38)，并且其中，所述曲轴箱(46)以及所述缸壳体(14)在应用铝的情况下来制造，其特征在于，所述曲轴箱(46)、所述缸壳体(14)、所述缸头(20)和所述活塞(12)由铝或铝合金制成，并且所述至少一个活塞环(54)或者所述至少一个刮油环由灰铸铁或者由聚四氟乙烯(PTFE)制成。
2.根据权利要求1所述的空气压缩机，其特征在于，所述曲轴箱(46)、所述活塞(12)以及所述缸壳体(14)由铝合金制成，所述铝合金具有最大25％的硅含量以及具有至少90HB(布氏硬度)的硬度。
3.根据权利要求1或2所述的空气压缩机，其特征在于，所述缸壳体(14)的用于所述活塞(12)和/或所述至少一个活塞环(54)或者刮油环的柱形的工作面(56)由与所述缸壳体(14)相同的材料形成。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的空气压缩机，其特征在于，所述曲轴箱(46)、所述活塞(12)和所述缸壳体(14)由铝合金AlSi12 CuNiMg、AlSi17 Cu4MG或者AlSi9 Cu3(F2)构成。
5.根据权利要求4所述的空气压缩机，其特征在于，所述铝合金AlSi9 Cu3(F2)在铸造过程之后被热处理。
6.根据权利要求1所述的空气压缩机，其特征在于，所述至少一个活塞环(54)构造为鼻形锥面环或者锥面环。
7.根据权利要求1或6所述的空气压缩机，其特征在于，所述至少一个活塞环(54)或者所述至少一个刮油环由具有在最大295HB(布氏硬度)的硬度的标准灰铸铁材料、具有最大295HB的硬度的低合金化的标准灰铸铁材料、具有最大380HB的硬度的合金化且经热加工的灰铸铁材料、具有最大360HB的硬度的经调制的球墨铸铁材料或者具有最大410HB的硬度的合金化且经调制的灰铸铁材料构成。
8.根据上述权利要求中任一项所述的空气压缩机，其特征在于，所述至少一个活塞环(54)的外直径相对于所述缸壳体(14)的配属的柱形的工作面(56)的内直径(58)以如下方式来选择，即，使得所述活塞环(54)以5N至20N的压紧力抵靠在所述柱形的工作面(56)上。
9.根据权利要求8所述的空气压缩机，其特征在于，所述活塞环(54)以9N至13.5N的压紧力抵靠在所述柱形的工作面(56)上。
10.根据上述权利要求中任一项所述的空气压缩机，其特征在于，所述至少一个刮油环的外直径相对于所述缸壳体(14)的配属的柱形的工作面(56)的内直径(58)以如下方式来选择，即，使得所述刮油环以10N至60N的压紧力抵靠在所述柱形的工作面(56)上。
11.根据权利要求10所述的空气压缩机，其特征在于，所述刮油环以27.2N至40.8N的压紧力抵靠在所述柱形的工作面(56)上。
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