DE10010132A1 - Hubkolbenmaschine - Google Patents

Abstract

Eine Hubkolbenmaschine, insbesondere Kompressor, vorzugsweise für die Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs, mit in einem Zylinderblock (1) laufenden Kolben (2) und einer von einer Antriebswelle (3) drehangetriebenen, die Kolben (2) in ihrer Hubbewegung antreibenden, ringförmigen Schwenkscheibe (4), wobei die Antriebskraft über einen sowohl mit der Antriebswelle (3) als auch mit der Schwenkscheibe (4) schwenkbar verbundenen Mitnehmer (5) übertragen wird, ist gekennzeichnet, dass der Mitnehmer (5) mindestens einen Schwenkarm (6) umfaßt, der sich in eine nicht radiale Ausnehmung (7) oder einen nicht radialen Durchgang der Schwenkscheibe (4) erstreckt und dort schwenkbar gelagert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine, insbesondere Kompressor, vorzugs­ weise für die Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs, mit in einem Zylinderblock laufenden Kolben und einer von einer Antriebswelle drehangetriebenen, die Kolben in ihrer Hubbewegung antreibenden, ringförmigen Schwenkscheibe, wobei die Antriebskraft über einen sowohl fest mit der Antriebswelle als auch schwenkbar mit der Schwenkscheibe schwenkbar verbundenen Mitnehmer übertragen wird.

Gattungsbildende Hubkolbenmaschinen sind in unterschiedlichen Bauformen und zu unterschiedlichen Zwecken bekannt. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Kompressor für die Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs handeln. Solche Kompresso­ ren werden meist als Klimakompressoren bezeichnet. Diese Kompressoren umfas­ sen ein Gehäuse, welches eine von außerhalb angetriebene Verdichter- bzw. Pum­ peneinheit einschließt. Die beispielsweise als Axialkolbenpumpe ausgebildete Pum­ peneinheit umfaßt wiederum mindestens einen Kolben, der in einem Zylinderblock hin und her bewegbar ist. Üblicherweise ist ein solcher Kompressor mit mehreren Kolben ausgestattet, die bei Drehung einer Taumelscheibe über eine Aufnahme­ scheibe oder beim Schwenken einer Schwenkscheibe in Richtung ihrer Längsachse hin und her bewegt werden, wobei - im Falle einer Taumelscheibe - die Aufnahme­ scheibe drehfest im Gehäuse gelagert ist.

Bei den bekannten Kompressoren der hier in Rede stehenden Art ist wesentlich, dass sich der Neigungswinkel der Taumelscheibe bzw. der Schwenkscheibe mittels einer besonderen Gelenkvorrichtung verändern läßt, um nämlich die Kolben mit ver­ änderlichem Hub hin und her zu bewegen. Bei bekannten Kompressoren kippt die Antriebsscheibe - Taumelscheibe oder Schwenkscheibe - in bezug auf die Kolben­ längsachse aufgrund deren geometrischer Anordnung bzw. aufgrund der dortigen Schwenkachse derart, dass über der Hubstellung der obere Totpunkt "wandert". Da­ durch entsteht ein Kippfehler bzw. ein sich mit dem Hub verändernder zusätzlicher Schadraum, der sich auf den Wirkungsgrad des Kompressors negativ auswirkt.

Aus der Praxis sind auch bereits Ansätze zur Reduzierung des Schadraums bekannt, nämlich konstruktiv äußerst aufwendige Lösungen mit innen liegender Gelenkvor­ richtung. Hierzu sei lediglich beispielhaft auf die DE 35 45 200 C2 verwiesen. Trotz des dort betriebenen konstruktiven Aufwandes läßt sich die zuvor erörterte Proble­ matik bislang nicht eliminieren, so dass bei den bekannten Kompressoren der hier in Rede stehenden Art ein daraus resultierender Wirkungsgradverlust hingenommen wird.

Eine gattungsbildende Hubkolbenmaschine ist unter anderem aus der DE 197 49 727 A1 bekannt. Dabei handelt es sich im Konkreten um eine Hubkolbenmaschine mit einer in ihrer Neigung zur Maschinenwelle verstellbaren, von der Maschinenwelle angetriebenen Schwenkscheibe, wobei die Schwenkscheibe sowohl mit einem auf der Maschinenwelle axial geführten Schiebekörper als auch mit Abstand von der Ma­ schinenwelle mit einem die Antriebskraft übertragenden Mitnehmer gelenkig verbun­ den ist. Die Kolben weisen jeweils eine Gelenkanordnung auf, an der die Schwenk­ scheibe in Gleiteingriff steht.

Für die aus der DE 197 49 727 A1 bekannte Hubkolbenmaschine ist wesentlich, dass die Schwenkscheibe die Form einer Ringscheibe hat und an einer Stelle ihres Umfangs einen radial nach innen offenen Eingriffsraum aufweist, in den der Kopf ei­ nes mit der Maschinenwelle fest verbundenen Mitnehmers eingreift. Bei der be­ kannten Hubkolbenmaschine verläuft der Mitnehmer radial, erstreckt sich nämlich von der Antriebswelle her in den radial nach innen offenen Eingriffsraum der Schwenkscheibe bzw. Ringscheibe, so dass der Mitnehmer selbst radial ausgerichtet ist. Darüber hinaus liegt der Mittelpunkt des Kopfes des Mitnehmers auf einer Kreisli­ nie, die die Mittelpunkte der Kreisform von kugelsegmentförmigen Gelenkkörpern der Kolben verbindet. Die sich durch die Verbindung der Mittelpunkte ergebende Kreis­ form wird auch Teilkreis der Kolben genannt.

Die aus der DE 197 49 727 A1 bekannte Hubkolbenmaschine ist in der Praxis pro­ blematisch, da dort lediglich ein radial verlaufender Mitnehmer vorgesehen ist, auf­ grund dessen singulärer Ausbildung auf jeden Fall weitere Lagerhülsen bzw. Bolzen zur Lagerung und Drehmomentübertragung erforderlich sind. Dies ist konstruktiv aufwendig. Außerdem ist es aufgrund der singulären Ausgestaltung des Mitnehmers erforderlich, diesen und damit auch die Schwenkscheibe hinreichend dick auszugestalten. Dies steht einer stets geforderten Miniaturisierung entgegen. Schließlich ist die Führung mit einem einzelnen Mitnehmer auch in statischer Hinsicht ungünstig. Zur Vermeidung bzw. Reduzierung eines Schadraums ist es bei der bekannten Hubkolbenmaschine obendrein zwingend erforderlich, den Lagerkopf des Mitnehmers exakt auf dem Teilkreis der Kolben zu positionieren, wodurch sich konstruktive Zwänge ergeben.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Hubkolbenma­ schine der gattungsbildenden Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass die voranstehend genannten konstruktiven Zwänge nicht mehr vorliegen.

Die erfindungsgemäße Hubkolbenmaschine löst die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 1. Danach ist eine Hubkolbenmaschine der ein­ gangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, dass der Mitnehmer mindestens ei­ nen Schwenkarm umfaßt, der sich in eine "nicht radiale" Ausnehmung oder einen "nicht radialen" Durchgang der Schwenkscheibe erstreckt und dort schwenkbar gelagert ist.

Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass eine radiale Ausrichtung des Mitnehmers nicht zwingend erforderlich ist. Auch bei einer Ausgestaltung mit lediglich einem Schwenkarm könnte dieser sich von der Antriebswelle in die Schwenkscheibe hinein erstrecken, wobei es dazu nicht erforderlich ist, eine radiale Ausnehmung in der ringförmigen Schwenkscheibe vorzusehen. Vielmehr ist es auch möglich, einen nicht radialen Durchgang vorzusehen, so dass sich der Mitnehmer entsprechend nicht ra­ dial in die Schwenkscheibe hinein erstreckt. Eine solche "nicht radiale" Ausrichtung des Mitnehmers kann unter konstruktionstechnischen Gesichtspunkten von Vorteil sein, z. B. tangential an der Welle auf der Seite, auf der die Druckkräfte in den Zylindern und damit die größten Kraftbelastungen auftreten. Deshalb sei angemerkt, dass alle Kolben auf der Druckseite gegen die Schwenkscheibe drücken. Insoweit wirkt ein exzentrisch an der Scheibe angreifender Mitnehmer besser abstützend, so daß sich ein synergetischer Effekt ergibt. Jedenfalls ist es nach der erfindungsgemäßen Lehre nicht erforderlich, die im Stand der Technik als zwingend erachtete radiale Anordnung von Mitnehmern und Durchgang in der Schwenkscheibe vorzusehen.

In vorteilhafter Weise umfaßt der Mitnehmer zwei sich von der Antriebswelle in die Schwenkscheibe erstreckende Schwenkarme. Durch diese vorzugsweise symmetri­ sche Ausgestaltung des Mitnehmers, nämlich mit zwei symmetrisch zueinander an­ geordneten Schwenkarmen, wird eine zusätzliche Stabilität der Anordnung erreicht. Außerdem begünstigt eine solche Ausgestaltung die Möglichkeit zur Miniaturisierung, da nämlich die beiden Schwenkarme dünner und entsprechend auch kleiner gestalt­ bar sind als ein einziger Mitnehmer, der aus Stabilitätsgründen einen hinreichenden Durchmesser benötigt. Die Vorkehrung zweier Schwenkarme statt eines Schwenk­ arms ermöglicht jedenfalls eine dünnere Ausgestaltung der Schwenkarme und sorgt obendrein für Stabilität und eine weiterreichende Abstützung gemäß der voranste­ henden Erörterung.

Des Weiteren könnten die Schwenkarme endseitige Schwenkköpfe umfassen und mit den Schwenkköpfen derart in der Schwenkscheibe gelagert und positioniert sein, dass die sich daraus ergebende Schwenkachse der Schwenkscheibe im wesentli­ chen tangential zum Teilkreis der Kolben liegt. Im Gegensatz zu der aus dem Stand der Technik bekannten Ausgestaltung mit einem einzigen Schwenkarm hat dies den Vorteil, dass zur Ausgestaltung bzw. Lagerung der Schwenkköpfe mehr Freiraum verbleibt. Zur Optimierung des Schadraums bzw. zur Erhöhung des Wirkungsgrades ist es nämlich nicht zwingend erforderlich, dass die Mittelpunkte der Schwenkköpfe selbst auf dem Teilkreis liegen. Bei Vorkehrung zweier Schwenkarme ist es lediglich erforderlich, dass die sich aus den beiden Schwenkköpfen bzw. deren Lagerung er­ gebende Schwenkachse im wesentlichen tangential zu dem den Hub definierenden Teilkreis liegt, so dass der Neigungswinkel der Schwenkscheibe veränderbar ist, ohne den oberen Totpunkt über den Hub wesentlich zu verschieben. Insoweit ist die Schwenk- oder Lagerachse der Schwenkscheibe derart positioniert, dass die Schwenkscheibe genau oder im wesentlichen über der Kolbenlängsachse kippt. Da­ durch ist ausgeschlossen, dass sich der obere Totpunkt bei der Hubstellung des Kol­ bens verändert bzw. dass der Totpunkt wandert und so ein den Wirkungsgrad ver­ mindernder Schadraum entsteht. Ganz im Gegenteil wird der Totpunkt über der Hub­ stellung zumindest weitgehend konstant gehalten.

Im Konkreten könnten die Schwenkköpfe der Mitnehmer im wesentlichen kugelförmig ausgebildet sein. Ebenso könnten die Schwenkköpfe der Mitnehmer im wesentlichen zylindrisch bzw. walzenförmig oder tonnenförmig ausgebildet sein. Dabei ist lediglich sicher zu stellen, dass sich aus den beiden Schwenkköpfen eine Schwenkachse er­ gibt, die im wesentlichen tangential zum Teilkreis der Kolben liegt.

Im Falle zweier Schwenkarme könnten diese in etwa parallel zueinander verlaufen und sich dabei beidseits der Antriebswelle, vorzugsweise aus deren Randbereich heraus zur Schwenkscheibe hin in diese hinein erstrecken. Insoweit es jedoch erfor­ derlich, auf Seiten der Antriebswelle zwei Lagerungen bzw. Führungen für die Schwenkarme vorzusehen.

Ebenso ist es denkbar, dass die Schwenkarme von der Antriebswelle aus gesehen in etwa V-förmig auseinander laufen, sich nämlich von der Antriebswelle aus divergie­ rend zur Schwenkscheibe in diese hinein erstrecken. Im Rahmen einer solchen Aus­ gestaltung könnten die beiden Schwenkarme antriebswellenseitig zu einem gemein­ samen Lagerkopf verbunden sein, so dass in der Antriebswelle lediglich eine einzige Lagerung bzw. Führung der beiden zusammengeführten Schwenkarme erforderlich ist. Dies vereinfacht die Konstruktion ganz erheblich.

In weiter vorteilhafter Weise erstreckt sich zwischen der Antriebswelle und der Schwenkscheibe mindestens ein Bolzen zur Drehmomentübertragung bzw. zur wei­ terreichenden Lagerung der Schwenkscheibe, der z. B. in einem Langloch in der Welle gleitet oder an einer verdrehgesicherten Schiebemuffe auf der Welle befestigt ist. Insoweit ist es von Vorteil, wenn sich beidseits der Antriebswelle, vorzugsweise symmetrisch, jeweils ein Bolzen zur Drehmomentübertragung erstreckt, so dass eine symmetrische Anordnung der Schwenkscheibe relativ zu der Antriebswelle gewährleistet ist. Dadurch werden die Schwenkarme vom Drehmoment entlastet und können dünner ausgeführt sein.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfol­ gende Erläuterung zweier Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeich­ nung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeich­ nung zeigt

Fig. 1 in einem schematischen Längsschnitt ein Ausführungsbeispiel einer er­ findungsgemäßen Hubkolbenmaschine am Beispiel eines Kompres­ sors,

Fig. 2 den Gegenstand aus Fig. 1 im Schnitt durch die Antriebswelle und Schwenkscheibe;

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Hubkol­ benmaschine im Schnitt durch die Antriebswelle und Schwenkscheibe, wobei dort die beiden Schwenkarme gemeinsam in der Antriebswelle gelagert sind und

Fig. 4 im Detail die Antriebswelle mit Langloch zur Schwenkbewegung der Schwenkscheibe.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Hubkolbenmaschine, wobei es sich dabei im Konkreten um einen Kompressor für die Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs handelt. Die Hubkolbenmaschine umfaßt einen Zylinderblock 1 und in dem Zylinder­ block 1 laufende Kolben 2, die über eine Antriebswelle 3 drehangetrieben sind. Die Kolben 2 werden wiederum von einer ringförmigen Schwenkscheibe 4 in ihrer Hub­ bewegung angetrieben, wobei die Antriebskraft über einen sowohl fest mit der Antriebswelle 3 als auch schwenkbar mit der Schwenkscheibe 4 verbundenen Mitnehmer 5 übertragen wird.

Erfindungsgemäß umfaßt der Mitnehmer 5 mindestens einen Schwenkarm 6, der sich von der Antriebswelle 3 aus in eine nicht radiale Ausnehmung 7 oder einen nicht radialen Durchgang der Schwenkscheibe 4 erstreckt und dort schwenkbar gelagert ist. Insoweit wird auf die Fig. 2 und 3 verwiesen, die unterschiedliche Ausfüh­ rungsformen der Mitnehmer 5 zeigen.

Die Fig. 2 und 3 zeigen des Weiteren, dass der Mitnehmer 5 zwei sich von der Antriebswelle 3 in die Schwenkscheibe 4 erstreckende Schwenkarme 6 umfaßt. Bei beiden Ausführungsbeispielen - Fig. 2 und 3 - sind die Schwenkarme 6 mit end­ seitigen Schwenkköpfen 8 ausgestattet, wobei die Schwenkköpfe 8 derart in der Schwenkscheibe 4 gelagert und positioniert sind, dass die sich daraus ergebende Schwenkachse 9 der Schwenkscheibe 4 im wesentlichen tangential zum Teilkreis 10 der Kolben 2 liegt. Zur Definition des Teilkreises wird zur Vermeidung von Wieder­ holungen auf die allgemeine Beschreibung verwiesen, wobei hier ergänzend ange­ merkt sei, dass der Teilkreis durch die oberen Totpunkte aller Kolben geht, nämlich durch die oberen Totpunkte der Kolben definiert ist.

Bei den in den Fig. 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispielen sind die Schwenk­ köpfe 8 der Schwenkarme 6 kugelförmig ausgebildet. Ebenso ist eine zylindrische, walzenförmige oder tonnenförmige Ausgestaltung der Schwenkköpfe 8 denkbar. In der Antriebswelle 3 sind die Schwenkarme 6 fest gelagert.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel verlaufen die Schwenkarme 6 des Mitnehmers 5 parallel zueinander, wobei die Ausnehmungen 7 bzw. Durchgänge in der Schwenkscheibe 4 ebenfalls parallel zueinander ausgebildet sind. Beide Aus­ nehmungen 7 bzw. Durchgänge und beide Schwenkarme 6 sind nicht radial ange­ ordnet.

Bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Ausnehmungen 7 bzw. Durchgänge in der Schwenkscheibe 4 ebenfalls nicht radial ausgebildet. Allerdings verlaufen dort die Schwenkarme 6 nicht parallel zueinander, sondern laufen im Be­ reich der Antriebswelle 3 zusammen, so dass sie dort gemeinsam gelagert sind. Dies vereinfacht den konstruktiven Aufwand auf Seiten der Antriebswelle 3.

Fig. 3 läßt des Weiteren erkennen, dass zur Drehmomentübertragung Bolzen 11 vorgesehen sind, die sich beidseits der Antriebswelle 3 zwischen der Antriebswelle 3 und der kreisförmigen Schwenkscheibe 4 erstrecken. Beide Bolzen 11 sind symme­ trisch zueinander angeordnet, wodurch die Drehmomentübertragung begünstigt ist, bzw. ein Bolzen, der in einem Langloch 12 der Welle vor- und zurückgleitbar ist, um die Schwenkbewegung zu ermöglich (vgl. Fig. 4).

Abschließend sei hervorgehoben, dass die voranstehend beispielhaft genannten Ausführungsbeispiele die erfindungsgemäße Lehre lediglich erläutern, jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.

Claims (11)

1. Hubkolbenmaschine, insbesondere Kompressor, vorzugsweise für die Klima­ anlage eines Kraftfahrzeugs, mit in einem Zylinderblock (1) laufenden Kolben (2) und einer von einer Antriebswelle (3) drehangetriebenen, die Kolben (2) in ihrer Hubbe­ wegung antreibenden, vorzugsweise ringförmigen Schwenkscheibe (4), wobei die Antriebskraft über einen fest mit der Antriebswelle (3) und schwenkbar mit der Schwenkscheibe (4) verbundenen Mitnehmern (5) übertragen werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass der Mitnehmer (5) mindestens einen Schwenkarm (6) umfaßt, der sich in eine nicht radiale Ausnehmung (7) oder einen nicht radialen Durchgang der Schwenkscheibe (4) erstreckt und dort schwenkbar gelagert ist.

2. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mitnehmer (5) zwei sich von der Antriebswelle (3) in die Schwenkscheibe (4) er­ streckende Schwenkarme (6) umfaßt.

3. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkarme (6) endseitige Schwenkköpfe (8) umfassen und mit den Schwenk­ köpfen (8) derart in der Schwenkscheibe (4) gelagert und positioniert sind, dass die sich daraus ergebende Schwenkachse (9) der Schwenkscheibe (4) im wesentlichen tangential zum Teilkreis (10) der Kolben liegt.

4. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkköpfe (8) der Schwenkarme (6) im wesentlichen kugelförmig ausgebildet sind.

5. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkköpfe (8) der Schwenkarme (6) im wesentlichen zylindrisch bzw. walzen­ förmig oder tonnenförmig ausgebildet sind.

6. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Mitnehmer (5) in etwa parallel zueinander verlaufen.

7. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, dass sich die Schwenkarme (6) beidseits der Antriebswelle (3), vorzugs­ weise aus deren Randbereich heraus, zur Schwenkscheibe (4) hin erstrecken.

8. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, dass sich die Schwenkarme (6) von der Antriebswelle (3) aus divergierend zur Schwenkscheibe (4) hin erstrecken.

9. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkarme (6) zur Antriebswelle (3) hin verbunden und dort gemeinsam gelagert sind.

10. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, dass sich zwischen der Antriebswelle (3) und der Schwenkscheibe (4) min­ destens ein Bolzen (11) zur Drehmomentübertragung erstreckt.

11. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich beidseits der Antriebswelle (3), vorzugsweise symmetrisch angeordnet, zwischen dieser und der Schwenkscheibe (4) jeweils ein Bolzen (11) zur Drehmomentübertra­ gung erstreckt.