DE10010530A1

DE10010530A1 - Schwingungstilgeranordnung für einen Kolbenverdichter

Info

Publication number: DE10010530A1
Application number: DE2000110530
Authority: DE
Inventors: Frank Meyer; Michael Hartl; Franz Fischer; Stefan Schneider
Original assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH; Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Current assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH; Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Priority date: 2000-03-03
Filing date: 2000-03-03
Publication date: 2001-09-06
Also published as: WO2001065141A1; EP1269042A1; AU2001254635A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schwingungstilgeranordnung für einen Kolbenverdichter (21) mit mindestens zwei am Kolbenverdichter (21) angeordneten Schwingungstilgern (30.1, 30.2), die oszillierende Massen (38.1, 38.2) umfassen. DOLLAR A Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Schwingungstilger (30. 1, 30.2) derart angeordnet sind, daß die oszillierenden Massen (38.1, 38.2) senkrecht zur Kolbenverdichterdrehachse oder unter einem Winkel von maximal 45 zur Kolbenverdichterdrehachse mit einer Frequenz, die nahe der Drehfrequenz des Kolbenverdichters (21) liegt, um die Achse eines freien Momentes schwingt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schwingungstilgeranordnung für einen Kolbenverdichter mit mindestens zwei am Gehäuse des Kolbenverdichters befestigten Schwingungstilgern, die oszillierende Massen umfassen, sowie einen Kolbenverdichter mit einer derartigen Schwingungstilgeranordnung.

Im Schienenfahrzeugbau kommt in zunehmenden Maße Leichtbau zur Anwendung. Moderne Leichtbau-Wagenkastenstrukturen beispielsweise aus Aluminium-Strangpreß profilen oder Trägerstrukturen aus dünnem Blech besitzen häufig Eigenfrequenzen na he der Drehzahl des Kompressors der Luftbeschaffungsanlage. Der Einsatz von Kol benverdichtern ist bei derartigen Konstruktionen oftmals nicht möglich, da häufig der zulässige Körperschallpegel überschritten wird.

Dies ist darauf zurückzuführen, daß Kolbenmaschinen bauartbedingt Massenkräfte und Momente hervorgerufen durch die oszillierenden Massen am Kurbeltrieb erzeugen. Insbesondere bei den im Schienenfahrzeugbereich häufig eingesetzten zweistufigen Kolbenverdichtern tritt ein sehr ungleichförmiges Drehmoment auf. Während die bau artbedingt Massenkräfte, die durch die oszillierenden Massen am Kurbeltrieb hervorge rufen werden, sich bei entsprechend gewählter Bauform zumindest in der 1. Ordnung gut ausgleichen lassen, bereitet der Ausgleich von Momenten resultierend aus den os zillierenden Massen sowie Momentenanregungen resultierend aus dem Verdichtungs prozess größere Schwierigkeiten. Insbesondere bei zweistufigen Kolbenverdichtungen mit Hoch- und Niederdruckstufe erzeugt die Zweistufigkeit der Verdichtung ein in be sonderem Maße ungleichförmiges Drehmoment. Wie die Analyse eines typischen Lastmomentes eines solchen Verdichters zeigt, entspricht der überwiegende Anteil des Lastmomentes der Drehfrequenz der Kolbenmaschine, die häufig im Bereich von 20 bis 30 Hz liegt. Diese Frequenzen wiederum sind für den im Fahrgastraum befindlichen Menschen sehr gut spürbar. Die Eigenfrequenz von Beinen mit durchgestreckten Knien liegt bei ca. 20 Hz.

Das oben beschriebene Lastmoment eines Kolbenverdichters erzeugt in dem Zusam menspiel mit dem Motor ein Erregermoment um die Kompressorlängsachse. Das Träg heitsmoment eines herkömmlichen Kolbenkompressoraggregates ist um die Kompres sorlängsachse wesentlich geringer als um andere Achsen. Da der Übertragungsmode einer elastischen Lagerung um die Kompressorlängsachse in der Regel näher an der Drehfrequenz als beispielsweise der Vertikalmode, ist der für die Übertragung von Massenkräften eine größere Rolle spielt, wird diese Drehschwingung in der Regel nicht so gut isoliert wie andere Erregerkomponenten.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kolbenverdichtermaschine anzugeben, die die zuvor beschriebenen Nachteile vermeidet und insbesondere die Drehschwingungen der Ma schine drastisch reduziert.

Erfindungsgemäß wird das Problem dadurch gelöst, daß zwei oder mehrere Schwin gungstilger am Kolbenverdichter derart angeordnet werden, daß die oszillierenden Massen tangential um die Achse eines freien Momentes des Kolbenverdichters und senkrecht zur Drehachse des Kolbenverdichters oder unter einem Winkel von maximal 45 zur Kolbenverdichterdrehachse mit einer Frequenz, die nahe der Drehfrequenz des Kolbenverdichters liegt, schwingen. Vorteilhafterweise sind die oszillierenden Massen in Bezug auf Gewicht und die zulässigen Federwege so ausgelegt, daß sie ein dem Erregermoment 1. Ordnung des Kolbenverdichters um die Kolbenverdichterlängsache äquivalentes Gegenmoment aufnehmen können. Die Eigenfrequenz des Schwin gungstilgers liegt vorteilhafterweise so weit von der Drehfrequenz entfernt, daß auch unter Berücksichtigung der Fertigungstoleranzen die Eigenfrequenz der Schwin gungstilger so weit neben der Drehfrequenz liegt, daß die Amplituden im Schwin gungstilger die zulässigen Federwege nicht überschreiten.

Alternativ kann die Tilgeranordnung auch zur Tilgung von Momenten resultierend aus den oszillierenden Massen verwendet werden. Auch in diesem Fall sind zwei oder meh rere Tilger mit einem Abstand x zur Drehachse angeordnet.

Die tilgende Wirkung ist in fast jeder Anordnung der Schwingungstilger am Gehäuse gegeben. So können die Schwingungsdämpfer beispielsweise außerhalb des Schwer punktes in Bezug zur Kompressordrehachse liegen, ohne daß zusätzliche Momente aus den oszillierenden Massen des Schwingungsdämpfers resultieren. Sie können auch in versetzten Ebenen liegen, zum Beispiel ein Schwingungsdämpfer an einem Kompressorende, ein weiterer am anderen Ende. Die Schwingungsdämpfer können horizontal, vertikal oder winkelig zur Horizontalen oder Vertikalen oder winkelig zu allen 3 Achsen angeordnet sein.

Bei sämtlichen zuvor genannten Anordnungen liegen die Schwingungsdämpfer so gut wie konstruktiv möglich gegenüber; wobei unterschiedliche Abstände zur Achse eines freien Momentes zu unterschiedlichen Amplituden im Schwingungstilger führen.

Der Schwingungstilger kann beispielsweise ein Bolzen der zwischen zwei Federn vor gespannt gelagert ist, und mit Gleitbändern in Längsrichtung geführt wird, sein. Als Fe der ist jede bekannte Federbauart denkbar, beispielsweise eine Zugfeder, Druckfeder, Blattfeder, Gasfeder, oder andere Federbleche.

Die Führung des Schwingungstilgers kann über Rollen, Kugeln oder Nadeln ausgebil det sein. Alternativ hierzu kann der Schwingungstilger auch ohne Gleitführung ausge führt sein, wobei die Führung von den Federn übernommen wird, zwischen denen die oszillierenden Massen gelagert sind, welche die Kräfte quer zur Arbeitsrichtung des Schwingungstilgers aufnehmen.

Der Schwingungstilger kann sowohl zwischen zwei Druckfedern als auch zwischen zwei Zugfedern als auch an einer Feder befestigt sein.

In einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Schwingungstilger über kugel-, nadel-, walzen- oder gleitgelagerte Pendelstützen geführt sein.

Um den Betrieb des Schwingungstilgers in der Schwingungsüberhöhung seines Schwingungssystemes zu ermöglichen, ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß der Schwingungstilgers eine gewisse Dämpfung aufweist. Diese Dämpfung kann erzeugt werden durch die Gleitreibung des oszillierenden Bolzens, oder durch Düsen oder durch enge Kanäle, durch die ein Medium von einer Seite der oszillierenden Masse zur anderen Seite gedrückt wird.

Neben der Schwingungsdämpferanordnung stellt die Erfindung auch einen Kolbenver dichter, insbesondere für Schienenfahrzeuge, umfassend eine derartige Schwingungs dämpferanordnung, zur Verfügung.

Die oszillierende Masse kann auch als Scheibe, Platte oder Würfel oder in beliebiger Form ausgeführt sein.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 das Erregermoment eines herkömmlichen zweistufigen Kolbenverdichters in Boxer-Anordnung, wie er beispielsweise aus Knorr- Gerätebeschreibung B-LA 80.23 bekannt ist;

Fig. 1a Verlauf des freien Momentes resultierend aus den ozillierenden Massen;

Fig. 2 Fourieranalyse des Erregermomentes gemäß Fig. 1;

Fig. 3 ein Kolbenverdichter mit erfindungsgemäßer Schwingungsdämpferanord nung;

Fig. 4-15 Beispiele für unterschiedliche Tilgeranordnungen am Kolbenverdichter bzw. Kompressoraggregat.

In Fig. 1 ist das Erregermoment eines aus dem Stand der Technik bekannten zwei stufigen Kolbenverdichters um die Kolbenverdichter- beziehungsweise Kompressor drehachse dargestellt. Die X-Achse des Diagrammes bezeichnet hierbei den Drehwin kel in Grad, die Y-Achse des Diagrammes das anliegende Erregermoment M_x um die Kolbenverdichterdrehachse.

Fig. 1a zeigt ein freies Moment resultierend aus den oszillierenden Massen das je nach Bauart vertikal oder horizontal wirken kann.

In Fig. 2 ist die Fourieranalyse des in Fig. 1 dargestellten Momentenverlaufes ge zeigt.

Wie aus der Fourieranalyse von M_x gemäß Fig. 2 hervorgeht, entspricht die 1. Ordnung des Lastmomentes der Drehfrequenz des Kolbenverdichters, die häufig im Bereich zwischen 10 und 30 Hz liegt. Derartige Frequenzen sind für den Menschen im Fahrgastraum eines Schienenfahrzeuges gut zu spüren, da beispielsweise die Eigen frequenz von Beinen mit durchgestreckten Knien bei circa 20 Hertz liegen kann. Die höheren Ordnungen, beispielsweise die 2. und 3. Ordnung sind in der Regel weni ger stark spürbar.

Um die unerwünschten Schwingungen zu vermeiden ist es somit erforderlich, die Dreh schwingung in der 1. Ordnung so gut wie möglich auszugleichen oder ganz zu eliminie ren.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß am Kolbenverdichter beziehungweise Kompressor oder Kompressormotor als Schwingungstilger beziehungsweise Schwin gungsdämpfer ausgeführte oszillierende Massen gegenüberliegend angeordnet wer den, die tangential der Drehschwingung des Kolbenverdichters entgegenschwingen.

Ein Beispiel eines zweistufigen 4-Zylinder Kolbenverdichters mit einer derartigen Schwingungsdämpferanordnung ist in Fig. 3 gezeigt. Deutlich zu erkennen der Zylin der 1 und der Zylinder 3 die einander in der sogenannten Boxeranordnung gegenüber liegen. Der Kolben 5 sowie der Kolben 7 laufen auf einer Kurbelwelle 9 um. Die ver schiedenen Stellungen der Kurbelwelle sind strichpunktiert mit 9.1 beziehungsweise 9.2 dargestellt.

Die Kolben 5, 7 sind gegenüber den Zylindern 1,3 mittels Dichtungen 11 abgedichtet.

In der dargestellten Ausführungsform sind am Gehäuse 20 des Kolbenverdichters 21 auf gegenüberliegenden Seiten 20.1, 20.2 Schwingungstilger 30.1, 30.2 angeordnet. Erfindungsgemäß sind die Schwingungstilger 30.1, 30.2 derart angeordnet, daß die Massen 38.1, 38.2 tangential um die Achse eines freien Momentes schwingen. Sollen die Momente resultierend aus dem Verdichtungsprozess getilgt werden, so ist die Ach se des freien zu tilgenden Momentes in der Regel die Kompressordrehachse.

Jeder Schwingungsdämpfer 30.1, 30.2 umfaßt zwei Federn 34.1.1, 34.1.2, 34.2.1, 34.2.2, die sich an ihrem einen Ende an den Wandungen 36 des Schwingungstilger gehäuses abstützen.

Die schwingende Masse ist in vorliegendem Ausführungsbeispiel als Bolzen 38.1, 38.2 ausgeführt. Die Bolzen werden über eine Gleitführung 40.1, 40.2 zwischen den beiden Federn geführt. Die Massen 38.1, 38.2 des Schwingungstilgers sowie die Federn 34.1.1, 34.1.2, 34.2.1, 34.2.2 sind derart aufeinander abgestimmt, daß die oszillieren den Massen 38.1, 38.2 mit einer Frequenz nahe der Drehfrequenz des Kolbenverdich ters 21 schwingen. Auf diese Art und Weise wird die in Fig. 2 dargestellte 1. Ordnung des Erregermomentes gemäß Fig. 1 gedämpft. Das Erregermoment des Kolbenver dichters 21 ist dann im Fahrgastraum nicht mehr störend wahrnehmbar.

Wie aus Fig. 3 deutlich zu erkennen, sind die Massen 38.1, 38.2 im Schwingungs dämpfer um circa 180 Grad am Umfang des Kolbenverdichters 21 angeordnet.

Neben der in Fig. 3 dargestellten liegenden Ausführung mit vier Zylindern, einem Hoch- und drei Niederdruckzylindern für den Kolbenverdichter 21 sind auch alternative Anordnungen denkbar, beispielsweise ein Zweistufiger-Drei-Zylinder Kolbenverdichter mit einer erfindungsgemäßen Schwingungsdämpferanordnung, ohne daß von der Er findung abgewichen wird.

Die Fig. 4-15 zeigen alternative Anordnungen der Schwingungstilger 30.1, 30.2 am Kolbenverdichter 21. Bei dem Kolbenverdichter 21 gemäß den Fig. 4 bis 15 handelt es sich wiederum um ein 4-Zylinder Kolbenverdichter 21 mit einem Hochdruck- und drei Niederdruckzylindern. Der Kolbenverdichter 21 umfasst einen Kompressor 40 sowie einen Kompressormotor 42. Die Schwingungstilger sind mit den Bezugsziffern 30.1 so wie 30.2 analog wie in Fig. 3 bezeichnet. Deutlich zu erkennen sind die unterschiedli chen Anordnungen der Tilger 30.1, 30.2 am Kolbenverdichter 21.

Mit der Erfindung wird erstmals eine Anordnung angegeben, bei dem die unerwünsch ten niederfrequenten Schwingungen eines zweistufigen Kolbenverdichters derart ver mindert werden können, daß sie in dem Fahrgastraum, beispielsweise eines Schie nenfahrzeuges, nicht mehr störend wahrnehmbar sind.

Bezugszeichenliste

1

Hochdruckzylinder

3

Niederdruckzylinder

5

Hochdruckkolben

7

Niederdruckkolben

9

Kurbelwelle

9.1

,

9.2

Stellungen der Kurbelwelle

11

Dichtungen

20

Gehäuse des Kolbenverdichters

20.1

,

20.2

Seiten des Kolbenverdichtergehäuses

21

Kolbenverdichter

30.1

,

30.2

Schwingungsdämpfer

34.1.1

Feder

34.1.2

Feder

34.2.1

Feder

34.2.2

Feder

36

Wandung der Schwingungsdämpfers

38.1

,

38.2

oszillierende Masse

40

Kompressor

42

Kompressormotor

Claims

1. Schwingungstilgeranordnung für einen Kolbenverdichter (21) umfassend min destens einen Kompressor(40) und einen Kompressormotor (42) mit

1. 1.1 mindestens zwei am Kolbenverdichter (21) befestigten Schwingungstilgern (30.1, 30.2), die oszillierende Massen (38.1, 38.2) umfassen,

dadurch gekennzeichnet, daß

1. 1.2 die mindestens zwei Schwingungstilger (30.1, 30.2) am Kolbenverdichter (21) derart angeordnet sind, daß die oszillierenden Massen (38.1, 38.2) der Tilger entweder senkrecht oder in einem Winkel von bis zu 45° zur Achse des freien Erregermomentes schwingen, welches aus dem Verdichtungsvorgang und den bewegten Massen resultiert.

2. Schwingungstilgeranordnung gemäß Anspruch 1; dadurch gekennzeichnet, daß ein Schwingungstilger (30.1) kompressorseitig, der andere (30.2) motorseitig angebracht ist, wobei beide auf derselben Seite des Kompressors (40) in Bezug auf die Drehachse liegen und die Anordnung am Umfang des Kolbenverdichters (21) beliebig sein kann.

3. Schwingungstilgeranordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schwingungstilger (30.1) kompressorseitig, der andere (30.2) motorseitig und um 180° versetzt zur Drehachse angebracht ist.

4. Schwingungstilgeranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die oszillierenden Massen (38.1, 38.2) der Schwingungstilger (30.1, 30.2) zwi schen je zwei Druckfedern (34.1.1, 34.1.2, 34.2.1, 34.2.2) zum Gehäuse des KoIbenverdichters hin abgestützt sind, wobei die Massen (38.1, 38.2) um circa 180 am Umfang des Kolbenverdichtergehäuses (20) versetzt angeordnet sind.

5. Schwingungstilgeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die oszillierenden Massen (38.1, 38.2) in Schwingungstilgern (30.1, 30.2) mittels eines Gleitmaterials in tangentialer Richtung geführt werden. -

6. Schwingungstilgeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die oszillierenden Massen (38.1, 38.2) in dem Schwingungstilger (30.1, 30.2) ohne Gleitführung zwischen den Federn (34.1.1, 34.1.2, 34.2.1, 34.2.2) und/oder durch die Federn (34.1.1, 34.1.2, 34.2.1, 34.2.2) des Schwingungstilgers (30.1, 30.2) geführt werden.

7. Schwingungstilgeranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei Schwingungstilger (30.1, 30.2) dererat ausgestaltet sind, daß eine Dämpfung der oszillierenden Massen (38.1, 38.2) dadurch er zeugt wird, daß ein Medium bei jeder Schwingung der oszillierenden Massen (38.1, 38.2) von einer Seite der oszillierenden Massen (38.1, 38.2) zur anderen Seite bewegt wird.

8. Schwingungstilgeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß der Schwingungstilger (30.1, 30.2) Kugel-, Nadel- oder Wälzlager zur Führung der oszillierenden Massen (38.1, 38.2) in tangentialer Richtung umfaßt.

9. Schwingungstilgeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, daß die oszillierenden Massen (38.1, 38.2) des Schwingungstilgers (30.1, 30.2) öl geschmiert gleiten.

10. Schwingungstilgeranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungstilger (30.1, 30.2) eine Ölvorratseinrichtung für die Schmierung des Schwingungstilgers (30.1, 30.2) umfassen.

11. Schwingungstilgeranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenverdichter (21) eine Ölvorratseinrichtung umfaßt, die zur Schmierung des Schwingungstilgers (30.1, 30.2) mit diesem verbunden ist.

12. Schwingungstilgeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge kennzeichnet, daß die Schwingungstilger (30.1, 30.2) am Verdichtergehäuse (20) horizontal liegend angeordnet sind.

13. Schwingungstilgeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge kennzeichnet, daß die Schwingungstilger (30.1, 30.2) am Verdichtergehäuse (20) vertikal stehend angeordnet sind.

14. Schwingungstilgeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch ge kennzeichnet, daß die Schwingungstilger (30.1, 30.2) über eine oder mehrere Pendelstützen gela gert sind.

15. Kolbenverdichter für Schienenfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenverdichter (21) eine Schwingungstilge ranordnung gemäß einem der Ansprüche 1-14 umfasst.