DE10058924A1 - Schwingungsarmer mehrstufiger Kolbenkompressor - Google Patents
Schwingungsarmer mehrstufiger KolbenkompressorInfo
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen schwingungsarmen mehrstufigen Kolbenkompressor, insbesondere für Schienenfahrzeuge, mit einer Niederdruckstufe und mindestens einer darauffolgenden Hochdruckstufe, der im wesentlichen aus einer eine Drehbewegung erzeugenden Antriebseinheit und einer nachgeschalteten Verdichtereinheit besteht, welche mehrere an einem Gehäuse für eine Kurbelwelle angeordnete topfartige Zylinder für innenliegende Kolben aufweist, wobei die über die Antriebseinheit angetriebene Kurbelwelle ihre Drehbewegung über auf Kröpfungen angeordnete Pleuel in eine lineare Bewegung für jeden zugeordneten Kolben zum Komprimieren von angesaugter Luft umwandelt, wobei auf jeder Kröpfung der Kurbelwelle zwei Pleuel angeordnet sind, die gegenüberliegenden Kolben zugeordnet sind, wobei benachbarte Kröpfungen im wesentlichen 180 DEG zueinander versetzt angeordnet sind.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen schwingungsarmen mehrstufigen Kolbenkompres
sor, insbesondere für Schienenfahrzeuge, mit einer Niederdruckstufe und mindestens einer
darauffolgenden Hochdruckstufe, der im wesentlichen aus einer eine Drehbewegung erzeu
genden Antriebseinheit und einer nachgeschalteten Verdichtereinheit besteht. Die Verdichter
einheit weist dabei mehrere an einem Gehäuse für eine Kurbelwelle angeordnete topfartige
Zylinder für innenliegende Kolben auf, wobei die über die Antriebseinheit angetriebene Kur
belwelle ihre Drehbewegung über auf Kröpfungen angeordnete Pleuel in eine lineare Bewe
gung für jeden zugeordneten Kolben zum Komprimieren von angesaugter Luft umwandelt.
Im Bereich des Schienenfahrzeugbaus kommen üblicherweise ölgeschmierte Kolben- oder
Schraubenkompressoren zum Einsatz. Die Ölschmierung der Verdichtereinheit derartiger
Kompressoren hat zur Folge, daß die erzeugte Druckluft ölhaltig ist. Das Kondensat, welches
bei der anschließenden Lufttrocknung anfällt, muss - wegen des Ölgehaltes - aus Umwelt
schutzgründen in beheizbaren Behältern gesammelt und in regelmäßigen Zeitabständen abge
lassen und entsorgt werden. Dies führt zu einem erhöhten Wartungsaufwand und zu Entsor
gungskosten. Hinzu kommen häufig auftretende Probleme mit einer Emulsionsbildung im Öl
kreislauf herkömmlicher ölgeschmierter Verdichtereinheiten im Winterbetrieb bei niedriger
Einschaltdauer.
In jüngster Zeit kommen in verschiedenen Industriebereichen als Kompressoren vermehrt
trockenlaufende Kolbenkompressoren zum Einsatz, die daher ebenfalls allgemein bekannt
sind. Ein trockenlaufender Kolbenkompressor erarbeitet in seiner Verdichtereinheit ohne ein
im Gehäuse befindliches Schmieröl. Stattdessen wird die Schmierung an der Kolbenlaufbahn
durch eine besonders reibungsarme dynamische Dichtungsanordnung ersetzt. Alle drehenden
Bauteile sind üblicherweise wälzgelagert. Die gekapselten Wälzlager werden dabei mit einer
temperaturbeständigen, langlebigen Fettfüllung versehen. Im Ventilbereich werden gleitge
führte Bauteile weitestgehend vermieden. Durch die Summe dieser Maßnahmen ist eine Öl
schmierung in der Verdichtereinheit entbehrlich. Folglich kann beispielsweise auch die Gefahr
einer Verölung der von der Verdichtereinheit erzeugten Druckluft ausgeschlossen
werden, was insbesondere im Schienenfahrzeugbau vorteilhaft ist.
Die vorliegende, einen schwingungsarmen Kolbenkompressor betreffende Erfindung ist
sowohl bei einem ölgeschmierten Kolbenkompressor als auch insbesondere bei einem
trockenlaufenden Kolbenkompressor anwendbar.
Besonders bei den im Schienenfahrzeugbereich häufig eingesetzten zweistufigen Kolben
kompressoren tritt ein sehr ungleichförmiges Drehmoment auf. Dieses verursacht Dreh
schwingungen um die Kompressorlängsachse, die durch das für die eingesetzten Verdichter
einheiten charakteristische schwankende Lastmoment entstehen. Wie durch eine Fourier-
Analyse des typische Lastmoments deutlich wird, entspricht der überwiegende Anteil des
Lastmoments der Drehfrequenz der Kurbelwelle. Diese 1. Ordnung des Lastmoments liegt
häufig im Bereich von 20-30 Hz, einer Frequenz also, die für den Menschen deutlich als
Vibrationsschwingung spürbar ist. Die Eigenfrequenz von Beinen mit durchgestreckten
Knien kann beispielsweise bei ca. 20 Hz liegen. Höhere Ordnungen des Lastmoments sind
mit einem weitaus geringeren Anteil präsent und auch weniger stark spürbar.
Wie Untersuchungen ergaben, werden die aus der Drehungleichförmigkeit des Kolben
kompressors resultierenden Schwingungen durch die Antriebseinheit - meist ein Elektro
motor - zusätzlich verstärkt, da die Reaktion des Elektromotors auf die Lastspitze phasenver
setzt zu einem Zeitpunkt erfolgt in dem der Momentenbedarf des Kolbenverdichters niedriger
ist. Die daraus resultierende Drehzahlschwankung über eine Umdrehung kann bei einem her
kömmlichen Kolbenkompressor bis zu +/-14% betragen. Daher weist der Elektromotor des
mehrstufigen Kolbenkompressors eine gegenüber der Leistungsaufnahme der Verdichterein
heit erheblich höhere Stromaufnahme und eine drastische Reduzierung des Leistungsfaktors
auf, so daß der Elektromotor zum Antrieb von herkömmlichen Verdichterkonstruktionen
überdimensioniert werden muß.
Durch den im Fahrzeugbereich zunehmenden Leichtbautrend kommen vermehrt Strang
pressprofile aus Aluminium bzw. Trägerstrukturen aus Dünnblech für Rahmenkonstruktionen
und Fahrzeugaufbauten zur Anwendung. Derartige Konstruktionen weisen häufig eine
Anzahl von Eigenfrequenzen auf, die nahe der Drehzahl des daran befestigten Kolbenkompressors
des Druckluftbeschaffungssystems liegen. Daher ist es problematisch Spezifi
kationen über zulässige Körperschallpegel hinreichend einzuhalten.
In der Praxis ist bereits versucht worden, auftretende Schwingungsprobleme durch Massen
ausgleich zu lösen. Diese zusätzlichen Bauteile kompensieren zwar die durch den oszillieren
den Kurbeltrieb hervorgerufenen Massenkräfte und Momente, führen jedoch zu einem er
höhten Bauteileaufwand, der auch die Masse des gesamten Kolbenkompressors weiter erhöht
und insoweit wiederum dem Leichtbautrend entgegensteht.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen mehrstufigen Kolbenkompressor der
vorstehend beschriebenen Art dahingehend weiterzuverbessern, daß ohne Verwendung zu
sätzlicher Ausgleichsmassen eine möglichst gleichförmige Drehbewegung erzielt wird, um
die Schwingungsemissionen zu minimieren.
Die Aufgabe wird ausgehend von einem Kolbenkompressor gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfol
genden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, daß auf jeder Kröpfung der Kurbelwelle
zwei Pleuel angeordnet sind, die gegenüberliegenden Kolben zugeordnet sind, wobei benach
barte Kröpfungen im wesentlichen 180° zueinander versetzt angeordnet sind.
Durch diese spezielle konstruktive Lösung wird eine starke Verringerung der Drehungleich
förmigkeit der Verdichtereinheit erzielt, so daß die Stromaufnahme eines als Antriebseinheit
eingesetzten Elektromotors erheblich abfällt. Damit erhöht sich in vorteilhafter Weise der
Leistungsfaktor des Kolbenkompressors. Wie Versuche ergaben werden Bedingungen
erreicht, die einen annähernd konstanten Momentenbedarf (Nennlastbedingungen) ent
sprechen. Daher braucht die Antriebseinheit in Form eines Elektromotors nicht mehr über
dimensioniert werden. Damit kann entsprechend des Leistungsbedarfs der Verdichtereinheit
konstruktiv ausgelegt werden. Bei einem Hydraulikmotor als Antriebseinheit braucht kein
oder nur ein sehr kleines Schwungrad vorgesehen werden. Besonders der Anteil 1 Ordnung
im Lastmoment wird extrem reduziert, was insbesondere spürbare Schwingungen vermeidet.
Damit eröffnet sich der weitere Vorteil, daß der erfindungsgemäße Kolbenkompressor mit
einer relativ steifen Lagerung auskommt, weil Schwingungen ja nur in höheren Ordnungen
signifikant auftreten.
Besonders vorteilhaft ist eine konstruktive Gestaltung, bei der die Kurbelwelle genau drei
Kröpfungen aufweist, um insgesamt sechs Kolben zum Komprimieren von Luft anzutreiben,
wobei vier Kolben der Niederdruckstufe und zwei Kolben der Hochdruckstufe zugeordnet
sind. Aber auch bei einer anderen geradzahligen Anzahl von Kolben in der Hoch- und
Niederdruckstufe ergeben sich die erfindungsgemäßen Vorteile.
Vorzugsweise sind die beiden zur Hochdruckstufe gehörenden Kolben einer der außen
liegenden Kröpfungen zugeordnet, um eine belastungsoptimale Anordnung zu treffen.
Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme kann durch Zusatzmassen an
den Pleuel und/oder Kolben der zur Hochdruckstufe benachbarten Niederdruckstufe ein be
sonders effektiver dynamischer Ausgleich oszillierender Massen der zur Hochdruckstufe ge
hörigen Kolben sowie der zur nicht benachbarten Niederdruckstufe gehörigen Kolben reali
siert werden. Dasselbe Ziel kann bei Bedarf auch durch einen zusätzlichen nicht luftkompri
mierenden Blindkolben erreicht werden. Ein dynamischer Ausgleich rotierender Massen des
Kurbeltriebes der Hochdruckstufe kann vorzugsweise durch Zusatzmassen auf der Kurbel
welle erfolgen. Die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Konstruktion verwen
deten Zusatzmassen können wegen der ohnehin optimalen Drehgleichförmigkeit des Kolben
kompressors relativ klein ausgeführt werden, so daß die Gesamtmasse des Kolbenkompres
sors hierdurch nicht übermäßig ansteigt.
Vorzugsweise sind die Kolben der Verdichtereinheit vertikal stehend oder horizontal liegend
oder in einem spitzen Winkel zur Horizontalen V-förmig angeordnet, um günstige Kräftever
hältnisse im Zusammenwirken mit der Kurbelwelle zu schaffen.
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen sind in den abhängigen Ansprüchen ange
geben oder werden nachfolgend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Aus
führungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung näher dargestellt. Die einzige Figur
der Zeichnung zeigt einen Längsschnitt durch eine Verdichtereinheit eines erfindungs
gemäßen schwingungsarmen mehrstufigen Kolbenkompressors.
Die Verdichtereinheit 1 wird stirnseitig von einer hieran angeflanschten und eine Drehbe
wegung erzeugenden (nicht weiter dargestellten) Antriebseinheit 2 angetrieben. Zum lös
baren Anschluß der Antriebseinheit 2 ist eine Kupplung 3 vorgesehen. Die Verdichtereinheit
1 ist in diesem Ausführungsbeispiel trockenlaufend ausgeführt und verfügt über eine gegen
überliegende Zylinderanordnung in der sogenannten 180° V-Bauweise.
Die Antriebseinheit 2 versetzt eine im Gehäuse 4 gelagerte Kurbelwelle 5 in eine Drehbe
wegung, welche in eine Hub- und Senkbewegung für sechs Kolben 6a bis 6f umgesetzt wird,
die innerhalb der am Gehäuse 3 befestigten topfartigen Zylinder 7a bis 7f zur Drucklufter
zeugung untergebracht sind. Durch die Kolbenbewegung wird aus der Atmosphäre Luft über
eine eingangsseitige hier nicht dargestellte Filteranordnung angesaugt und zweistufig ver
dichtet. Die Druckluft steht danach dem Druckluftsystem eines Schienenfahrzeuges - insbe
sondere für den Betrieb der Bremsanlage - zur Verfügung.
Die Verdichtereinheit 1 des Ausführungsbeispiels ist als zweistufiger Kolbenverdichter mit
Niederdruckstufe und Hochdruckstufe ausgeführt. Der Niederdruckstufe sind die vier
Zylinder 7a bis 7d zugeordnet; zur Hochdruckstufe gehören die Zylinder 7e und 7f. Der
lineare Antrieb der Kolben 6a bis 6f erfolgt über eine Kurbeltriebanordnung mittels zuge
ordneter Pleuel 8a bis 8f, die je auf der den zugeordneten Kolben 6a bis 6f gegenüber
liegenden Seite mit der Kurbelwelle 5 über Wälzlager verbunden sind. Die kolbenseitige
Befestigung der Pleuel 8a bis 8f erfolgt über je eine Kolbenbolzenanordnung mit Nadellager,
die eine schwenkbare Verbindung mit dem zugeordneten Kolben 6a bis 6f herstellt.
Um eine schwingungsarme Anordnung zu erhalten, sind auf jeder Kröpfung 9a bis 9c der
Kurbelwelle 5 genau zwei Pleuel 8a, 8b bzw. 8c, 8d bzw. 8e, 8f angeordnet, die gegenüber
liegenden Kolben 6a, 6b bzw. 6c, 6d bzw. 6e, 6f zugeordnet sind. Hierbei sind die einander
benachbarten Kröpfungen 9a, 9b sowie 9b, 9c im wesentlichen 180° zueinander versetzt
angeordnet.
Ein zusätzlicher dynamischer Ausgleich oszillierender Massen der zur Hochdruckstufe
gehörigen Kolben 6e und 6f sowie der zur nicht benachbarten Niederdruckstufe gehörigen
Kolben 6a und 6b erfolgt durch Zusatzmassen an den Pleuel 8c, 8d der benachbarten Nieder
druckstufe, die insoweit mit einem größeren Materialquerschnitt und mit einer entsprechend
günstigen Masseverteilung ausgebildet sind. Ein dynamischer Ausgleich rotierender Massen
des Kurbeltriebes der Hochdruckstufe erfolgt durch Zusatzmassen 10a, 10b auf der
Kurbelwelle 5.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend nur exemplarisch angegebene Aus
führungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, die trotz abweich
ender konstruktiver Ausgestaltung in den durch die Ansprüche definierten Schutzbereich ein
greifen können. So ist die vorliegende Erfindung insbesondere nicht auf die vorstehend
beschriebene 6-Zylinder-Anordnung beschränkt. Auch andere geradzahlige Konfigurationen
sind denkbar.
1
Verdichtereinheit
2
Antriebseinheit
3
Kupplung
4
Gehäuse
5
Kurbelwelle
6
Kolben
7
Zylinder
8
Pleuel
9
Kröpfung
10
Zusatzmasse
Claims (12)
1. Schwingungsarmer mehrstufiger Kolbenkompressor, insbesondere für
Schienenfahrzeuge, mit einer Niederdruckstufe und mindestens einer darauffolgenden Hoch
druckstufe, der im wesentlichen aus einer eine Drehbewegung erzeugenden Antriebseinheit
(2) und einer nachgeschalteten Verdichtereinheit (1) besteht, welche mehrere an einem
Gehäuse (3) für eine Kurbelwelle (5) angeordnete topfartige Zylinder (7a bis 7f) für innen
liegende Kolben (6a bis 6f) aufweist, wobei die über die Antriebseinheit (2) angetriebene
Kurbelwelle (5) ihre Drehbewegung über auf Kröpfungen (9a bis 9c) angeordnete Pleuel (8a
bis 8f) in eine lineare Bewegung für jeden zugeordneten Kolben (6a bis 6f) zum Kompri
mieren von angesaugter Luft umwandelt,
dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder Kröpfung (9a bis 9c) der Kurbelwelle (5) zwei
Pleuel (8a, 8b; 8c, 8d; 8e, 811) angeordnet sind, die gegenüberliegenden Kolben (6a, 6b; 6c,
6d; 6e, 6f) zugeordnet sind, wobei benachbarte Kröpfungen (9a, 9b; 9b, 9c) im wesentlichen
180° zueinander versetzt angeordnet sind.
2. Schwingungsarmer mehrstufiger Kolbenkompressor nach Ansprüch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle (5) genau drei Kröpfungen (9a bis 9b) auf
weist, um insgesamt sechs Kolben (6a bis 6f) zum Komprimieren von Luft anzutreiben,
wobei vier Kolben (6a bis 6d) der Niederdruckstufe und zwei Kolben (6e und 6f) der Hoch
druckstufe zugeordnet sind.
3. Schwingungsarmer mehrstufiger Kolbenkompressor nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die beiden zur Hochdruckstufe gehörenden Kolben (6e und
6f) einer der außenliegenden Kröpfungen (9c) zugeordnet sind.
4. Schwingungsarmer mehrstufiger Kolbenkompressor nach einem der
vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß ein dynamischer Ausgleich oszillierender Massen der zur
Hochdruckstufe gehörigen Kolben (6e und 6f) sowie der zur nicht benachbarten Niederdruck
stufe gehörigen Kolben (6a und 6b) durch Zusatzmassen an den Pleuel (8c, 8d) und/oder
Kolben (6c, 6d) der benachbarten Niederdruckstufe erfolgt.
5. Schwingungsarmer mehrstufiger Kolbenkompressor nach einem der vor
stehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß ein dynamischer Ausgleich oszillierender Massen der zur
Hochdruckstufe gehörigen Kolben (6e, 6f) sowie der zur nicht benachbarten Niederdruck
stufe gehörigen Kolben (6a, 6b) durch einen nicht luftkomprimierenden Blindkolben erfolgt.
6. Schwingungsarmer mehrstufiger Kolbenkompressor nach einem der
vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß ein dynamischer Ausgleich rotierender Massen des Kurbel
triebes der Hochdruckstufe durch Zusatzmassen (10a, 10b) auf der Kurbelwelle (5) erfolgt.
7. Schwingungsarmer mehrstufiger Kolbenkompressor nach einem der vor
stehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinheit (2) nach Art eines Elektromotors oder
eines Hydromotors oder einer Verbrennungskraftmaschine ausgeführt ist.
8. Schwingungsarmer mehrstufiger Kolbenkompressor nach einem der
vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebseinheit (2) ein Riemengetriebe nachgeschaltet ist,
das abtriebsseitig mit der Verdichtereinheit (1) verbunden ist.
9. Schwingungsarmer mehrstufiger Kolbenkompressor nach einem der
vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß im Kraftfluß zwischen der Antriebseinheit (2) und der
Verdichtereinheit (1) eine Kardanwelle als Kraftübertragungselement angeordnet ist.
10. Schwingungsarmer mehrstufiger Kolbenkompressor nach einem der
vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (6a bis 6f) der Verdichtereinheit (1) vertikal
stehend oder horizontal liegend oder in einem spitzen Winkel zur Horizontalen angeordnet
sind.
11. Schwingungsarmer mehrstufiger Kolbenkompressor nach einem der
vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtereinheit (1) trockenlaufend oder ölgeschmiert
ausgeführt ist.
12. Schwingungsarmer mehrstufiger Kolbenkompressor nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß im Falle einer trockenlaufenden Verdichtereinheit (1) die zu
komprimierende Luft von der Niederdruckstufe über das Gehäuse (4) der Verdichtereinheit
(1) ansaugbar ist, wobei ein mit einem Rückschlagventil ausgerüsteter Luftfilter am Gehäuse
(4) angebracht ist.
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