DE102004061236B3

DE102004061236B3 - Kolben-Zylinder-Anordnung für einen Kolbenverdichter

Info

Publication number: DE102004061236B3
Application number: DE102004061236A
Authority: DE
Inventors: Dieter Spurny; Dieter Weisse
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: 2004-12-20
Filing date: 2004-12-20
Publication date: 2006-08-31
Anticipated expiration: 2024-12-21
Also published as: EP1831562B1; EP1831562A1; DE502005004481D1; ATE398731T1; WO2006066828A1

Abstract

Kolben-Zylinder-Anordnung für einen Kolbenverdichter, insbesondere für einen Taumelscheibenverdichter, mit einem in einem Zylinder (1) axial bewegbaren Kolben (2) aus Leichtmetall, der über mindestens eine in Kolbenbewegungsrichtung durch eine Durchgangsbohrung (4) des Kolbens (2) hindurch verlaufende Befestigungsschraube (5) stirnseitig an einer Kolbenstange (6) befestigt ist, DOLLAR A wobei die Durchgangsbohrung (4) des Kolbens (2) eine Senkung aufweist und eine Befestigungsbuchse (7) mit einem kreisringförmigen Bodenabschnitt (12) und einem benachbarten hohlzylinderartigen Wandabschnitt (13) vorgesehen ist, die in die Senkung der Durchgangsbohrung (4) zur Aufnahme des Kopfes der Befestigungsschraube (5) hineinragt und die über einen sich dem Wandabschnitt (13) der Befestigungsbuchse (7) anschließenden und nach Radialaußen hin erstreckenden Randabschnitt (14) an den benacharten Kolbenflächen (9) zuur Anlage kommt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kolben-Zylinder-Anordnung für einen Kolbenverdichter, insbesondere für einen Taumelscheibenverdichter, mit einem in einem Zylinder angeordneten axial bewegbaren Kolben aus Leichtmetall, der über mindestens eine in Kolbenbewegungsrichtung durch eine Durchgangsbohrung des Kolbens hindurch verlaufende Befestigungsschraube stirnseitig an einer Kolbenstange befestigt ist.
Das Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung bezieht sich vornehmlich auf Taumelscheibenverdichter, welche eine Spezialform von Kolbenverdichtern zur Erzeugung von Druckluft darstellen.
Taumelscheibenverdichter kommen beispielsweise bei Nutzfahrzeugen zur Anwendung. In Nutzfahrzeugen werden diese meist direkt über den Motor des Nutzfahrzeugs angetrieben und liefern die Druckluftzuspeisung des Druckluft-Bordnetzes. Bei Nutzfahrzeugen wird die so erzeugte Druckluft beispielsweise zum Betrieb einer Druckluft-Bremsanlage genutzt.

Aus der EP 0 859 151 A2 geht ein Taumelscheibenverdichter zur Drucklufterzeugung in Nutzfahrzeugen hervor, welcher hier weitestgehend trockenlaufend konstruiert ist. Dieser weist lediglich ein herkömmliches ölgeschmiertes Triebwerk auf, welches im Wesentlichen aus einer auf einer Antriebswelle angeordneten Taumelscheibe mit Halbkugeln in Lagerpfannen besteht, die eine Lageranordnung zur Übertragung der Drehbewegung in eine oszillierende Bewegung bilden. Von der Lageanordnung aus verlaufen Kolbenstangen zu diversen Kolben, welche durch eine Hin- und Herbewegung in zugeordneten Zylindern die Druckluft erzeugen. Hierbei sind mehrere Kolben auf einem Umfangskreis benachbart zueinander angeordnet, um eine möglichst hohe Förderleistung des Taumelscheibenverdichters zu realisieren.

Die gewöhnlich aus einem Leichtmetall bestehenden Kolben sind mit für den ölfreien Trockenlauf geeigneten Kolbenringen bestückt, so dass der Kolben sich berührungsfrei in der Zylinderbohrung bewegt. Die Befestigung des aus Leichtmetall bestehenden Kolbens an der Kolbenstange erfolgt hier über eine zentrale Befestigungsschraube, welche koaxial zur Kolbenstange sowie zur Längsachse des Kolbens verläuft und in eine korrespondierende Gewindegrundbohrung an der dem Kolben zugewandten Stirnseite der Kolbenstange zum Eingriff kommt. Zu diesem Zwecke ist der Kolben mit einer Durchgangsbohrung versehen. Um einen Materialabtrag von der druckkammerseitigen Kolbenfläche beim Festziehen der Befestigungsschraube zu vermeiden, ist hier eine dazwischen angeordnete Unterlegscheibe vorgesehen.

Ein Nachteil dieser Lösung des Standes der Technik besteht darin, dass der Kopf der Befestigungsschraube über die Kolbenfläche hervorsteht, so dass seitens des Zylinders eine korrespondierende Ausnehmung zur Aufnahme des Kopfes der Befestigungsschraube erforderlich ist. Weiterhin strömt die heiße, verdichtete Druckluft um den Kopf der Befestigungsschraube herum, um schließlich aus dem Zylinder auszuströmen. Hierdurch kommt es zu einer extremen Aufheizung der Befestigungsschraube, so dass die Verbindungsstelle zwischen der Befestigungsschraube und der Kolbenstange durch die herrschenden Temperaturunterschiede unerwünschten Wechselspannungen ausgesetzt ist.

Aus der DE 299 06 232 U1 geht ein Kolbenverdichter hervor, dessen Kolbenstange einstückig mit dem Kolben ausgebildet ist. Eine Senkschraube ist zum Halten einer Klemmplatte in eine Gewindegrundbohrung des Kolbens eingeschraubt. Diese Lösung vermeidet, dass der Kopf der Befestigungsschraube über die Kolbenfläche hervorsteht. Allerdings ist die untere Kolbenfläche hierfür mit Verstärkungsrippen zu verstärken.

Die US 3,036,873 zeigt eine andere Lösung zur Befestigung einer Kolbenstange am Kolben, bei welcher der Kopf der Befestigungsschraube nicht über die Kolbenfläche hervorsteht, indem diese in einer korrespondierenden Senkung des Kolbens untergebracht ist. Zur Sicherung der Schraubverbindung ist eine Unterlegscheibenanordnung in zweifacher Ausführung, bestehend je aus einer Federscheibe und einer Stahlscheibe, vorgesehen. Diese Lösung erweist sich wegen der vielen Einzelteile recht aufwendig in der Herstellung und Montage.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Kolben-Zylinder-Anordnung der vorstehend beschriebenen Art dahingehend weiter zu verbessern, dass mittels mindestens einer Befestigungsschraube eine zuverlässige Schraubverbindung des Kolbens an der Kolbenstange mit einfachen technischen Maßnahmen realisierbar ist.

Die Aufgabe wird ausgehend von einer Kolben-Zylinder-Anordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die Durchgangsbohrung des Kolbens eine Senkung aufweist, wobei eine Befestigungsbuchse mit einem kreisringförmigen Bodenabschnitt und einem benachbarten hohlzylinderartigen Wandabschnitt vorgesehen ist, die in die Senkung der Durchgangsbohrung zur Aufnahme des Kopfes der Befestigungsschraube hineinragt, und die über einen sich dem Wandbereich der Befestigungsbuchse anschließenden und nach radial außen hin erstreckenden Randbereich an der benachbarten Kolbenfläche zur Anlage kommt.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht insbesondere darin, dass es hiermit möglich wird, den Kopf der Befestigungsschraube vorzugsweise vollständig zu versenken. Ein Überstand wird somit weitestgehend vermieden. Ohne die erfindungsgemäß ausgebildete Befestigungsbuchse wäre ein Versenken der Befestigungsschraube im Material des Kolbens nicht möglich, da die erforderlichen Materialstärken des aus Leichtmetall bestehenden Kolbens eine zuverlässige Befestigung nicht sicherstellen würden. Erst durch die zusätzliche Befestigungsbuchse, welche vorzugsweise aus Stahl besteht, ist es möglich, den Kopf der Befestigungsschraube zu versenken und eine günstige Druckluftführung im Verdichtungsraum darzustellen. Die heiße, verdichtete Druckluft muss nicht mehr am Kopf der Befestigungsschraube vorbei ausströmen. Die Befestigungsschraube erwärmt sich also nicht mehr so stark, so dass die hiermit im Zusammenhang stehenden Temperaturunterschiede nicht mehr ins Gewicht fallen, und unerwünschte Wechselspannungen nicht mehr auftreten. Vielmehr wird die Verbindungsstelle zur Kolbenstange hin durch die günstigere Druckluftführung thermisch entlastet.

Vorteilhafter Weise ist vorgesehen, dass die die Befestigungsbuchse aufnehmende Senkung im Kolben in der Tiefe größer ausgeführt ist als die axiale Länge der Befestigungsbuchse, so dass durch Anziehen der Befestigungsschraube ein axialer Toleranzausgleich erfolgt.

Fertigungsbedingte Bauteiltoleranzen am Kolben können somit in einfacher Weise bei gleichzeitiger Sicherung der Schraubverbindung ausgeglichen werden.

Gemäß einer die Erfindung verbessernden Maßnahme kann die Befestigungsbuchse daneben auch zur Klemmbefestigung mindestens einer Sauglamelle am Kolben durch Einspannen der zungenartigen Sauglamelle zwischen der Oberfläche des Kolbens und dem Randabschnitt der Befestigungsbuchse verwendet werden. Da die Befestigungsbuchse in diesem Fall eine weitere Funktion übernimmt, kann auf separate Befestigungsmittel für die Sauglamelle verzichtet werden. Die Sauglamelle wirkt an dieser Stelle als Rückschlagventil beim Ansaugen der Druckluft. Die angesaugte Druckluft wird insoweit durch den Kolben hindurch in den Druckraum gefördert und hier komprimiert.

In diesem Zusammenhang ist gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme vorgesehen, dass der Randabschnitt der Befestigungsbuchse in der Dicke sich verjüngend ausläuft, um einen Öffnungswinkel zur Bewegungsbegrenzung der hier eingespannten Sauglamelle zu schaffen.

Weiterhin ist es von Vorteil, wenn der Randabschnitt radial außen eine abgerundete Abrollkante aufweist. Die abgerundete Abrollkante dient einer Vermeidung von Brüchen der hier eingespannten mindestens einen Sauglamelle. Ohne diese Maßnahme bestünde die Gefahr, dass die Sauglamelle aufgrund der durch das Öffnen und Schließen des Rückschlagventils auftretenden Wechselbeanspruchung an der Einspannstelle zur Befestigungsbuchse hin derart geknickt wird, dass hier im laufe der Zeit eine Bruchstelle entsteht.

Gemäß einer weiteren, die Erfindung verbessernden Maßnahme sollte der sich nach radial außen hin erstreckende Randabschnitt der Befestigungsbuchse unter einem Winkel von < 90° zu dem hohlzylindrischen, benachbarten Wandabschnitt angeordnet sein. Hierdurch wird eine axiale Federwirkung der Befestigungsbuchse beim Anziehen der Befestigungsschraube gewährleistet, was die Schraubverbindung zusätzlich sichert und den axialen Toleranzausgleich ermöglicht, da der federnde Randbereich als eine Art Federscheibe wirkt. Sollte die Befestigungsbuchse gleichzeitig auch der Klemmbefestigung von Sauglamellen dienen, so ist durch den federnden Randabschnitt der Öffnungswinkel sichergestellt.

Vorzugsweise ist die aus Stahl bestehende Befestigungsbuchse durch Tiefziehen, Prägen und Stanzen hergestellt. Somit lasst diese sich fertigungstechnisch in denkbar einfacher Weise produzieren.

Es ist ausreichend, wenn die Befestigungsbuchse bei Anwendung innerhalb eines Taumelscheibenverdichters üblicher Größen eine Dicke von 0,3 bis 1,5 Millimeter, vorzugsweise 0,5 bis 1 Millimeter aufweist. Diese relativ geringe Dicke ist ausreichend, um die erfindungsgemäßen Vorteile hervorzurufen. Insbesondere in diesem Dickebereich sollte der Übergang zwischen dem kreisringförmigen Bodenabschnitt zu dem benachbarten zylindrischen Wandabschnitt genauso wie der Übergang zwischen dem hohlzylindrischen Wandabschnitt zu dem kreisringförmigen Randabschnitt mit einem Radius im Bereich von 0,5 bis 1 Millimeter versehen sein. Radien in diesem Bereich sind hinreichend, um eine Rissbildung bei der Herstellung der Befestigungsbuchse (Tiefziehen) zu vermeiden.

Weiter die Erfindung verbessernden Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
1 eine Kolben-Zylinder-Einheit eines Taumelscheibenverdichters,
2 eine Befestigungsbuchse zur Befestigung des Kolbens an der Kolbenstange der Kolben-Zylinder-Einheit nach 1 im nicht-eingebauten Zustand, und
3 die Befestigungsbuchse nach 1 im eingebauten Zustand.
Gemäß 1 besteht die hier dargestellte Kolben-Zylinder-Anordnung aus einem Zylinder 1, in welchem ein Kolben 2 axial hin- und her bewegbar angeordnet ist. Der Kolben 2 besteht hier aus Aluminium. Der Kolben 2 ist mit einer außenradialen Kolbenringanordnung 3 versehen, welche mit der Innenwandung des Zylinders 2 in Kontakt steht. Der Kolben 2 weist eine zentrale Durchgangsbohrung 4 auf durch welche sich eine Befestigungsschraube 5 erstreckt. Mittels der Befestigungsschraube 5 erfolgt eine koaxiale Befestigung des Kolbens 2 stirnseitig an einer Kolbenstange 6. Die Kolbenstange 6 überträgt eine axiale Bewegung seitens des Triebwerks des – hier nicht weiter dargestellten – Taumelscheibenverdichters.
Die zur Aufnahme der Befestigungsschraube 5 dienende Durchgangsbohrung 4 im Kolben 2 ist mit einer Senkung versehen. Die Senkung dient der Aufnahme einer Befestigungsbuchse 7, welche zwischen dem Kolben 2 und der Befestigungsschraube 5 wirkt. Die Befestigungsbuchse 7 besteht aus Stahl und unterstützt insoweit die Verbindungsstelle zwischen der Befestigungsschraube 5 und dem aus Aluminium bestehenden Kolben 2.
Daneben dient die Befestigungsbuchse 7 auch einer Klemmbefestigung mindestens einer Sauglamelle 8 am Kolben 2. Diese Klemmbefestigung wird durch Einspannen der Sauglamelle 8 zwischen der Kolbenfläche 9 und der Befestigungsbuchse 7 erzielt. Die Sauglamelle 8 bildet mit einer korrespondierenden außermittigen Durchgangsbohrung 10 im Kolben 2 ein Rückschlagventil, welches einem Ansaugen von Luft aus der Atmosphäre durch den Kolben hindurch dient. Nach Komprimierung der so angesaugten Luft wird diese über ein stirnseitig am Zylinder angeordnetes Auslassventil 11 abgegeben.
Gemäß 2 besteht die Befestigungsbuchse 7 aus einem kreisringförmigen Bodenabschnitt 12, dem sich ein benachbarter hohlzylinderartiger Wandabschnitt 13 anschießt. Dem hohlzylinderartigen Wandabschnitt 13 wiederum schließt sich ein sich nach radial außen hin streckender Randabschnitt 14 an. Über den Randabschnitt 14 kommt die Befestigungsbuchse 7 an der Kolbenfläche 9 des Kolbens 2 zur Anlage. Der Randabschnitt 14 verläuft unter einem Winkel von < 90° zu dem hohlzylindrischen Wandabschnitt 13. Beim Festziehen der Befestigungsschraube 5 ergibt sich hieraus eine axiale Federwirkung zum Toleranzausgleich und zur Sicherung der Befestigungsschraube 5. Der Randabschnitt 14 der Befestigungsschraube 5 läuft weiterhin in der Dicke in eine Verjüngung 15 aus. Zur Vermeidung von Brüchen der hier eingespannten Sauglamelle 8 weist der Randabschnitt 14 außerdem eine außenradiale abgerundete Abrollkante 16 auf.
Die Befestigungsbuchse 7 dieses Ausführungsbeispiels besteht aus Stahlblech mit einer Dicke von 0,7 Millimetern. Hiermit korrespondierend ist der Übergang zwischen dem kreisringförmigen Bodenabschnitt 12 zu dem benachbarten zylindrischen Wandabschnitt 13 genauso wie der Übergang zwischen dem hohlzylindrischen Wandabschnitt 13 zu dem kreisringförmigen Randabschnitt 14 mit einem Radius von 0,6 Millimetern versehen.
Nach 3 ist die die Befestigungsbuchse 7 aufnehmende Senkung im Kolben 2 in der Tiefe größer ausgeführt ist als die axiale Länge der Befestigungsbuchse 7 im entspannten Zustand. Durch Anziehen der Befestigungsschraube 5 erfolgt dann ein axialer Toleranzausgleich, indem der Randbereich 14 einfedert. Der Randabschnitt 14 der Befestigungsbuchse 7 läuft in der Dicke sich verjüngend aus, um einen Öffnungswinkel 17 zur Bewegungsbegrenzung der hier eingespannten Sauglamelle 8 zu schaffen. Die Befestigungsbuchse 7 dient somit neben einer Verbesserung der Schraubverbindung hier auch als Klemmbefestigung der mindestens einen Sauglamelle 8 am Kolben 2.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abhandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, die Befestigungsbuchse aus einem mehr oder weniger starken Stahlblech mit an die Blechdecke angepassten Radien herzustellen. Dieses ist lediglich eine Dimensionierungsfrage, welche von den geometrischen Abmessungen der Kolben-Zylinder-Anordnung abhängt.

1: Zylinder
2: Kolben
3: Kolbenringanordnung
4: Durchgangsbohrung
5: Befestigungsschraube
6: Kolbenstange
7: Befestigungsbuchse
8: Sauglamelle
9: Kolbenfläche
10: Durchgangsbohrung
11: Auslassventil
12: Bodenabschnitt
13: Wandabschnitt
14: Randabschnitt
15: Verjüngung
16: Abrollkante
17: Öffnungswinkel

Claims

Kolben-Zylinder-Anordnung für einen Kolbenverdichter, insbesondere für einen Taumelscheibenverdichter, mit einem in einem Zylinder (1) axial bewegbaren Kolben (2) aus Leichtmetall, der über mindestens eine in Kolbenbewegungsrichtung durch eine Durchgangsbohrung (4) des Kolbens (2) hindurch verlaufende Befestigungsschraube (5) stirnseitig an einer Kolbenstange (6) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsbohrung (4) des Kolbens (2) eine Senkung aufweist, wobei eine Befestigungsbuchse (7) mit einem kreisringförmigen Bodenabschnitt (12) und einem dem Bodenabschnitt (12) benachbarten hohlzylinderartigen Wandabschnitt (13) vorgesehen ist, die in die Senkung der Durchgangsbohrung (4) zur Aufnahme des Kopfes der Befestigungsschraube (5) hineinragt und die über einen sich dem Wandabschnitt (13) der Befestigungsbuchse (7) anschließenden und nach radial außen hin erstreckenden Randabschnitt (14) an der benachbarten Kolbenfläche (9) zur Anlage kommt.
Kolben-Zylinder-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die Befestigungsbuchse (7) aufnehmende Senkung im Kolben (2) in der Tiefe größer ausgeführt ist als die axiale Länge der Befestigungsbuchse (7), so dass durch Anziehen der Befestigungsschraube (5) ein axialer Toleranzausgleich erfolgt.
Kolben-Zylinder-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsbuchse (7) daneben auch zur Klemmbefestigung mindestens einer Sauglamelle (8) am Kolben (2) durch Einspannen zwischen der Kolbenfläche (9) und dem Randabschnitt (14) dient.
Kolben-Zylinder-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der sich nach radial außen hin erstreckende Randabschnitt (14) unter einem Winkel von kleiner als 90° zu dem hohlzylindrischen Randabschnitt (13) angeordnet ist, so dass der Toleranzausgleich über den axial federnden Randabschnitt (14) erfolgt.
Kolben-Zylinder-Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Randabschnitt (14) der Befestigungsbuchse (7) in eine Verjüngung (15) ausläuft, um einen Öffnungswinkel (17) zur Bewegungsbegrenzung der hier eingespannten Sauglamelle (8) zu schaffen.
Kolben-Zylinder-Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Randabschnitt (14) radial außen eine abgerundete Abrollkante (16) zur Vermeidung von Brüchen der hier eingespannten mindestens einen Sauglamelle (8) aufweist.
Kolben-Zylinder-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsbuchse (7) aus einem Stahlblech besteht und durch die Fertigungsmaßnahmen Tiefziehen, Prägen und Stanzen hergestellt ist.
Taumelscheibenverdichter mit mindestens einer Kolben-Zylinder-Einheit nach einem der vorstehenden Ansprüche.