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Die
Erfindung betrifft einen Kolbenkompressor mit einem in eine Hubrichtung
bewegbaren Kolben und einer Pleuelstange, die über eine Gelenkanordnung mit
einem Kurbelauge verbunden ist, wobei die Gelenkanordnung eine erste
Verbindungsgeometrie und eine zweite Verbindungsgeometrie aufweist, von
denen eine mit dem Kurbelauge und eine mit der Pleuelstange verbunden
ist.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand eines Kältemittelkompressors beschrieben,
wie er beispielsweise in Haushalts-Kühl- oder Gefriergeräten eingesetzt
wird. Ein derartiger Kompressor muß über längere Zeit praktisch wartungsfrei
arbeiten können und
soll dabei einen guten Wirkungsgrad behalten. Gleiches gilt natürlich auch
für andere
Kompressoren und Kolbenmaschinen, bei denen die Erfindung ebenfalls
anwendbar ist.
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Aus
diesem Grund muß der
Kolben des Kompressors mit einer sehr großen Genauigkeit an den Zylinder
angepaßt
sein. Nur so läßt sich
eine ausreichende Dichtigkeit bei der Bewegung des Kolbens im Zylinder
erreichen, wenn das Kältemittelgas komprimiert
wird. Diese Dichtigkeit hängt
davon ab, daß der
Spalt zwischen der Zylinderwand und dem Kolben so klein wie möglich ist.
Eine derartige Bedingung läßt sich
durch eine genaue Anpassung des Kolbens an den Zylinder realisieren.
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Als
weitere Bedingung kommt jedoch hinzu, daß sich der Kolben möglichst
genau entlang der Achse des Zylinders bewegt. Dies läßt sich
bei Kompressoren, die in großen
Stückzahlen
produziert werden, nicht immer mit der notwendigen Genauigkeit realisieren.
Voraussetzung hierfür
ist beispielsweise, daß die
Achse der Kurbelwelle und die Achse des Zylinders einen rechten
Winkel miteinander einschließen.
Sobald ein Winkelfehler auftritt, ergibt sich ein erhöhter Verschleiß, weil
der Kolben im Zylinder schief bewegt wird. Dies kann dazu führen, daß der Schmierfilm
zwischen dem Kolben und der Zylinderwand abreißt. Dadurch entstehen Undichtigkeiten
im Kompressor, Verschleiß und
reduzierte Lebensdauer. Darüber
hinaus ergeben sich dann mechanische Geräusche, die unerwünscht sind.
Diese Probleme werden sogar bei kleinen Winkelfehlern in der Größenordnung
von 1/10° entstehen.
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Der
Winkelfehler kann einerseits bei der Montage entstehen. Er kann
aber auch bei einem Transport des Kompressors entstehen, wenn sich
bei diesem Transport Teile des Kompressors gegeneinander verschieben
können.
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Um
dieses Problem zu lösen,
wird in
US 5 671 655
A vorgeschlagen, die Pleuelstange nicht mehr einstückig mit
dem Kurbelauge auszubilden, wie dies zuvor gewöhnlich der Fall war, sondern
die Pleuelstange mit dem Kurbelauge über eine Gelenkanordnung zu
verbinden. Hierzu weist die Pleuelstange an ihrem dem Pleuelauge
zugewandten Ende einen zylinderartigen Abschluß auf, der quer zur Hubrichtung
und quer zur Achse des Kurbelauges gerichtet ist. Dieser Abschluß wird in
eine Ausnehmung am Kurbelauge eingelegt und durch eine Federklammer gehalten.
Damit ist es möglich,
daß sich
die Pleuelstange gegenüber
dem Kurbelauge etwas neigen kann, so daß sich in gewissen Grenzen
automatisch ein Ausgleich eines Winkelfehlers ergibt. Allerdings ist
eine derartige Konstruktion relativ aufwendig. Zusätzlich zu
der Pleuelstange und dem Kurbelauge muß auch noch eine Federklammer
gehandhabt werden, die sich unter ungünstigen Bedingungen auch wieder
vom Kurbelauge lösen
kann.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf einfache Weise einen Winkelfehler
im Kolbenkompressor zu vermeiden.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Kolbenkompressor der eingangs genannten Art
dadurch gelöst, daß die erste
Verbindungsgeometrie einen Aufnahmeraum mit einer senkrecht zur
Hubrichtung gerichteten Wand aufweist, in den die zweite Verbindungsgeometrie
in einer Montagestellung einsteckbar ist, wobei die Pleuelstange
aus der Montagestellung gegenüber
dem Kurbelauge in eine Verriegelungsstellung verschwenkbar ist,
in der die Pleuelstange und das Kurbelauge schwenkbar, aber in Hubrichtung fest
miteinander verbunden sind.
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Bei
dieser Ausgestaltung benötigt
man nicht mehr drei Teile, um die Pleuelstange und das Kurbelauge
miteinander zu verbinden, sondern die Verbindung erfolgt durch das
Zusammenwirken der beiden Verbindungsgeometrien an Pleuelstange
und Kurbelauge selbst und vollständig.
Man kann diese beiden Teile in einer Montagestellung zusammenstecken oder
lösen.
Wenn man die beiden Teile jedoch relativ zueinander verschwenkt,
ergibt sich eine Verriegelung zwischen den beiden Teilen, die jedenfalls
in Hubrichtung unlösbar
ist, so daß die
Kurbelwelle den Kolben in der gewünschten Art und Weise bewegen kann,
auch wenn sie schief steht und den Kolben ohne diese Maßnahme schief
bewegen würde.
Da nur zwei Teile gehandhabt werden müssen, ergibt sich eine kostengünstige Möglichkeit
der Montage. Bei der Montage müssen
auch keine größeren Kräfte aufgebracht
werden. Die Verriegelung zwischen dem Kurbelauge und der Pleuelstange
erfolgt vielmehr durch ein Verschwenken der Pleuelstange gegenüber dem
Kurbelauge.
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Vorzugsweise
liegt zwischen der Montagestellung und der Verriegelungsstellung
ein Schwenkwinkel im Bereich von 70 bis 110°. Wenn das Kurbelauge und die
Pleuelstange um etwa 90° relativ
zueinander verschwenkt werden, erreicht man eine klare Entkopplung
in der Richtung, in der die beiden Teile zusammengefügt werden,
von der Hubrichtung. Dies erlaubt einen sehr zuverlässigen Betrieb
des Kolbenkompressors.
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Vorzugsweise
weist das Kurbelauge eine Mittelachse auf und eine Schwenkachse
verläuft senkrecht
und in Hubrichtung versetzt zu der Mittelachse. Die Ausrichtung
der Achsen ist damit so gewählt,
daß alle
Bewegungsmög lichkeiten,
die im Betrieb auftreten können,
abgedeckt werden. Die Pleuelstange ist sowohl gegenüber dem
Kolben als auch gegenüber
der Kurbelwelle verschwenkbar, so daß sie die Rotationsbewegung
der Kurbelwelle in die geradlinige Bewegung des Kolbens umsetzen
kann. Die Schwenkachse in der Gelenkanordnung hingegen erlaubt es,
daß die
Achse der Kurbelwelle nicht genau senkrecht zur Achse des Zylinders
verläuft.
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Bevorzugterweise
weist die Wand auf ihrer dem Aufnahmeraum zugewandten Seite einen
gekrümmten
Verlauf auf. Auch die mit der Pleuelstange verbundene Verbindungsgeometrie
weist eine entsprechend angepaßte
Krümmung
an ihrer an der Wand anliegenden Seite auf. Dies hat zwei Vorteile. Zum
einen läßt sich
bei der Verschwenkung der Pleuelstange gegenüber dem Kurbelauge in die Verriegelungsstellung
eine glatte Bewegung erreichen. Die Gefahr, daß die Pleuelstange irgendwo
mit einer scharfen Kante hängenbleibt,
ist vergleichsweise gering. In der Verriegelungsstellung liegen
dann die beiden Verbindungsgeometrien vollflächig aneinander an, so daß auch größere Kräfte problemlos übertragen
werden können.
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Vorzugsweise
ist die Wand in mindestens zwei Teilwände unterteilt, wobei zwischen
benachbarten Teilwänden
ein Zwischenraum angeordnet ist, durch den ein Teil der zweiten
Verbindungsgeometrie geführt
ist. Dies hat den Vorteil, daß die
Verbindung zwischen der Pleuelstange und dem Kurbelauge mit symmetrischen
Kräften
beaufschlagt werden kann. Die Gefahr, daß sich die Pleuelstange gegenüber dem
Kurbelauge in irgendeiner Art und Weise verkantet, ist gering. Ein
Moment, das im Betrieb zwischen dem Kurbelauge und der Pleuelstange
entsteht, kann ohne weiteres aufgenommen werden.
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Vorzugsweise
ist jede Teilwand über
eine Flanke mit dem Kurbelauge verbunden und mindestens eine Flanke
weist eine Durchgangsöffnung
auf. Durch die Durchgangsöffnung
kann weiterhin Öl
zu der Kontaktstelle in der Gelenkanordnung gelangen. Darüber hinaus
führt die
Durchgangsöffnung
zu einer kleinen Gewichtsersparnis, die sich positiv auf das Betriebsverhalten
des Kompressors auswirkt.
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Bevorzugterweise
verdickt sich die Flanke zum Kurbelauge hin. Damit läßt sich
eine zuverlässige
Befestigung der Flanke am Kurbelauge erreichen.
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Vorzugsweise
weist die Flanke in Achsrichtung des Kurbelauges eine geringere
Ausdehnung als das Kurbelauge auf. Das Kurbelauge steht also oben
und/oder unten über
die Flanke über.
Damit läßt sich
ein relativ großes
Kurbelauge mit einer relativ kleinen Verbindungsgeometrie realisieren.
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Vorzugsweise
weist die zweite Verbindungsgeometrie einen quaderförmigen Zapfen
auf, der in Verriegelungsstellung in Hubrichtung eine größere Abmessung
als parallel zur Achsrichtung des Kurbelauges aufweist. Mit dieser
Ausgestaltung läßt sich gewährleisten,
daß der
Zapfen, wenn Pleuelstange und Kurbelauge relativ zueinander in die
Verriegelungsstellung verschwenkt worden sind, nicht parallel zur
Achse des Kurbelauges aus der Gelenkanordnung herausgenommen werden
kann. Damit wird mit einer hohen Zuverlässigkeit gewährleistet,
daß die Verbindung
zwischen dem Kurbelauge und der Pleuelstange unlösbar ist, wenn die Anordnung
aus Kurbelauge und Pleuelauge erst einmal in den Kompressor eingebaut
ist. in diesem Fall verhindert nämlich der
Kolben, daß die
Pleuelstange gegenüber
dem Kurbelauge wieder in die Montagestellung verschwenkt werden
kann. Umgekehrt verhindert die Kurbelwelle, auf deren Kurbelzapfen
das Kurbelauge aufgesteckt ist, daß das Kurbelauge gegenüber der Pleuelstange
in die Montagestellung verschwenkt werden kann. Kleinere Schwenkbewegungen
sind natürlich
möglich,
weil die beiden Verbindungsgeometrien die Gelenkanordnung bilden.
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Vorzugsweise
weist der Zapfen parallel zur Achsrichtung des Kurbelauges eine
geringere Dicke als ein dem Kolben zugewandter Bereich der Pleuelstange
auf. Damit kann man die Öffnung
des Aufnahmeraumes, durch die der Zapfen eingeführt wird, in Hubrichtung entsprechend
kurzhalten. Wenn die Pleuelstange dann verschwenkt worden ist, ist
die Verbindung hergestellt, die sich so nicht mehr lösen läßt, sondern
erst durch ein Rückschwenken.
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Vorzugsweise
ist der Aufnahmeraum in Schwerkraftrichtung nach oben offen. Da
in einem Kolbenkompressor die Kurbelwelle in vielen Fällen senkrecht
steht, wird durch diese Maßnahme
zuverlässig
verhindert, daß sich
die Pleuelstange in irgendeiner Weise vom Kurbelauge lösen kann.
Auch kann man auf diese Weise sicherstellen, daß die Verbindung zwischen der
Pleuelstange und dem Kurbelauge durch Öl, das von einer Kompressorkapsel
herabtropft, geschmiert werden kann.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:
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1 eine
Seitenansicht eines Kompressors, teilweise im Schnitt,
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2 eine
Draufsicht auf einen geöffneten Kompressors,
teilweise im Schnitt,
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3 eine perspektivische Darstellung einer Pleuelstange
mit Kurbelauge,
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4a eine
Seitenansicht von Kurbelauge und Pleuelstange,
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4b eine
Draufsicht auf Pleuelstange und Kurbelauge und
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5 verschiedene Stadien beim Zusammensetzen
von Pleuelstange und Kurbelauge.
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Ein
in 1 teilweise geschnitten dargestellter Kompressor 1 weist
einen Zylinder 2 auf, in dem ein Kolben 3 hin
und her bewegbar ist. Der Kolben 3 wird von einer Kurbelwelle 4 angetrieben,
die einen Kurbelzapfen 5 aufweist, der um die nicht näher dargestellte
Achse der Kurbelwelle 4 orbitiert.
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Der
Kolben 3 ist mit dem Kurbelzapfen 5 über eine
Pleuelstangenanordnung 6 verbunden, die anhand der 3 und 4 näher erläutert werden
soll.
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Die
Pleuelstangenanordnung 6 weist ein Kurbelauge 7 auf,
das im montierten Zustand auf den Kurbelzapfen 5 aufgesetzt
ist. Der Kurbelzapfen 5 dreht sich im Betrieb innerhalb
des Kurbelauges 7.
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Ferner
weist die Pleuelstangenanordnung 6 eine Pleuelstange 8 auf,
die an ihrem kolbenseitigen Ende ein Pleuelauge 9 aufweist,
durch das ein Bolzen 10 geführt ist, mit dessen Hilfe die
Pleuelstange 8 am Kolben 3 befestigt ist. Die
Achsen von Kurbelauge 7 und Pleuelauge 9 verlaufen
im wesentlichen parallel zueinander.
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Die
Pleuelstange 8 ist mit dem Kurbelauge 7 über eine
Gelenkanordnung 11 verbunden, die es ermöglicht,
daß sich
das Kurbelauge 7 und die Pleuelstange 8 relativ
zueinander neigen können.
Damit wird es möglich,
einen Kompressor 1 auch dann zu betreiben, wenn die Achse
des Kurbelzapfens 5 nicht mehr parallel zur Achse des Bolzens 10 verläuft. Ohne
die Gelenkanordnung 11 besteht die Gefahr, daß der Kolben 3 schief
im Zylinder 2 bewegt wird.
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Die
Gelenkanordnung 11 weist eine erste Verbindungsgeometrie 12 auf,
die mit dem Kurbelauge 7 verbunden ist und eine zweite
Verbindungsgeometrie 13, die mit der Pleuelstange 8 verbunden
ist.
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Die
erste Verbindungsgeometrie 12 weist einen Aufnahmeraum 14 auf,
der in eine Richtung parallel zur Achse des Kurbelauges 7 offen
ist. Der Aufnahmeraum 14 ist durch zwei Teilwände 15a, 15b in Hubrichtung
begrenzt. Die Hubrichtung ist die Richtung, in der sich der Kolben 3 im
Betrieb bewegt. Auf der den Teilwänden 15a, 15b gegenüberliegenden Seite
ist der Aufnahmeraum 14 durch das Kurbelauge 7 selbst
begrenzt. Die Teilwände 15a, 15b sind, wie
dies aus 3b hervorgeht, auf ihrer dem
Aufnahmeraum 14 zugewandten Seite konkav gewölbt, d.h.
sie weisen einen gekrümmten
Verlauf 16 auf.
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Zwischen
den beiden Teilwänden 15a, 15b befindet
sich ein Zwischenraum 21, durch den im montierten Zustand
die Pleuelstange 8 mit ihrem dem Kurbelauge 7 zugewandten
Ende, das als Teil der zweiten Verbindungsgeometrie 13 betrachtet
werden kann, geführt
ist. Damit läßt sich
sicherstellen, daß die
Verbindung zwischen der Pleuelstange 8 und dem Kurbelauge 7 quer
zur Hubrichtung symmetrisch ausgebildet ist. Die Kraftbeaufschlagung
ist also sehr gleichmäßig.
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Der
Zapfen 19 weist in einer Richtung parallel zur Achse 20 des
Kurbelauges 7 eine geringere Dicke als ein dem Pleuelauge 9 und
damit dem Kolben 3 zugewandter Bereich der Pleuelstange 8 auf. Damit
ist es möglich,
die Öffnung
des Aufnahmeraums 14, durch die der Zapfen 19 eingeführt werden muß, in Hubrichtung
relativ kurz zu halten, was wiederum die Verriegelung zwischen dem
Kurbelauge 7 und der Pleuelstange 8 erleichtert.
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Da
der Aufnahmeraum 14 in der in 1 dargestellten
Montageposition des Kompressors 1 nach oben offen ist,
wird Schmieröl,
das sich an einer nicht näher
dargestellten Deckelwand des Kompressors 1 innen sammelt
und dann nach unten tropft, auch die Gelenkanordnung 11 schmieren
können,
so daß,
wenn dies notwendig sein sollte, die Pleuelstange 8 gegenüber dem
Kurbelauge 7 relativ verlustfrei verschwenkt werden kann.
Dieses Öl kann
dann aus der Durchgangsöffnung 18 in
den Flanschen 17a, 17b abfließen.
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Die
beiden Teilwände 15a, 15b sind über Flansche 17a, 17b mit
dem Kurbelauge 7 verbunden, wobei sich die Flansche 17a, 17b nicht über die
gesamte Höhe,
also die gesamte Axialerstreckung des Kurbelauges 7 erstrecken.
Die Flansche 17a, 17b weisen eine Dicke auf, die
zum Kurbelauge 7 hin zunimmt, so daß eine relativ große Befestigungsfläche zwischen
den Flanschen 17a, 17b und dem Kurbelauge 7 realisiert
werden kann.
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Die
Flansche 17a, 17b weisen jeweils eine Durchgangsöffnung 18 auf,
die zu einer Gewichtsverminderung beiträgt. Außerdem kann Öl, das in
den nach oben offenen Aufnahmeraum 14 eindringt, hier abfließen oder,
je nach Ausrichtung des Kompressors 1 zur Schwerkraftrichtung,
in die Gelenkanordnung 11 eintreten.
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Die
zweite Verbindungsgeometrie 13 am dem Kolben 3 abgewandten
Ende der Pleuelstange 8 weist einen quaderförmigen Zapfen 19 auf,
der in Hubrichtung an beiden stirnseitigen Enden abgerundet ist.
Der Zapfen 19 hat, wie dies beispielsweise aus 4a zu
erkennen ist, in Hubrichtung (in 4a von
links nach rechts) eine größere Erstreckung
als senkrecht dazu. Mit anderen Worten ist die Länge des Zapfens 19 in
Hubrichtung größer als
seine Höhe.
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Mit
einer derartigen Ausgestaltung läßt sich die
Pleuelstange 8 mit dem Kurbelauge 7 auf einfache
Weise verbinden, wie dies in 5 dargestellt ist.
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5a zeigt
das Kurbelauge 7 und die Pleuelstange 8 vor dem
Zusammenbau. Die Pleuelstange 8 ist etwa parallel zur Achse 20 des
Kurbelauges 7 ausgerichtet.
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In
dieser Ausrichtung kann man, wie dies aus 5b zu
erkennen ist, den Zapfen 19 in den Aufnahmeraum 14 einsetzen.
Dies ist möglich,
weil der Aufnahmeraum 14 nach oben eine Öffnung aufweist, in
die der Zapfen 19 mit seiner Höhe treten kann.
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Um
nun die Pleuelstange 8 mit dem Kurbelauge 7 zu
verbinden, wird, wie in 5c dargestellt, die
Pleuelstange 8 gegenüber
dem Kurbelauge 7 verschwenkt. Diese Verschwenkbewegung
erfolgt über einen
Bereich von etwa 90°,
wobei Abweichungen nach oben und unten zulässig sind. Wenn die Verschwenkbewegung
abgeschlossen ist (5d), dann ist das Kurbelauge 7 mit
der Pleuelstange 8 ebenfalls in Hubrichtung fest miteinander
verbunden. Eine Verschwenkbarkeit bleibt jedoch, weil die beiden
Verbindungsgeometrien 12, 13 die Gelenkanordnung 11 bilden.
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Die Öffnung des
Aufnahmeraums 14 nach oben ist nun aber kleiner als die
Erstreckung des Zapfens 19 in Hubrichtung, so daß in der
in 5d dargestellten Verriegelungsstellung die Pleuelstange 8 und
das Kurbelauge 7 nicht mehr voneinander getrennt werden
können.
Dies ist erst dann wieder möglich,
wenn die Pleuelstange 8 gegenüber dem Kurbelauge 7 in
die in 5b dargestellte Montagestellung verschwenkt
werden.
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Wenn
der Kompressor 1, wie in 1 und 2 dargestellt,
montiert ist, dann ist es zwar möglich,
daß die
Gelenk anordnung 11 kleinere Schwenkbewegungen zwischen
dem Kurbelauge 7 und der Pleuelstange 8 zuläßt, so daß man einen
Winkelfehler ausgleichen kann. Eine weitergehende Verschwenkung
wird jedoch durch die Zuordnung von Kurbelzapfen 5 und
Kolben 3 verhindert, so daß sich ein versehentliches
Lösen der
Gelenkanordnung 11 nicht ergeben kann.
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Die
dargestellte Gelenkanordnung 11 erlaubt es nun, daß die Pleuelstange 8 sowohl
gegenüber dem
Kolben 3 verschwenkt wird, wobei der Bolzen 10 die
Schwenkachse bildet, als auch, daß das Kurbelauge 7 gegenüber der
Pleuelstange 8 verschwenkt wird, so daß Winkelfehler ausgeglichen
werden können.