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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Spiralverdrängermaschine
für ein kompressibles Arbeitsmedium mit einem in einem
Gehäuse kreisenden Verdränger, wobei spiralförmige
Schaufeln im Gehäuse mit ebenfalls spiralförmigen
Verdrängerschaufeln des Verdrängers spiralförmig
umlaufende Arbeitskammern bilden, mit einer den Verdränger
tragenden Antriebswelle, wobei ein vorderes Ende der Antriebswelle
in einem Radialwälzlager mit Außenring und Innenring
sowie mit dazwischen angeordneten Wälzkörpern
gelagert ist.
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Hintergrund der Erfindung
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Derartige
Spiralverdrängermaschinen, welche auch als Spirallader
bezeichnet werden, sind beispielsweise aus der
DE 39 28 779 A1 und der
DE 42 07 984 A1 bekannt.
Das Hauptanwendungsgebiet derartiger Spiralverdrängermaschinen
ist die Aufladung von Brennkraftmaschinen mit komprimierter Ansaugluft
in Kraftfahrzeugen. Im Gehäuse einer Spiralverdrängermaschine
kreist zentrisch oder exzentrisch ein Verdränger, wobei
sowohl das Gehäuse als auch der Verdränger ineinander
greifende spiralförmige Schaufeln aufweisen, die zusam men
spiralförmig umlaufende Arbeitskammern bilden. Das Arbeitsmedium
wird dabei üblicherweise von einem außenliegenden
Einlass zu einem innenliegenden Auslass gefördert. Der
Verdränger sitzt drehfest auf einer Antriebswelle, welche
an ihrem vorderen Ende mit einer Riemenscheibe eines Riementriebs
verbunden ist, durch welchen der Antrieb der Antriebswelle und damit
des Verdrängers erfolgt.
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Bei
derartigen bekannten Spiralverdrängermaschinen ist das
vordere Ende der Antriebswelle in einem herkömmlichen Radialwälzlager
gelagert, welches als ein- oder mehrreihiges Rillenkugellager oder als
zweireihiges Schrägkugellager ausgebildet ist. Bei den
bislang in der Serienfertigung zum Einsatz kommenden Standardkugellagern
ergeben sich immer wieder Lagerlebensdauerprobleme und Fettgebrauchsdauerprobleme.
Diese Probleme werden durch die geforderten immer höher
werdenden Leistungen der bei Personen- oder Lastkraftwagen eingesetzten
Spiralverdrängermaschinen zunehmend kritisch, da der gleichzeitig
immer knapper werdende Bauraum eine ungenügende statische
axiale und radiale Sicherheit der verwendeten Radialwälzlager bedingt.
Die aus erhöhten Leistungen der Spiralverdrängermaschinen
resultierenden steigenden Lagertemperaturen führen zudem
zu einer Reduzierung der Fettgebrauchsdauer der im Radialwälzlager
enthaltenen Schmierstoffe.
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Eine
im Einzelanwendungsfall gewünschte höhere Steifigkeit
lässt sich bislang nur durch eine Durchmesservergrößerung
des Radialwälzlagers zur Vergrößerung
der Wälzkörperumlaufbahnen oder durch Verwendung
von Kugeln kleinerer, weniger wirksamer Durchmesser erzielen, so
dass es immer schwieriger wird, die Zielkonflikte bei der Konstruktion
von Spiralverdrängermaschinen aufzulösen.
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Aufgabe der Erfindung
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Ausgehend
von den dargelegten Nachteilen des bekannten Standes der Technik
liegt der Erfindung deshalb die Aufgabe zu Grunde, eine Spiralverdrängermaschine
zu schaffen, deren Radialwälzlager wenigstens des vorderen
Endes der Antriebswelle gegenüber herkömmlichen
Lösungen eine höhere Lebensdauer, eine höhere
Steifigkeit und eine höhere Tragfähigkeit bei
gleich bleibend kompakten Außenmaßen aufweist.
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Beschreibung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich die gestellte
Aufgabe auf überraschend einfache Art und Weise dadurch
lösen lässt, dass die Wälzkörper
des Radialwälzlagers als Kugelrollen ausgebildet sind.
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Die
Erfindung geht daher aus von einer Spiralverdrängermaschine
für ein kompressibles Arbeitsmedium mit einem in einem
Gehäuse kreisenden Verdränger, wobei spiralförmige
Schaufeln im Gehäuse mit ebenfalls spiralförmigen
Verdrängerschaufeln des Verdrängers spiralförmig
umlaufende Arbeitskammern bilden, mit einer den Verdränger
tragenden Antriebswelle, wobei ein vorderes Ende der Antriebswelle
in einem Radialwälzlager mit Außenring und Innenring
mit dazwischen angeordneten Wälzkörpern gelagert
ist. Zudem ist vorgesehen, dass die Wälzkörper
des Radialwälzlagers jeweils als Kugelrollen ausgebildet
sind, welche mit jeweils zwei symmetrisch von einer Kugelgrundform
abgeflachten sowie parallel zueinander angeordneten Seitenflächen
ausgebildet sind und gegenüber dem Durchmesser ihrer Kugelgrundform
eine um 20% bis 40% reduzierte Breite zwischen den Seitenflächen
aufweisen.
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Durch
diesen Aufbau wird vorteilhaft erreicht, dass sich das Radialwälzlager
des vorderen Endes der Antriebswelle aufgrund der geringeren Breite
der als Kugelrollen ausgebildeten Wälzkörper deutlich verbessern
lässt. Mit dem erfindungsgemäß mit Kugelrollen
ausgestatteten Radialwälzlager lässt sich ein
sonst verwendetes Standardkugellager ersetzen, was mit einer ganzen
Reihe überraschender Vorteile verbunden ist. So lässt
sich die Lagerlebensdauer bei gleichen Bauraumverhältnissen
durch Erhöhung der Anzahl der als Kugelrollen ausgebildeten
Wälzkörper steigern. Gleichzeitig lassen sich
unter Beibehaltung der Lagerlebensdauer Bauraumverhältnisse
optimieren, da mit dem erfindungsgemäß ausgebildeten
Radialwälzlager eine Reduzierung der Baurau mes in radialer
und axialer Richtung ermöglichst ist. Damit einhergehend
wird eine Reduzierung der Lagerherstellkosten erreicht, sowie die
Möglichkeit geschaffen, beispielsweise Radialwellendichtungen
in das Radialwälzlager zu integrieren.
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Ferner
wird durch die Bauraumoptimierung zusätzlicher Platz für
die Schaffung eines Fettreservoirs zur Sicherstellung der Schmierung
sowie Steigerung der Fettgebrauchsdauer gewonnen. Ebenso resultiert
das erfindungsgemäß ausgebildete Radialwälzlager
in einer deutlichen Kraftstoffersparnis durch eine Reduzierung der
Reibverluste durch das gegenüber herkömmlichen
Lösungen kleinere Kugelrollenlager. Ein weiterer Vorteil
der erfindungsgemäßen Lösung ist eine
Erhöhung der Lagersteifigkeit durch Ausbildung des Kugelrollenlagers
als zweireihiges Schrägkugelrollenlager in O-Anordnung,
was gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der
Erfindung vorgesehen ist.
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Der
Einsatz von Kugelrollen ist auf dem Gebiet von einreihigen Radialwälzlagern
an sich bekannt. So ist aus der
DE 43 34 195 A1 ein Radial-Wälzlager
bekannt, bei dem ein Teil oder alle seine Wälzkörper
aus Kugelscheiben bestehen, deren Radien der Begrenzungskreise gleich
groß sind. Dadurch soll bei der Herstellung des Lagers
eine größere Anzahl von Rollkörpern eingebaut
werden können. Beim Befüllen eines Rillenkugellagers
mit den Kugelscheiben werden diese axial zum Lager zwischen Innenring
und Außenring eingeführt. Wenn sich ihr Mittelpunkt
auf der Höhe der Rollbahnenachse befindet, werden sie um
90° gedreht, so dass ihre Kugeloberfläche in den
Rollbahnen abrollen kann. Um die Kugelscheiben in ihren Positionen
zu halten, werden sie von einem Käfig geführt. Ähnliche
Rillenkugelscheibenlager sind aus der
US
3, 020,106 und aus der
DE 311 317 A1 bekannt.
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Allerdings
fehlte es bislang an Anregungen, derartige scheibenartige Wälzkörper
auch für Spiralverdrängermaschinen zu verwenden,
da man bislang den Kugelrollen skeptisch gegenüber stand,
insbesondere, da die seitliche Führung von Kugelrollen Probleme
bereitete und zusätzliche bauliche Maßnahmen erforderte,
die bei Kugeln nicht notwendig sind.
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In
Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Kugelrollen
als Kugelscheiben oder als Ringe ausgebildet sind. In anderen praktischen
Weiterbildungen kann vorgesehen sein, dass Dichtungen in Mantelflächen
von Außenring und Innenring eingesetzt sind, wobei zwischen
den Dichtungen axial und radial innen im Radialwälzlager Schmiermittel
angeordnet ist.
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Eine
andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass in dem Radialwälzlager
eine Reihe von in einem Käfig gehalterten Kugelrollen angeordnet
ist.
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Ebenso
liegt es im Rahmen der Erfindung vorzusehen, dass das Radialwälzlager
mit den als Kugelrollen ausgebildeten Wälzkörpern
als Rillenkugelrollenlager ausgebildet ist. Alternativ dazu kann vorgesehen
sein, dass in dem Radialwälzlager zwei Reihen von in zwei
Käfigen gehalterten Kugelrollen angeordnet sind.
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Dies
wird gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung
der Erfindung noch dadurch ergänzt, dass das Radialwälzlager
als zweireihiges Schrägkugelrollenlager ausgebildet ist.
Ein derartiges zweireihiges Schrägkugellager bietet eine
Reihe von Vorteilen, insbesondere bei der Lagerung des vorderen
Endes der Antriebswelle der Spiralverdrängermaschine. Eine
besonders steife und besonders den Anforderungen an starke Zugbelastungen
durch eine an die Antriebswelle der Spiralverdichtermaschine gewachsene
Ausgestaltung ergibt sich hierbei, wenn vorgesehen ist, dass die
zwei Reihen von Kugelrollen in O-Anordnung angeordnet sind, wobei
der Druckwinkel der Kugelrollen zwischen 25° und 40° bzw.
zwischen 140° und 155° beträgt.
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In
einer besonders praktischen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen,
dass der Außenring einteilig ausgebildet ist. Besonders
vorteilhaft ist schließlich eine Ausgestaltung der Erfindung,
die sich dadurch auszeichnet, dass der Innenring einteilig oder
zweiteilig ausgebildet ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Eine
bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäß ausgebildeten
Spiralverdrängermaschine wird nachfolgend unter Bezugnahme
auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
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1 eine
Längsschnittansicht durch eine Spiralverdrängermaschine
gemäß der Erfindung;
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2 ein
Radialwälzlager aus 1 in gegenüber 1 vergrößerter
Darstellung in hälftiger Ansicht im Radialschnitt;
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3 ein
anderes Radialwälzlager einer Spiralverdrängermaschine
gemäß der Erfindung in hälftiger Ansicht
im Radialschnitt.
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Ausführliche Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
im Längsschnitt in 1 dargestellte Spiralverdrängermaschine 1,
auch Spirallader genannt, weist einen in einem Gehäuse 2 kreisenden Verdränger 3 auf.
Dieser sitzt drehfest auf einer im Gehäuse 2 gelagerten
Antriebswelle 4.
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Das
Arbeitsmedium, beispielsweise Luft bei Verwendung der Spiralverdrängermaschine
zur Aufladung von Brennkraftmaschinen, wird von einem am Umfang
des Gehäuses 2 liegenden Einlassbereich durch
spiralförmig umlaufende Arbeitskammern 5 nach
innen in den Bereich der Antriebswelle 4 gefördert
und verlässt das Gehäuse 2 über
einen oder mehrere, nicht dargestellte Auslasskanäle. Die
vorliegende Spiralverdrängermaschine weist einen doppelseitigen
Verdränger 3 mit beidseitig einer Mittenscheibe 6 angeordneten
spiralförmigen Verdrängerschaufeln 7 auf,
welche mit ebenfalls spiralförmigen Schaufeln 8 des
Gehäuses 2 zusammenwirken und Arbeitskammern 9, 9' bilden.
Zum Durchtritt des Arbeitsmediums von einer Kammerhälfte 9 zur
anderen Kammerhälfte 9' sind in der Mittenscheibe 6 nicht dargestellte
Durchlässe vorgesehen.
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Am
vorderen Ende 10 der Antriebswelle 4 ist eine
Riemenscheibe 11 befestigt, welche über einen nicht
dargestellten Riementrieb der Brennkraftmaschine die Antriebswelle 4 und
damit den Verdränger 3 antreibt. Um die durch
den Riementrieb erzeugten radialen Zugbelastungen aufzufangen, ist
das vordere Ende 10 der Antriebswelle 4 in einem
Radialwälzlager 12 mit Außenring 13 und
Innenring 14 mit dazwischen angeordneten Wälzkörpern 15 gelagert, wobei
der Außenring 13 des Radialwälzlagers 12 drehfest
in einer Ausnehmung 16 des Gehäuses 2 gelagert
ist.
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In 2 ist
das als zweireihiges Kugelrollenschräglager 17 ausgebildete
Radialwälzlager 12 aus 1 in vergrößerter
Darstellung in hälftiger Ansicht dargestellt. Der Außenring 13 weist
zwei Außenlaufbahnen 18, 19 und der Innenring 14 weist
zwei Innenlaufbahnen 20, 21 auf, in welchen jeweils
eine Reihe von Wälzkörpern 15 in O-Anordnung
angeordnet ist. Die Wälzkörper 15 sind
jeweils in einem Käfig 22, 23 gehalten.
Der Außenring 13 und der Innenring 14 weisen
jeweils Schultern auf, an welchen sich die Wälzkörper 15 in
axialer Richtung abstützen. Axial außen sind zwischen
Außenring 13 und Innenring 14 Dichtungen 24, 25 angeordnet.
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Die
Wälzkörper 15 sind erfindungsgemäß als Kugelrollen 26 mit
balligen Mantelflächen 27 und planen Seitenflächen 28, 29 ausgebildet
und weisen gegenüber dem Durchmesser ihrer Kugelgrundform eine
um 20% bis 40% reduzierte Breite zwischen den Seitenflächen 28, 29 auf.
Anders formuliert beträgt die Baubreite der Kugelrollen 26 lediglich
60% bis 80% von bislang üblicherweise zur Lagerung der
Antriebswelle 4 verwendeten Lagerkugeln von Kugellagern,
so dass sich insgesamt auch die Baubreite des Radialwälzlagers 12 reduzieren
lässt.
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Die
Kugelrollen 26 sind als Ringe ausgebildet und weisen daher
eine zentrale und axiale Bohrung auf. Hierdurch wird ein gewisses
Maß an Kompressibilität erreicht, durch welche
radiale Unwuchten ausgeglichen werden können. Es ist jedoch
auch möglich, die Kugelrollen 26 aus Vollmaterial
herzustellen, so dass die Kugelrollen 26 dann die Form
einer kreisrunden Scheibe mit balliger Man telfläche 27 aufweisen.
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Die
Dichtungen 24, 25 dienen dazu, das Radialwälzlager 12 nach
außen und innen abzudichten. Zwischen den Dichtungen 24, 25 ist
axial und radial innen im Radialwälzlager 12 nicht
dargestelltes Schmiermittel zur wartungsfreien Schmierung der Wälzkörper 15 angeordnet.
Dadurch, dass durch die geringere Breite der Kugelrollen 26 mehr
Bauraum im Radialwälzlager vorhanden ist, kann das Radialwälzlager 12 mit
einer deutlich größeren Menge an Schmiermittel
gefüllt sein.
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Weil
als Wälzkörper 15 zwei Reihen von Kugelrollen 26 in
O-Anordnung verwendet werden beträgt der Druckwinkel α =
40° bzw. der Druckwinkel α = 140°. Hierbei
haben sich aber auch abweichende Druckwinkel α, β als
vorteilhaft erwiesen, insbesondere in einem Bereich von 25° bis
40° bzw. in einem Bereich von 140° bis 155°.
Die axiale Tragfähigkeit des Radialwälzlagers 12 wird
hierdurch wesentlich erhöht, womit eine Erhöhung
der Lebensdauer einhergeht. Durch die schmale Bauweise der Kugelrollen 26 wird
gleichzeitig auch der für Fettschmierung zur Verfügung
stehende Bauraum im Radialwälzlager 12 vergrößert,
wodurch die Lebensdauer des Radialwälzlagers 12 und
damit der Spiralverdrängermaschine 1 erhöht
wird. Zur Wälzkörperführung ist jeweils
ein Käfig 22, 23 mit entsprechend angepasster Bordgeometrie
vorgesehen, welcher der Ablaufkinematik der Kugelrollen 26 genügend
freien Spielraum gewährleistet und eine funktionsstörende
Zwangsführung vermeidet.
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In 3 ist
ein Radialwälzlager 12' in hälftiger
Ansicht in Radialschnitt dargestellt. Bei diesem Radialwälzlager 12' handelt
es sich um ein einreihiges Rillenkugelrollenlager 30, mit
welchem ein einreihiges Rillenkugellager der Antriebswelle einer
Spiralverdrängermaschine ersetzt wird. Bei einer Ausgestaltung
einer Spiralverdrängermaschine, bei welcher sonst ein einreihiges
Rillenkugellager verwendet wird, kann nun das Rillenkugelrollenlager 30 eingesetzt
werden, um ähnliche Vorteile zu erreichen, welche mit dem
zuvor beschriebenen zweireihigen Schrägkugelrollenlager 17 zur
vorderen Lagerung der Antriebswelle 4 erzielt werden.
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Entsprechend
sind die ebenfalls als Kugelrollen 26 ausgebildeten Wälzkörper 15,
von denen lediglich ein Wälzkörper 15 dargestellt
ist, in einer Reihe in einem Käfig 31 gehaltert
und geführt. In eine radial innere Mantelfläche 32 des
Außenrings 13' des Radialwälzlagers 12' und
in eine radial äußere Mantelfläche 33 des
Innenrings 14' sind jeweils Laufbahnen 34, 35 eingearbeitet,
an welchen die Wälzkörper 15 abrollen.
Die Wälzkörper 15 weisen entsprechend den
an sich gleichen Kugelrollen 26 des Radialwälzlagers 12 aus 1 und 2 ballige
Mantelflächen 27 und planen Seitenflächen 28, 29 auf
und weisen gegenüber dem Durchmesser ihrer Kugelgrundform eine
um 20% bis 40% reduzierte Breite zwischen den Seitenflächen 28, 29 auf.
Anders formuliert beträgt die Baubreite der Kugelrollen 29 lediglich
60% bis 80% von bislang üblicherweise zur Lagerung der
Antriebswelle 4 verwendeten Lagerkugeln von Kugellagern,
so dass sich insgesamt auch die Baubreite des Radialwälzlagers 12' reduzieren
lässt.
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Die
Kugelrollen 26 sind ebenfalls als Ringe ausgebildet und
weisen daher eine zentrale und axiale Bohrung auf. Hierdurch wird
ein gewisses Maß an Kompressibilität erreicht,
durch welche radiale Unwuchten ausgeglichen werden können.
Es ist jedoch wie oben beschrieben auch möglich, die Kugelrollen 26 aus
Vollmaterial herzustellen, so dass die Kugelrollen 26 dann
die Form einer kreisrunden Scheibe mit balliger Mantelfläche 27 aufweisen
würden.
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Zudem
sind Dichtungen 36, 37 in die Mantelflächen 32, 33 von
Außenring 13' und Innenring 14' eingesetzt,
die dazu dienen, das Radialwälzlager 12' nach
außen und innen abzudichten. Zwischen den Dichtungen 35, 36 ist
axial und radial innen im Radialwälzlager 12' nicht
dargestelltes Schmiermittel zur wartungsfreien Schmierung der Wälzkörper 15 angeordnet.
Dadurch, dass durch die geringere Breite der Kugelrollen 26 mehr
Bauraum im Radialwälzlager vorhanden ist, kann auch das
Radialwälzlager 12' mit einer deutlich größeren
Menge an Schmiermittel gefüllt sein.
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- 1
- Spiralverdrängermaschine
- 2
- Gehäuse
- 3
- Verdränger
- 4
- Antriebswelle
- 5
- Arbeitskammer
- 6
- Mittenscheibe
- 7
- Verdrängerschaufel
- 8
- Schaufel
von 2
- 9
- Kammerhälfte
- 9'
- Kammerhälfte
- 10
- vorderes
Ende von 4
- 11
- Riemenscheibe
- 12
- Radialwälzlager
- 12'
- Radialwälzlager
- 13
- Außenring
- 13'
- Außenring
- 14
- Innenring
- 14'
- Innenring
- 15
- Wälzkörper
- 16
- Ausnehmung
- 17
- Kugelrollenschräglager
- 18
- Außenlaufbahn
- 19
- Außenlaufbahn
- 20
- Innenlaufbahn
- 21
- Innenlaufbahn
- 22
- Käfig
- 23
- Käfig
- 24
- Dichtung
- 25
- Dichtung
- 26
- Kugelrolle
- 27
- Mantelfläche
- 28
- Seitenfläche
- 29
- Seitenfläche
- 30
- Kugelrollenlager
- 31
- Käfig
- 32
- Mantelfläche
- 33
- Mantelfläche
- 34
- Laufbahn
- 35
- Laufbahn
- 36
- Dichtung
- 37
- Dichtung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3928779
A1 [0002]
- - DE 4207984 A1 [0002]
- - DE 4334195 A1 [0010]
- - US 3020106 [0010]
- - DE 311317 A1 [0010]