DE102011015720A1

DE102011015720A1 - Hubkolbenmaschine, vorzugsweise als Kompressor, Pumpe, Kompressionsmaschine oder dgl. wirkend

Info

Publication number: DE102011015720A1
Application number: DE201110015720
Authority: DE
Inventors: Helmut Betzmeir
Original assignee: Neander Motors AG
Current assignee: Neander Motors AG
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2012-10-04

Abstract

Diese Hubkolbenmaschine, vorzugsweise als Kompressor, Pumpe, Expansionsmaschine oder dgl. wirkend, umfasst wenigstens einen Zylinder und einen Kolben, der in eine Zylinderbohrung des Zylinders mittels eines ersten Pleuels und eines zweite Pleuels hin und her bewegt wird, welche Pleuel einerseits über Kolbenbolzen mit an beiderseits einer Mittelängsebene angeordneten Kolbenpleuellagern zusammenwirken und andererseits unter Vermittlung von Kurbelwellenpleuellagern mit zwei Kurbelwellen in Wirkverbindung stehen, die mit achsparallelem Abstand zueinander verlaufen, wobei die Kurbelwellen mittels in Eingriff stehender ein Getriebe bildender Zahnräder gekoppelt sind, dergestalt, dass die Kurbelwellen sich gegenläufig drehen und wobei der Kolben im Zylinder trocken in der Zylinderbohrung läuft und ein Kompressionsraum des Zylinders sowie ein davon über den Kolben getrennter Kurbelraum schmiermittelfrei ist. Zur Optimierung der Hubkolbenmaschine werden die Kolbenpleuellager und die Kurbelwellenpleuellager über jeweils eine Schmiermittelbevorratung mit Schmiermedium versorgt und die Zahnräder des Getriebes zwischen den Kurbelwellen sind von einem schmiermittelfreien Wellen-Getrieberaum umgeben, welche Zahnräder zumindest im Bereich der in Eingriff stehenden Zähne Vorkehrungen aufweisen, die ein schmiermittelfreies zusammenwirken der Zähne sicherstellen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hubkolbenmaschine, vorzugsweise als Kompressor, Pumpe, Kompressionsmaschine oder dgl. wirkend, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.
Es ist eine bezüglich Funktion musterhafte Kolbenmaschine bekannt, DE 1 775 444 B1 , die zwei mit achsparallelem Abstand zueinander verlaufenden Kurbelwellen aufweist. Zwischen den Kurbelwellen und einem in einer Bohrung eines Zylinders hin und her bewegbaren Kolbens sind zwei Pleuel wirksam. Diese Pleuel sind über Gelenklagerungen einerseits mit der Kurbelwelle und andererseits mit dem Kolben verbunden. Der Kolben gleitet trocken d. h. ohne Schmiermittel, jedoch unter Zwischenschaltung von Kolbenringen und einem Führungsband entlang der Wand der Bohrung des Zylinders. Darüber hinaus begrenzt der Kolben mit einem Kolbenboden einen Kompressionsraum im Zylinder. Auf der dem Kompressionsraum abgekehrten Seite des Kolbens arbeiten die Pleuel und eine mit der Kurbelwelle vereinigten Kurbelscheibe in einem fettfreien oder trockenen Kurbeleraum eines ersten Gehäuses. Ein Innenraum des ersten Gehäuses ist mittels einer Wand von einem zweiten Gehäuse getrennt, in dessen Innenraum Kurbelwellenabschnitte der beiden Kurbelwellen und ein Getriebe mit zwei Synchronisierungszahnrädern der Kurbelwellen verlaufen. Die Synchronisierungszahnräder sind drehfest mit den Kurbelwellenabschnitten verbunden und besagte Synchronisierungszahnräder, die Kurbelwellenabschnitte mit Lagerabschnitten werden im Innenraum des zweiten Gehäuses mit Schmieröl beaufschlagt. Der Innenraum des ersten Gehäuses ist dagegen frei von Schmiermittel, weil getrennt durch die Wand des zweiten Gehäuses, will heißen Kolben, Pleuel und Kurbelscheibe laufen trocken.
Aus der DE 10 2008 011 959 A1 geht eine Kolbenmaschine mit zwei Kurbelwellen und zwei mit einem Kolben zusammenwirkende Pleueln hervor. Die mit parallelem Abstand zueinander sich erstreckenden Kurbelwellen sind mit ersten und zweiten Scheiben versehen. Ein bandartiges Arbeitsmittel umschlingt die erste und die zweite Scheibe der Kurbelwellen in der Weise, dass besagte Scheiben sich gegenläufig drehen. In den Umschlingungstrieb ist ein Umlenkmittel geschaltet, das das bandartige Antriebsmittel unter Spannung hält. Der Kolben, die Pleuel und die Scheiben mit Antriebsmittel werden von einem einzigen Raum umgeben, der im Wesentlichen frei von Schmiermittel ist.
Es ist Aufgabe der Erfindung eine Hubkolbenmaschine mit zumindest einem Kolben, zwei Pleueln und zwei Kurbelwellen so zu konzipieren, dass diese Kolbenmaschine bei gezieltem Zusammenwirken der Kurbelwelle über ein leicht realisierbares und betriebssicheres Getriebe, eine gute Funktion und hohe Lebensdauer aufweist. Dabei sollte aber auch sichergestellt werden, dass die Hubkolbenmaschine emissionsarm arbeitet.
Nach der Erfindung wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere die Erfindung ausgestaltende Merkmale sind in den Unteransprüchen enthalten.
Die mit der Erfindung hauptsächlich erzielten Vorteile sind darin zu sehen, das der Kolben, die Pleuel, die Kurbelwellen und das Zahnräder zwischen besagten Kurbelwellen aufweisende Getriebe trocken bzw. ohne Schmiermittel auskommen, wodurch die Hubkolbenmaschine bezüglich Schadstoffemissionsreduktion Beispiel gebend optimiert wird. Die gegenläufigen Zahnräder der Kurbelwellen sichern einen funktionsgerechten Betrieb des Getriebes. Dabei ist die vorbildliche Ausbildung der Kolbenpleuellager und der Kurbelwellenlager hervorzuheben, die dank einer jeweiligen geschlossenen Schmiermittelbevorratung bedarfsgerecht mit Schmiermedium versorgt werden. Dass die Zahnräder der Kurbelwellen im Bereich der in Eingriff stehenden Zähne Vorkehrungen aufweisen, die ein schmiermittelfreies Zusammenwirken der zuletzt genannten Zähne gewährleisten, setzt Maßstäbe bei einer Hubkolbenmaschine mit einem Kolben, zwei Pleueln und zwei Kurbelwellen. Einen bemerkensweten Beitrag zu dieser Hubkolbenmaschine leistet dabei auch die Verzahnung der Zahnräder als Paarung mit definierten z. B. unterschiedlichen Werkstoff ausgebildet ist. Geeignete Werkstoffe für die Zahnräder bzw. die Paarung lassen sich rechnerisch, iterativ oder dgl. ermitteln, wobei die jeweilige Paarung bspw. Werkstoffe u. a. aus Kunststoff, Metall, Verbundwerkstoffe umfassen kann. Eine Möglichkeit für eine wirksamen Paarung der Verzahnung lässt sich dadurch realisieren, dass zumindest an einem der Zahnräder oder an deren Zähne eine Oberflächenbeschichtung aufgebracht wird. Denkbar ist aber auch, dass wenigstens eines der Zahnräder eine Nabe z. B. aus Metall aufweist, die von einem Zahnradringteil z. B. aus Kunststoff umgeben ist. Eine sichere Verbindung von Nabe und Ringteil wird dadurch erreicht, dass die beiden letzteren form- und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden sind. Ein einfaches jedoch funktionsgerechtes Getriebe – erste Getriebeversion - zwischen den beiden Kurbelwellen ergibt sich, wenn die beiden Zahnräder direkt im Eingriff miteinander stehen. Bei einer zweiten Getriebeversion arbeiten zwischen den ersten und zweiten Zahnrädern der Kurbelwellen erste und zweite Zwischenzahnräder, die eine gegenläufige Drehbewegung zuletzt genannten Zahnräder steuert. Schließlich besitzt eine dritte Getriebeversion auf den Kurbelwellen Zahnräder in Form von Kegelzahnrädern die mit einer Kegelzahnradwelle in Wirkverbindung stehen d. h. Kegelzahnradabschnitte der Kegelzahnradwelle kämmen mit den Kegelzahnrädern der Kurbelwellen.
In der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, das nachstehend näher erläutert wird.
Es zeigen
1 eine Seitenansicht einer Hubkolbenmaschine mit Getriebe, teilweise im Schnitt,
2 einen Schnitt nach der Linie II-II der 1,
3 eine Teilansicht der 2 mit einer ersten Getriebeversion der Hubkolbenmaschine in größerem Maßstab,
4 eine Teilschrägansicht der 3 in größerem Maßstab,
5 eine Ansicht entsprechend 3 mit einer zweiten Getriebeversion der Hubkolbenmaschine
6 eine Ansicht entsprechend 3 einer dritten Getriebeversion der Hubkolbenmaschine.
Ein Hubkolbenmaschine 1 ist zur Verwendung als Kompressor, Pumpe Expansionsmaschine oder dgl. ausgebildet und dient zur Förderung von Gasen d. h. kompressibler und nicht kompressibler Medien, wobei beim Betrieb der der Hubkolbenmaschine 1 eine Drucksteigerung der Gase mit einer Temperaturerhöhung oder einer Wärmeabgabe mit einer Volumenverengerung verbunden ist. Die Hubkolbenmaschine umfasst einen Zylinder 2 und einen Kolben 3, der in einer Zylinderbohrung 4 des Zylinders 2 hin und her bewegt wird. Dazu sind am Kolben 3 mit axialem Abstand Kolbenringe 5, 6 und 7 vorgesehen, und zwar benachbart eines einen Kompressionsraum 8 begrenzenden Kolbenbodens 9, welche Kolbenringe 5, 6 und 7 z. B. aus PTFE (Polytetrafluorethylen), Graphit oder dgl. bestehen, also aus einem Material mit selbst schmierenden Eigenschaften, durch den ein trockener bzw. schmiermittelfreier Lauf der Kolbens 3 in der Zylinderbohrung 4 bzw. einer Zylinderwand 10 von letzterer. Für den Mediumsaustausch im Kompressionsraum 8 ist ein Zylinderkopf 11 mit einem Einlassventil 12 und einem Auslassventil 13 versehen. Die Kolbenringe 5, 6 und 7 sind am bspw. aus Leichtmetall bestehenden Kolben 3 gehalten und gleiten entlang der Zylinderwand 10 der der Zylinderbohrung 4, welche Zylinderwand 10 z. B. mit einer die Gleitfunktion der Kolbenringe 5, 6 und 7 unterstützenden Laufflächenbeschichtung versehen ist – nicht dargestellt –.
Benachbart einer vom Kolbenboden 9 bzw. Kompressionsraum 8 abgekehrten Seite 14 bzw. eines Endes 15 eines Kolbenschafts 16 des Kolbens 3 sind an diesem Kolben 3 unter Vermittlung eines Kolbenbolzens Kb ein erstes Pleuel 17 und ein und ein zweites Pleuel 18 mittels eines ersten Kolbenpleuellagers 19 und eines zweiten Kolbenpleuellagers 20 gelenkig angebracht, welche Pleuel 17 und 18 sich in einen Kurbelraum 21 erstrecken, der durch den Kolben 3 vom Kompressionsraum 8 getrennt und trocken bzw. schmiermittelfrei ist. Mit Abstand zu den ersten und zweiten Kolbenpleuellagern 19 und 20 sind das erste und das zweite Pleuel 17 und 18 unter Zwischenschaltung eines ersten Kurbelwellenpleuellagers 22 und eines zweiten Kurbelwellenpleuellagers 23 mit einer ersten Kurbelwelle 24 und einer zweiten Kurbelwelle 25 drehbeweglich verbunden. Die Kurbelwellenpleuellager 22 und 23 sind an Kurbelscheiben Ksl und Ksl der Kurbelwellen 24 und 25 angeschlossen.
Die erste und die zweite Kurbelwelle 24 und 25 sind mit achsparallelem Abstand beiderseits einer Mittellängsebene A-A des Zylinders 2 bzw. des Kolbens 3 angeordnet; ebenso die ersten und zweiten Kolbenpleuellager 19 und 20. Die erste und die zweite Kurbelwelle 24 und 25 sind über ein Getriebe 26 – erste Getriebeversion – miteinander gekoppelt. Das Getriebe 26 setzt sich aus einem ersten Zahnrad 27 auf der ersten Kurbelwelle 25 und einem zweiten Zahnrad 26 auf der zweiten Kurbelwelle 25 zusammen. Die Zahnräder 27 und 28 sind drehfest mit den zugehörigen Kurbelwellen 24 und 25 verbunden und mit einer Stirnradverzahnung versehen. Für die Lagerung der Kurbelwellen 24 und 25 in einem Wellen-Getrieberaum 29 eines Gehäuses 30 werden mit axialem Abstand zueinander angeordnete Lager 31 und 32 eingesetzt, die mit einem gekapselten Schmiermittelsystem ausgestattet sind.
Die Kolbenpleuellager 19 und 20 und die Kurbelwellenpleuellager 22 und 23 sind jeweils mit einer Schmiermittelbevorratung KoS I; II und KuS I und II, die sicherstellen, dass die Kolbenpleuellager 19 und 20 und die Kurbelwellenpleuellager 22 und 23 trotz des trockenen Kurbelraums 21 und auch des Wellen-Getrieberaums 29 gezielt funktionsfähig sind. Die Zahnräder 27 und 28 des Getriebes 26 sind von dem trockenen bzw. schmiermittelfreien Wellen-Getrieberaum 29 des Gehäuses 30 umgeben. Dabei sind die Zahnräder 27 und 28 zumindest im Bereich von in Eingriff stehenden Zähnen 33 und 34 einer Verzahnung 35 Vorkehrungen aufweisen, die ein schmiermittelfreies Zusammenwirken der Zähne 33 und 34 sicherstellen.
Die in Eingriff stehende Verzahnung 35 der Zahnräder 27 und 28 ist als Paarung mit definierten z. B. unterschiedlichen Werkstoffen ausgebildet. Diese Paarung umfasst Werkstoffe aus Kunststoff, Metall, Verbundwerkstoff oder dgl., wobei wenigstens eines der Zahnräder bspw. 27 des Getriebes 26 im Bereich der Verzahnung 35 auch mit einer Oberflächenbeschichtung versehen sein kann, die auf den Grundkörper des jeweiligen Zahnrads aus geeignetem Werkstoff aufgebracht ist.
Zumindest eines der Zahnräder 27 oder 28 des Getriebes 26 besteht gemäß einem Ausführungsbeispiel der Hubkolbenmaschine im Wesentlichen vollständig aus Kunststoff – 3 –. Ist das eine Zahnrad 27 aus Kunststoff hergestellt, so kann das andere Zahnrad 28 entweder aus Metall oder einem anderen der vorstehend genannten Werkstoffe gefertigt sein. Bei dieser Ausführung wird für das Zahnrad als Werkstoff z. B. Metall eingestzt.
Gemäß 4 besitzt das Zahnrad 27 des Getriebes 26 eine Nabe 36 z. B. aus Metall, die von einem Zahnringteil 37 – Stirnradverzahnung – umgeben ist. Das Zahnringteil 37 kann durch Umgießen, Umspritzen hergestellt werden, und die Nabe und das Zahnringteil sind form- und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden. Ein Formschluss zwischen Nabe 26 und Zahnringteil 37 lässt sich dadurch realisieren, wenn am Nabenteil 36 auf der dem Zahnringteil 37 zugekehrten Außenfläche eine Rändelung vorgesehen ist.
5 gibt eine zweite Getriebeversion wieder. Sie weist ein Getriebe 38 mit einem ersten Zahnrad 39 und einem zweiten Zahnrad 40 auf. Das erste Zahnrad 39 wird von einer ersten Kurbelwelle 41 getragen; das zweite Zahnrad 40 von einer zweiten Kurbelwelle 42. Zwischen dem ersten Zahnrad 39 und dem zweiten Zahnrad 42 sind ein erstes Zwischenzahnrad 43 und zweites Zwischenzahnrad 44. Dabei kämmen das erste Zahnrad 39 mit dem ersten Zwischenzahnrad 43 und das zweite Zahnrad 40 mit dem zweiten Zwischenzahnrad mit 44, welche Zwischenzahnräder 43 und 44 gegenseitig im Eingriff stehen. Zur Bestimmung eines jeweils geeigneten Werkstoffs für die Zahnräder 39 und 40 sowie die Zwischenzahnräder 43 und 44 bzw. die entsprechenden Paarungen, die schmiermittelfrei oder trocken laufen, eignen sich empirische, iterative und rechnerische Verfahren. Eine dritte Getriebeversion zeigt die 6. Danach sind eine erste Kurbelwelle 45 mit einem ersten Zahnrad 46 und eine zweite Kurbelwelle 47 mit einem zweiten Zahnrad 48 versehen. Die Zahnräder 46 und 48 sind als Kegelräder 49 und 50 ausgeführt. Zwischen den Kegelrädern 49 und 50 ist eine Kegelzahnradwelle 51 wirksam, die an ihren Enden 52 und 53 Kegelradabschnitte 54 und 55 besitzt. Über die Kegelradabschnitte 54 und 55 der Kegelzahnradwelle 51 werden die Kegelräder 49 und 50 der Kurbelwellen 45 und 47 gegenläufig gedreht. Auch bei dieser Getriebeversion bieten sich die vorstehend beschriebenen Verfahren zur Festlegung solcher Werkstoffe an, die für die Paarungen der schmiermittelfrei oder trocken laufenden Zahnräder geeignet sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 1775444 B1 [0002]
DE 102008011959 A1 [0003]

Claims

Hubkolbenmaschine, vorzugsweise als Kompressor, Pumpe, Expansionsmaschine oder dgl. wirkend, umfassend wenigstens einen Zylinder und einen Kolben, der in eine Zylinderbohrung des Zylinders mittels eines ersten Pleuels und eines zweite Pleuels hin und her bewegt wird, welche Pleuel einerseits über Kolbenbolzen mit an beiderseits einer Mittelängsebene angeordneten Kolbenpleuellagern zusammenwirken und andererseits unter Vermittlung von Kurbelwellenpleuellagern mit zwei Kurbelwellen in Wirkverbindung stehen, die mit achsparallelem Abstand zueinander verlaufen, wobei die Kurbelwellen mittels in Eingriff stehender ein Getriebe bildender Zahnräder gekoppelt sind, dergestalt dass die Kurbelwellen sich gegenläufig drehen, und wobei der Kolben im Zylinder trocken in der Zylinderbohrung läuft und ein Kompressionsraum des Zylinders sowie ein davon über den Kolben getrennter Kurbelraum schmiermittelfrei ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenpleuellager (19 und 20) und die Kurbelwellenpleuellager (22 und 23) über eine Schmiermittelbevorratung (KoS I und II und KuS I und II) mit Schmiermedium versorgt werden und dass die Zahnräder (27 und 28) des Getriebes (26) zwischen den Kurbelwellen (24 und 25) von einem schmiermittelfreien Wellen-Getrieberaum (29) umgeben sind, welche Zahnräder (27 und 28) zumindest im Bereich der in Eingriff stehenden Zähne (33 und 34) Vorkehrungen aufweisen, die ein schmiermittelfreies zusammenwirken dieser Zähne (33 und 34) sicherstellen.
Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die im Eingriff stehende Verzahnung (35) der Zahnräder (27 und 28) als Paarung mit definierten z. B. unterschiedlichen Werkstoffen ausgebildet ist.
Hubkolbenmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Paarung Werkstoffe aus Kunststoff, Metall, Verbundwerkstoff oder dgl. umfasst.
Hubkolbenmaschine nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Zahnräder (27 oder 28) des Getriebes (26) im Bereich der Verzahnung (35) mit einer Oberflächenbeschichtung versehen ist.
Hubkolbenmaschine nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Zahnräder (27 oder 28) des Getriebes (26) im Wesentlichen vollständig aus Kunststoff hergestellt ist.
Hubkolbenmaschine nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Zahnrad (z. B. 27) des Getriebes (26) eine Nabe (36) z. B. aus Metall umfasst, die von einem Zahnradringteil (37) aus Kunststoff umgeben ist.
Hubkolbenmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (36) und das Zahnradringteil (37) an einander zugekehrten Seiten form-/ und oder kraftschlüssig miteinander verbunden sind.
Hubkolbenmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, die Nabe (36) an einer dem Zahnradringteil (37) zugekehrten Mantelfläche mit einer Rändelung versehen ist.
Hubkolbenmaschine einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (26) ein erstes und ein zweites Zahnrad (27 und 28) an der ersten und der zweite Kurbelwelle (24 und 25) umfasst, welche Zahnräder (27 und 28) gegenseitig im Eingriff stehen.
Hubkolbenmaschine nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (38) ein erstes Zahnrad (39) an der ersten Kurbelwelle (41) und ein zweites Zahnrad (40) an der zweiten Kurbelwelle (42) aufweist, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Zahnrad (39 und 41) erste und zweite Zwischenzahnräder (43 und 44) in der Weise angeordnet sind, dass das erste Zahnrad (39) mit dem ersten Zwischenzahnrad, das erste Zwischenzahnrad (43) mit zweiten Zwischenzahnrad (44) und das zweite Zwischenzahnrad (44) mit dem zweiten Zahnrad (40) kämmen.
Hubkolbenmaschine nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnräder (46 und 48) der Kurbelwellen (45 und 47) als Kegelzahnräder (49 und 50) ausgeführt sind, zwischen denen eine Kegelzahnradwelle (51) mit Kegelzahnradabschnitten (54 und 55) vorgesehen ist, die mit den Kegelzahnrädern (49 und 50) der Kurbelwellen (45 und 47) in Wirkverbindung stehen.