DE102011086913A1

DE102011086913A1 - Kulissenführung für zwei-stufigen Kompressor

Info

Publication number: DE102011086913A1
Application number: DE102011086913A
Authority: DE
Inventors: Uwe Folchert
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2011-05-24
Filing date: 2011-11-23
Publication date: 2012-11-29
Anticipated expiration: 2031-11-24
Also published as: WO2012160074A1; DE102011086913B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kompressormodul (101) für einen zwei-stufigen Kompressor, umfassend: – eine Antriebswelle (100) eines Antriebsmotors, – einen in einem Zylindergehäuse senkrecht zur Achse der Antriebswelle (100) hin und her beweglichen Kolben (104), – einen auf die Antriebswelle (100) angeflanschten Exzenter (106), dessen Achse parallel und versetzt zur Achse des Antriebswelle (100) verläuft, – zwei Wälzlager (108, 112), die hintereinander und senkrecht zur Achse des Exzenters (106) auf den Exzenter (106) aufgesetzt sind, – eine Kulissenführung (114), die in Form einer stegförmigen Aussparung des Kolbens (104) ausgeprägt ist, und dazu ausgebildet ist, den Exzenter (106) und die zwei Wälzlager (108, 112) räumlich aufzunehmen, wobei die Kulissenführung (114) eine obere Lauffläche (102) und eine untere Lauffläche (110) aufweist, wobei die obere Lauffläche (102) dazu ausgebildet ist, das erste (108) der zwei Wälzlager in seiner Rotation um die Achse des Exzenters (106) transversal zu dieser zu führen, und die untere Lauffläche (110) dazu ausgebildet ist, das zweite (112) der zwei Wälzlager in seiner Rotation um die Achse des Exzenters (106) transversal zu dieser zu führen, wobei für das erste (108) der zwei Wälzlager die untere Lauffläche (110) der Kulissenführung (114) ausgespart ist, wobei für das zweite (112) der zwei Wälzlager die obere Lauffläche (102) der Kulissenführung (114) ausgespart ist, wobei die zwei Wälzlager (108, 112) und die Kulissenführung (114) so angeordnet sind, dass bei Betrieb des Antriebsmotors mit einer Rotation der Antriebswelle (100) die zwei Wälzlager (108, 112) bei der Auf- und Abwärtsbewegung des Kolbens (104) ständigen Kontakt zur Kulissenführung (114) haben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kulissenführung für einen zwei-stufigen Kompressor.
Es werden zunehmend zwei-stufige Kompressoren für die Verwendung in Luftfedersystemen für Pkw eingesetzt. Der Grund ist ein besserer Wirkungsgrad und das Erreichen höherer Verdichtungsenddrücke. Damit lässt sich der Anwendungsbereich erweitern. Im Wesentlichen werden derartige Kompressoren im Bereich Luftfedersysteme im Kfz oder in Fahrzeugen mit zusätzlichen pneumatischen Aktuatoren oder einer Kombination aus diesen eingesetzt.
Der Antrieb des üblicherweise doppelwirkenden Kolbens kann über einen Exzenter und eine Koppel erfolgen, wie es die Druckschrift DE20102436U1 offenbart. Die Koppel verursacht eine größere Baulänge des Kolbens und damit des gesamten Verdichters, was als nachteilig anzusehen ist.
Bei dem in der Druckschrift DE 20 2009 011 579 U1 offenbarten Kompressor erfolgt der Antrieb des doppelwirkenden Kolbens über einen Exzenter und eine Kulissenführung. Eine Kulissenführung baut sehr kompakt, kann aber ausführungsbedingt Nachteile haben. Eine klassische Kulissenführung mit Gleitstein ist aufgrund der hohen Gleitreibung nachteilig.
Läuft ein auf dem Exzenter angebrachtes Wälzlager in einer Kulisse mit zu wenig Spiel, so wird Reibung auf der unbelasteten Wälzlagerseite erzeugt, zumal hier die Umfangsbewegung des Lagers entgegen der Bewegungsrichtung ist. Ein zu großes Spiel führt hingegen zu Klappern beim Flankenwechsel.
Besonders kritisch ist es, wenn die Flankenwechsel der Wälzlager in einem zwei-stufigen Verdichter nicht an den Enden der Kulisse im Umkehrpunkt erfolgen, sondern dazwischen. Die genauen Wechselpunkte (zwei pro Umdrehung) hängen von der Verdichterauslegung ab. In diesem Fall muss das Wälzlager nach dem Flankenwechsel auch noch die Drehrichtung ändern. Dabei wird das Lager durch Reibung erst abgebremst und dann wieder beschleunigt. Dies führt zu Verschleiß an Kulisse und Lageraußenring. Außerdem ist die Herstellung eines sehr genauen Kulissenspiels und verschleißfester Bauteile sehr kostenaufwendig.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Kulissenführung für einen zwei-stufigen Kompressor zu schaffen.
Die der Erfindung zugrunde liegenden Aufgaben werden jeweils mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Es wird ein Kompressormodul für einen zwei-stufigen Kompressor geschaffen, umfassend:

– eine Antriebswelle eines Antriebsmotors,
– einen in einem Zylindergehäuse senkrecht zur Achse der Antriebswelle hin und her beweglichen Kolben,
– einen auf die Antriebswelle angeflanschten Exzenter, dessen Achse parallel und versetzt zur Achse des Antriebswelle verläuft,
– zwei Wälzlager, die hintereinander und senkrecht zur Achse des Exzenters auf den Exzenter aufgesetzt sind,
– eine Kulissenführung, die in Form einer stegförmigen Aussparung des Kolbens ausgeprägt ist, und dazu ausgebildet ist, den Exzenter und die zwei Wälzlager räumlich aufzunehmen,

Durch stufenförmig versetzte Laufflächen der Kulissenführung, die durch die Aussparungen der Laufflächen entstehen, und mit denen die Wälzlager wechselseitig ständigen Kontakt haben, kann das erste Wälzlager eine Kraft nur in Richtung einer Aufwärtsbewegung des Kolbens übertragen, und das zweite Wälzlager eine Kraft nur in Richtung einer Abwärtsbewegung des Kolbens. Dadurch könnte in vorteilhafter Weise bei einem Lastwechsel kein Flankenwechsel erfolgen, sondern nur noch ein Belastungswechsel auf das jeweils andere Wälzlager. Dadurch würde es nicht mehr zu den bekannten störenden Klappergeräuschen kommen, sondern das Entstehen von Geräuschen würde weitestgehend verhindert.
Die durch die jeweilige Aussparung der Lauffläche bewirkte ideal bemessene Spielfreiheit jedes einzelnen Wälzlagers verstärkt den positiven Effekt einer Reduktion einer Geräuschentwicklung. Auf der jeweiligen unbelasteten Wälzlagerseite kommt es einerseits erst gar nicht zu einer Reibung, bei der sich ein Wälzlager in entgegen gesetzter Richtung zur Bewegungsrichtung abrollt, so wie es nach dem bisherigen Stand der Technik noch der Fall ist. Andererseits ist das Spiel der Wälzlager aber auch nicht so groß, dass es zur Entwicklung von Klappergeräuschen kommen könnte.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt bei einem Lastwechsel am Kolben ein Belastungswechsel auf das jeweils andere der zwei Wälzlager.
Dies kann den Vorteil haben, dass ein einzelnes Wälzlager bei einem Belastungswechsel nicht seine Drehrichtung zu ändern braucht. Der Übergang von beispielsweise einer Aufwärtsbewegung in eine Abwärtsbewegung des Kolbens erfolgt ohne reibungserzeugende Abbremseffekte und Geräuschentwicklung. Zudem wird der Energieverbrauch für die Auf- und Abwärtsbewegung des Kolbens gesenkt.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung bleibt die Drehrichtung der zwei Wälzlager bis zu deren äußeren jeweiligen Umkehrpunkt der transversalen Abwälzrotation erhalten.
Dass bei der beschriebenen Form der Kulissenführung die Drehrichtung der Wälzlager jeweils bis zum äußeren Umkehrpunkt erhalten bleibt, kann den Vorteil haben, dass die Wälzlager nicht an Umkehrpunkten durch Reibung erst abgebremst und dann wieder beschleunigt werden. Ein mögliches Problem der Gleitreibung wird in der beschriebenen Ausführungsform einer Kulissenführung durch eine Transformation in Rollreibung gelöst. Dadurch wird in vorteilhafter Weise der Verschleiß an Kulisse und Wälzlageraußenringen reduziert. Dadurch wird die Lebensdauer der Kulisse und der Wälzlager wesentlich erhöht. Eine störende Geräuschentwicklung wird wiederum unterdrückt.
Dadurch, dass die Bauteile nun weniger verschleißfest sein müssen, können erhebliche Materialkosten gespart werden. Die Kosten für die Herstellung eines sehr genauen Kulissenspiels werden ebenfalls reduziert.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist eine der zwei Laufflächen der Kulissenführung elastisch ausgebildet, so dass die Lauffläche eine Vorspannung auf die zwei Wälzlager ausübt.
Dadurch dass eine der zwei Laufflächen der Kulissenführung elastisch ausgebildet ist, so dass die Lauffläche eine Vorspannung auf die zwei Wälzlager ausübt, kann in vorteilhafter Weise die Fertigungsgenauigkeit reduziert werden und trotzdem ein spielfreier Lauf gewährleistet werden.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist die Lauffläche dadurch elastisch ausgebildet, dass die Lauffläche selbst als separates elastisches Bauteil ausgeführt ist und/oder die Lauffläche durch Federelemente unterstützt wird.
Dadurch, dass die Lauffläche selbst als separates, elastisches Bauteil, z.B., als leicht gewölbte Biegefeder, ausgeführt werden kann, oder die Lauffläche durch Federelemente unterstützt werden kann, ist auf vorteilhafte Weise eine leichte Veränderung der elastischen Parameter der Laufflächen mittels eines leichten Austausches des elastischen Bauteils und/oder von Federelementen möglich. In Anhängigkeit von den vorgegebenen Betriebsbedingungen des Kompressors kann das jeweils ideale elastische Bauteil und/oder Federelement in das Kompressormodul manuell eingesetzt werden. Die jeweils für die vorgegebenen Betriebsbedingungen erforderliche Spielfreiheit der Wälzlager kann durch einfachen Austausch eines elastischen Bauteils und/oder Federelements realisiert werden. Der Einsatz- und Anwendungsbereich des zwei-stufigen Kompressors wird dadurch erheblich erweitert.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der folgenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1: Kompressormodul mit Kulissenführung mit zwei Wälzlagern von seitlicher Ansicht,
2: Kompressormodul mit Kulissenführung mit zwei Wälzlagern mit um 90° gedrehter Ansicht.
Die 1 zeigt ein Kompressormodul 101 mit einer Kulissenführung 114 mit zwei Wälzlagern 108, 112 von seitlicher Ansicht.
Das Kompressormodul 101 besteht aus einer Antriebswelle 100 eines Antriebsmotors, einen in einem Zylindergehäuse senkrecht zur Achse der Antriebswelle 100 hin und her beweglichen Kolben 104 und einen auf die Antriebswelle 100 angeflanschten Exzenter 106, dessen Achse parallel und versetzt zur Achse des Antriebswelle 100 verläuft.
Anstatt eines Wälzlagers – wie im bisherigen Stand der Technik – sind zwei Wälzlager mit Bezugszeichen 108 und 112 hintereinander und senkrecht zur Achse des Exzenters 106 auf diesen aufgesetzt. In der in 1 dargestellten Ausführungsform sind die beiden Wälzlager baugleich. Eine Baugleichheit ist jedoch keine notwendige Bedingung.
Eine Kulissenführung 114, die in Form einer stegförmigen Aussparung des Kolbens 104 ausgeprägt ist, kann den Exzenter 106 und die zwei Wälzlager räumlich aufnehmen.
Gegenüberliegende Laufflächen 102, 110 in der Kulisse 114 sind so ausgebildet, dass die obere Lauffläche 102 nur das erste Wälzlager 108 unterstützt und die untere Lauffläche 110 nur das zweite Wälzlager 112. Wie in 1 ersichtlich, ist für das jeweils andere Wälzlager die Kulissenlauffläche ausgespart.
Dadurch wird erreicht, dass jedes Wälzlager ständig Kontakt zur Kulissenführung 114 hat, wie man es in 1 deutlich nachvollziehen kann. Das erste Wälzlager 108 überträgt nur die Kräfte nach oben, das zweite Wälzlager 110 nur die Kräfte nach unten. Bei einem Lastwechsel des Kolbens 104 erfolgt dadurch nun kein Flankenwechsel, sondern nur noch ein Belastungswechsel auf das jeweils andere Wälzlager.
In diesem Kontext lassen ein Flankenwechsel ein Wechsel der Anlagefläche bzw. des Kontaktpunktes zwischen einem einzelnen Kulissenlager und der Kulissenlauffläche beim Wechsel der Belastungsrichtung bei gleichbleibender Bewegungsrichtung bedeuten. Ein Wechsel der Belastungsrichtung entsteht z.B., wenn die resultierende Kraft aus oberer und unterer Kolbenkraft das Vorzeichen wechselt. Da bei einer solchen Ausführung Spiel zwischen Kulissenlager und Lauffläche vorhanden sein muss, sollte vorzugsweise dieses Spiel bei Belastungswechsel überwunden werden, da das Kulissenlager immer nur Druckkräfte auf die Lauffläche ausüben kann.
2 zeigt das Kompressormodul 101 mit der Kulissenführung 114 und den zwei Wälzlagern 108, 112 in einer um 90° gedrehten Ansicht. Dargestellt sind insbesondere die Endpositionen der Wälzlager in der Kulissenführung 114. Hier sieht man, dass die Drehrichtung der Wälzlager bis zum jeweiligen äußeren Umkehrpunkt erhalten bleibt.
Dadurch werden die Wälzlager 108, 112 nicht immer an den Umkehrpunkten durch Reibung erst abgebremst und dann wieder beschleunigt. Es tritt keine Gleitreibung, sondern nur noch Rollreibung auf. Der Verschleiß an Kulisse und Wälzlageraußenringen wird erheblich reduziert, die Lebensdauer der Kulisse 114 und der Wälzlager 108, 112 wesentlich erhöht. Weniger Verschleiß bedeutet Einsparung von Materialkosten. Eine störende Geräuschentwicklung wird ebenfalls wirksam verhindert.
Zusätzlich kann eine der Laufflächen 102, 110 elastisch gestaltet sein, so dass die Lauffläche eine Vorspannung auf die Wälzlager 108, 112 ausübt. Dadurch kann die Fertigungsgenauigkeit reduziert werden und trotzdem ein spielfreier Lauf gewährleistet werden, was aus der Darstellung in 2 deutlich wird. Die Kosten für die Herstellung eines sehr genauen Kulissenspiels werden dadurch reduziert.
Dabei kann die Lauffläche 102, 110 selbst als separates, elastisches Bauteil, z.B. leicht gewölbte Biegefeder, ausgeführt werden oder die Lauffläche wird durch Federelemente unterstützt. Durch einen einfachen Austausch des elastischen Bauteils und/oder von Federelementen ist somit eine leichte Veränderung der elastischen Parameter der Laufflächen 102, 110 möglich. In Abhängigkeit von Einsatz- oder Anwendungsbereich kann das jeweils ideale elastische Bauteil und/oder Federelement in das Kompressormodul manuell eingesetzt werden. Die Spielfreiheit der Wälzlager 108, 112 kann beliebig variiert werden durch einfachen Austausch eines elastischen Bauteils und/oder Federelements. Der zwei-stufige Kompressor wird dadurch vielfältig einsetzbar.
Die beschriebene Kulissenführung 114 zeichnet sich dadurch aus, dass sie spielfrei, reibungsarm und kostengünstig ist. Sie weist eine erhöhte Lebensdauer wegen geringen Verschleißes der Wälzlager 108, 112 und der Kulisse 114 auf. Eine störende Geräuschentwicklung wird wirksam vermieden.
Bezugszeichenliste

100: Antriebswelle
101: Kompressormodul
102: erste Lauffläche
104: Kolben
106: Exzenter
108: erstes Wälzlager
110: zweite Lauffläche
112: zweites Wälzlager
114: Kulissenführung
116: Endpositionen der Wälzlager in der Kulissenführung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 20102436 U1 [0003]
DE 202009011579 U1 [0004]

Claims

Kompressormodul (101) für einen zwei-stufigen Kompressor, umfassend: – eine Antriebswelle (100) eines Antriebsmotors, – einen in einem Zylindergehäuse senkrecht zur Achse der Antriebswelle (100) hin und her beweglichen Kolben (104), – einen auf die Antriebswelle (100) angeflanschten Exzenter (106), dessen Achse parallel und versetzt zur Achse des Antriebswelle (100) verläuft, – zwei Wälzlager (108, 112), die hintereinander und senkrecht zur Achse des Exzenters (106) auf den Exzenter (106) aufgesetzt sind, – eine Kulissenführung (114), die in Form einer stegförmigen Aussparung des Kolbens (104) ausgeprägt ist, und dazu ausgebildet ist, den Exzenter (106) und die zwei Wälzlager (108, 112) räumlich aufzunehmen, wobei die Kulissenführung (114) eine obere Lauffläche (102) und eine untere Lauffläche (110) aufweist, wobei die obere Lauffläche (102) dazu ausgebildet ist, das erste (108) der zwei Wälzlager in seiner Rotation um die Achse des Exzenters (106) transversal zu dieser zu führen, und die untere Lauffläche (110) dazu ausgebildet ist, das zweite (112) der zwei Wälzlager in seiner Rotation um die Achse des Exzenters (106) transversal zu dieser zu führen, wobei für das erste (108) der zwei Wälzlager die untere Lauffläche (110) der Kulissenführung (114) ausgespart ist, wobei für das zweite (112) der zwei Wälzlager die obere Lauffläche (102) der Kulissenführung (114) ausgespart ist, wobei die zwei Wälzlager (108, 112) und die Kulissenführung (114) so angeordnet sind, dass bei Betrieb des Antriebsmotors mit einer Rotation der Antriebswelle (100) die zwei Wälzlager (108, 112) bei der Auf- und Abwärtsbewegung des Kolbens (104) ständigen Kontakt zur Kulissenführung (114) haben.
Kompressormodul (101) nach Anspruch 1, wobei bei einem Lastwechsel am Kolben (104) ein Belastungswechsel auf das jeweils andere der zwei Wälzlager erfolgt.
Kompressormodul (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Drehrichtung der zwei Wälzlager (108, 112) bis zu deren äußeren jeweiligen Umkehrpunkt der transversalen Abwälzrotation erhalten bleibt.
Kompressormodul (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine der zwei Laufflächen der Kulissenführung (114) elastisch ausgebildet ist, so dass die Lauffläche eine Vorspannung auf die zwei Wälzlager (108, 112) ausübt.
Kompressormodul (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lauffläche (102, 110) dadurch elastisch ausgebildet ist, dass die Lauffläche selbst als separates elastisches Bauteil ausgeführt ist und/oder die Lauffläche durch Federelemente unterstützt wird.