DE102014116805A1

DE102014116805A1 - Kompressor mit anpassbarer Übersetzung zur Antriebsquelle

Info

Publication number: DE102014116805A1
Application number: DE102014116805.4A
Authority: DE
Inventors: Gilles Hebrard
Original assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH
Current assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH
Priority date: 2014-11-17
Filing date: 2014-11-17
Publication date: 2016-05-19
Also published as: US10753349B2; JP2017534802A; CN107110139A; US20180291883A1; EP3221584B1; WO2016079031A1; CN107110139B; BR112017009922A2; EP3221584A1

Abstract

Im Rahmen der Erfindung wurde ein Kompressor entwickelt. Dieser weist ein Kurbelgehäuse auf, in dem eine Kurbelwelle in einem Kurbelraum drehbar gelagert ist. Das Kurbelgehäuse enthält mindestens einen Zylinderraum, indem ein durch eine Pleuelstange exzentrisch an der Kurbelwelle gelagerter Kolben zu einer Hin- und Herbewebung anregbar ist. Die Kurbelwelle ist durch ein Zahnradgetriebe, dass einen Modulus m aufweist, mit einer Antriebsquelle verbunden, indem das an der Kurbelwelle angeordnete Zahnrad in das Zahnrad an der Antriebsquelle eingreift. Erfindungsgemäß ist die Drehachse der Kurbelwelle gegen die Mittelachse des Zylinderraums um einen Betrag dl versetzt, der ein ganzzahliges Vielfaches von m/2 ist. Unter der Mittelachse des Zylinderraums wird die vom Mittelpunkt der Grundfläche des Zylinderraums senkrecht zu dieser Grundfläche ausgehende Achse verstanden, entlang der der Kolben sich bewegt. Es wurde erkannt, dass auf diese Weise das Übersetzungsverhältnis des Getriebes in einen vorteilhaften Bereich geändert werden kann, ohne das an den Außenmaßen des Kompressors oder an der Antriebsquelle Veränderungen vorgenommen werden müssen. Insbesondere muss das Zahnrad der Antriebsquelle nicht geändert werden. Je nach Übersetzungsverhältnis kann das Betriebsgeräusch des Kompressors vermindert oder die Luftleistung erhöht werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kompressor, der durch eine Getriebeübersetzung mit einer Antriebsquelle verbunden ist.
Stand der Technik
Luftkompressoren für Nutzfahrzeuge wandeln in der Regel eine von der Antriebsquelle (Motor) bereitgestellte Drehbewegung mindestens eines Kolbens um, der sich in einem Zylinder auf- und abbewegt und bei dieser Bewegung die Luft verdichtet. Diese Umwandlung geschieht durch eine Pleuelstange, die mit einem Pleuelauge am Kolben drehbar gelagert ist und die mit einem anderen Pleuelauge exzentrisch drehbar an einer Kurbelwelle gelagert ist. Die Kurbelwelle wird durch eine Getriebeübersetzung von der Antriebsquelle in Drehung versetzt. Das Übersetzungsverhältnis ist konstant, so dass die Arbeitsgeschwindigkeit des Kompressors sich mit der Motordrehzahl ändert.
Der Kompressor wird im Allgemeinen so ausgelegt, dass er den geforderten Druckluftbedarf des Fahrzeugs bei dessen Systemdruck auch im Leerlauf des Fahrzeugmotors noch liefern kann. Dabei muss der Kompressor in ein durch das Fahrzeugdesign vorgegebenes Einbauvolumen passen, und die Kurbelwelle muss für die Kraftübertragung ein Zahnrad aufweisen, das in ein an der Antriebsquelle vorhandenes Zahnrad passt. Die Betriebsparameter des Kompressors sind also mehr oder weniger fest vorgegeben und vom Benutzer hinzunehmen, auch wenn sie im Hinblick auf das Geräusch oder den Energieverbrauch nicht optimal sein sollten.
Aufgabe und Lösung
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Kompressor zur Verfügung zu stellen, der bei Vorgabe eines konkreten Einbauraumes im Motorraum und eines konkreten Zahnrades an der Antriebsquelle für die Kraftübertragung auf vorteilhaftere Betriebsparameter konfigurierbar ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Kompressor gemäß Hauptanspruch. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Unteransprüchen.
Gegenstand der Erfindung
Im Rahmen der Erfindung wurde ein Kompressor entwickelt. Dieser weist ein Kurbelgehäuse auf, in dem eine Kurbelwelle in einem Kurbelraum drehbar gelagert ist. Das Kurbelgehäuse enthält mindestens einen Zylinderraum, indem ein durch eine Pleuelstange exzentrisch an der Kurbelwelle gelagerter Kolben zu einer Hin- und Herbewebung anregbar ist. Die Kurbelwelle ist durch ein Zahnradgetriebe, dass einen Modulus m aufweist, mit einer Antriebsquelle verbunden, indem das an der Kurbelwelle angeordnete Zahnrad in das Zahnrad an der Antriebsquelle eingreift.
Erfindungsgemäß ist die Drehachse der Kurbelwelle gegen die Mittelachse des Zylinderraums um einen Betrag dl versetzt, der ein ganzzahliges Vielfaches von m/2 ist. Unter der Mittelachse des Zylinderraums wird die vom Mittelpunkt der Grundfläche des Zylinderraums senkrecht zu dieser Grundfläche ausgehende Achse verstanden, entlang der der Kolben sich bewegt.
Es wurde erkannt, dass auf diese Weise das Übersetzungsverhältnis des Getriebes in einen vorteilhaften Bereich geändert werden kann, ohne das an den Außenmaßen des Kompressors oder an der Antriebsquelle Veränderungen vorgenommen werden müssen. Insbesondere muss das Zahnrad der Antriebsquelle nicht geändert werden.
Wenn das Zahnrad der Antriebsquelle eine Anzahl Z₁ von Zähnen hat und das darin eingreifende Zahnrad der Kurbelwelle eine Anzahl Z₂ von Zähnen hat, dann ist der Abstand der Drehachsen der Zahnräder gegeben durch m·(Z₁ + Z₂)/2, worin m der Modulus des Getriebes ist. Dieser Modulus ist ein Maß für die Größe der Zähne. In dem der beanspruchte Versatz zwischen der Drehachse der Kurbelwelle und der Mittelachse des Zylinderraums eingeführt wird, kann die Zahnzahl Z₂ des Zahnrads an der Kurbelwelle und damit auch das Übersetzungsverhältnis des Getriebes geändert werden, ohne das an der Antriebsquelle Veränderungen vorgenommen werden müssen. Gerade bei dem beanspruchten Versatz bleibt die Zahnanzahl ganzzahlig, so dass aufwendige Anpassungsmaßnahmen an den Zahnrädern entfallen. Somit ist das beanspruchte Merkmal des ganzzahligen Vielfachen von m/2 auch nicht rein mathematisch auszulegen, sondern umfasst ausdrücklich auch noch Abstände dl, die von einem ganzzahligen Vielfachen von m/2 nur so weit abweichen, dass das Zahnrad der Kurbelwelle im Rahmen der mechanischen Toleranzen noch ohne Änderungen an der Größe der Zähne zwecks Kraftübertragung in das Zahnrad der Antriebsquelle eingreifen kann.
Dabei weist das Getriebe vorteilhaft ein Übersetzungsverhältnis zwischen 1 zu 0,9 und 1 zu 1,1 von der Antriebsquelle auf die Kurbelwelle auf. Die typischen Motoren für schwere Nutzfahrzeuge stellen für den Antrieb eines Kompressors ein Zahnrad mit einem Moduluswert zwischen 1,5 und 3,5 mm bereit. Damit kann das Übersetzungsverhältnis pro Zahn, um den die Zahnanzahl Z₂ des Zahnrads an der Kurbelwelle geändert wird, um 2 bis 3 % geändert werden.
Nach dem Stand der Technik waren die Zahnanzahlen beider Zahnräder identisch, also Z₁ = Z₂. Wird Z₂ jetzt über Z₁ hinaus gesteigert, bewegt sich der Kolben im Kompressor langsamer. Damit kann das Betriebsgeräusch des Kompressors vermindert werden um den Preis, dass auch die Luftleistung pro Zeiteinheit abnimmt.
Vorteilhaft ist daher das Übersetzungsverhältnis größer als 1, d.h. Z₂ ist kleiner als Z₁. Dann bewegt sich der Kolben des Kompressors schneller. Bei gegebenen Spezifikationen für die Luftleistung pro Zeiteinheit (beispielsweise 200 Liter pro Minute bei 12 bar Systemdruck und 700 Umdrehungen pro Minute des Motors) ist dann weniger Kolbenhub im Zylinder erforderlich, um diese Leistung zu erbringen. Der Kompressor kann kompakter ausgestaltet werden. Wegen der beengten Platzverhältnisse im Motorraum ist der Kolbenhubraum ein ständiger Engpass. Typischerweise stehen nur 360 bis 400 cm³ pro Zylinder zur Verfügung.
Vorteilhaft ist das gegen die Kurbelwelle drehbar gelagerte Pleuelauge der Pleuelstange frei in einem Kreis um die Achse der Kurbelwelle beweglich. Der Verschleiß durch Lagerkräfte ist dann besonders gering. Weiterhin beansprucht diese Ausgestaltung besonders wenig Platz im Kurbelraum des Kurbelgehäuses.
Vorteilhaft ist die Drehachse der Kurbelwelle gegen die Mittelachse des Zylinderraums um einen Betrag dl zwischen 1 und 5 mm, bevorzugt zwischen 2 und 3 mm, versetzt. Dann kann zusätzlich der Effekt ausgenutzt werden, dass bei der Drehung der Kurbelwelle um ihre Achse die Auslenkung der Pleuelstange aus der Mittelachse des Zylinders vermindert wird. Diese Auslenkung beaufschlagt den Kolben mit einer Kraftkomponente, die gegen die Wand des Zylinders drückt und somit den Verschleiß durch Reibung zwischen Zylinder und Kolben erhöht.
Allgemein bietet die Erfindung den Vorteil, dass Kompressoren eines begrenzten Umfangs an Leistungsklassen mit einem hohen Gleichteilanteil kostengünstig gefertigt werden könne. Es ist zur Einstellung der Leistung lediglich der Versatz dl zwischen der Drehachse der Kurbelwelle und der Mittelachse des Zylinders anzupassen.
Spezieller Beschreibungsteil
Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung hierdurch beschränkt wird. Es ist gezeigt:
1 Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Kompressors mit Versatz zwischen Kurbelwelle und Mittelachse des Zylinderraums.
2 Integration eines erfindungsgemäßen Kompressors in einen vorgegebenen Motorraum.
1 zeigt eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kompressors. In dem Kurbelgehäuse 1, 5 befindet sich eine Zylinderbohrung 1a. Ihre Mittelachse ist mit X bezeichnet. In der Zylinderbohrung bewegt sich ein Kolben 2. Er ist über eine Pleuelstange 3 mit der Kurbelwelle 4 verbunden. Die Pleuelstange hat zwei Pleuelaugen 3a und 3b. Das obere Pleuelauge 3a ist drehbar gegen den Kolben 2 gelagert. Das untere Pleuelauge 3b ist drehbar gegen einen Kurbelzapfen 4a gelagert, der sich mit der Kurbelwelle 4 um deren Mittelachse Y dreht. Dreht sich die Kurbelwelle 4, beschreibt das untere Pleuelauge 3b der Pleuelstange 3 einen Kreis um die Mittelachse Y der Kurbelwelle 4. Die Achsen X und Y verlaufen senkrecht zueinander; die Achse X verläuft in der Zeichenebene, die Achse Y senkrecht zur Zeichenebene. Beide Achsen sind jedoch parallel um einen Betrag dl zueinander verschoben. Die Kurbelwelle 4 ist gegen das Teil 5 des Kurbelgehäuses 1, 5 drehbar gelagert.
Die Wirkung der Parallelverschiebung dl zeigt sich bei der Integration des Kompressors in einen Motorraum gemäß 2. An einem vorgegebenen Ort befindet sich der Motorblock 9 mit festen Abmessungen, der ein vorgegebenes Zahnrad 8 für den Antrieb des Kompressors bereitstellt. Das Zahnrad dreht sich um eine Achse Z, die senkrecht auf der Zeichenebene steht und von der in der Zeichenebene verlaufenden Mittelachse X des Zylinderraums einen Abstand A hat. Die Kurbelwelle 4 wird von einem Zahnrad 7 angetrieben, dass in das Zahnrad 8 am Motorblock 9 eingreift. Dieses Zahnrad 7 dreht sich um die Achse Y, die die Symmetrieachse der Kurbelwelle 4 ist und senkrecht auf der Zeichenebene steht. Die Achsen Y und Z haben einen Abstand B voneinander, der kleiner als der Abstand A ist. Daher hat das Zahnrad 7 eine Anzahl Z₂ von Zähnen, die kleiner ist als die Zahnanzahl Z₁ des Zahnrads 8 am Motorblock 9. Das Zahnrad 7 dreht also schneller als das Zahnrad 8. Dadurch stößt der Kompressor pro Zeiteinheit ein größeres Luftvolumen aus. Diese Veränderung wurde bewirkt, ohne das an den Abmessungen und am Formfaktor des Kompressors eine Veränderung vorgenommen werden musste. Auch der Flansch 6, mit dem er im Motorraum montiert ist, befindet sich an der gleichen Stelle wie bei einem Kompressor gemäß Stand der Technik, dessen Zahnrad 7 genauso groß war wie das Zahnrad 8.

Claims

Kompressor mit einem Kurbelgehäuse (1, 5), in dem eine Kurbelwelle (4) in einem Kurbelraum drehbar gelagert ist, wobei das Kurbelgehäuse (1, 5) mindestens einen Zylinderraum (1a) enthält, in dem ein durch eine Pleuelstange (3) exzentrisch an der Kurbelwelle (4) gelagerter Kolben (2) zu einer Hinund Herbewegung anregbar ist und wobei die Kurbelwelle (4) durch ein Zahnradgetriebe (7, 8), das einen Modulus m aufweist, mit einer Antriebsquelle (9) verbunden ist, indem das an der Kurbelwelle (4) angeordnete Zahnrad (7) in das Zahnrad (8) der Antriebsquelle (9) eingreift, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (Y) der Kurbelwelle (4) gegen die Mittelachse (X) des Zylinderraums (1a) um einen Betrag dl versetzt ist, der ein ganzzahliges Vielfaches von m/2 ist.
Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (7, 8) ein Übersetzungsverhältnis zwischen 1:0,9 und 1:1,1 von der Antriebsquelle (9) auf die Kurbelwelle (4) aufweist.
Kompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Übersetzungsverhältnis größer als 1 ist.
Kompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das gegen die Kurbelwelle (4) drehbar gelagerte Pleuelauge (3b) der Pleuelstange (3) frei in einem Kreis um die Achse (Y) der Kurbelwelle (4) beweglich ist.
Kompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (Y) der Kurbelwelle (4) gegen die Mittelachse (X) des Zylinderraums (1a) um einen Betrag dl zwischen 1 und 5 mm, bevorzugt zwischen 2 und 3 mm, versetzt ist.