DE102019112245A1

DE102019112245A1 - Hubkolbenkompressor

Info

Publication number: DE102019112245A1
Application number: DE102019112245.7A
Authority: DE
Inventors: Peter Giese
Original assignee: OET GmbH
Current assignee: OET GmbH
Priority date: 2019-04-12
Filing date: 2019-05-10
Publication date: 2020-10-15
Also published as: JP7494206B2; CN113710893B; CN113710894B; CN113710894A; JP2022528446A; JP2022527608A; DE102019112237A1; JP7358501B2; CN113710893A; WO2020207936A1; WO2020207937A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hubkolbenkompressor mit einer Taumelscheibe (30) und mit wenigstens zwei Hubkolben (25), wobei die Taumelscheibe (30) wenigstens einen Taumelnocken (31, 32) und wenigstens ein Ausgleichsgewicht (38, 39) umfasst, die an einer ersten Ringfläche (41) eines Scheibengrundkörpers (40) angeordnet sind, und die Hubkolben (25) jeweils eine Kolbenachse K aufweisen, die auf einer gemeinsamen Kreislinie eines Kreises mit einem Kreisdurchmesser dpangeordnet sind, und wobei die Taumelscheibe (30)- eine Taumelscheibenmasse m,- eine Dichte p,- eine von einem Kippwinkel ψ der Taumelscheibe (30) abhängige Schwerpunktslage y,- eine Dicke z, die dem Abstand der ersten Ringfläche (41) zu einer parallelen, zweiten Ringfläche (41, 42) des Scheibengrundkörpers (40) entspricht, und- im Betrieb eine vom Kippwinkel ψ der Taumelscheibe (30) abhängige Taumelscheibenunwuchtaufweist, wobei für ein Unwuchtverhältnis M zwischen der Taumelscheibenunwucht und einer Referenzunwucht gilt:M(ψ)=m⋅y(ψ)mref⋅dp2wobei die Referenzmasse mrefaus der Dicke z des Scheibengrundkörpers (40), dem Kreisdurchmesser dpund der Dichte p der Taumelscheibe (30) ermittelt ist, und wobei für einen quadratischen Mittelwert MRMSdes Unwuchtverhältnisses M über mehrere, insbesondere alle, diskrete, volle Kippwinkel ψ im Kippwinkelbereich zwischen zwischen ψ=0° und ψ=23° gilt:MRMS=M12+M22+M32+⋯+Mn2nwobei MRMS< 0,045.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hubkolbenkompressor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiger Hubkolbenkompressor ist beispielsweise aus EP 1 148 241 A2 bekannt.
Der bekannte Hubkolbenkompressor weist eine Antriebswelle auf, mit der eine Mitnehmerscheibe drehfest verbunden ist. Eine Taumelscheibe ist über Gleitlager mit mehreren Hubkolben verbunden und weist eine Wellenbohrung auf, durch welche die Antriebswelle geführt ist. Ferner ist an der Taumelscheibe ein Taumelnocken vorgesehen, der eine gekrümmte Nockenspitze umfasst, die an einer Gleitfläche der Mitnehmerscheibe anliegt.
Um die im Betrieb auftretenden Kräfte aufzunehmen, ist die Taumelscheibe vergleichsweise massiv aufgebaut. Das führt zu relativ großen Massenträgheitsmomenten, die zu Schwingungen führen. Diese Schwingungen bewirken eine Geräuschentwicklung, die beim Einsatz des bekannten Hubkolbenkompressors in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor zwar kaum wahrgenommen werden. Die Geräusche des Verbrennungsmotors überlagern diese Geräuschentwicklung vielmehr.
Allerdings wird die Geräuschentwicklung von Hubkolbenkompressoren, die insbesondere für Fahrzeugklimaanlagen genutzt werden, bei den immer mehr aufkommenden Elektro- oder Hybridfahrzeugen nicht mehr von einem Motorengeräusch überlagert und daher als störend empfunden. Insofern besteht ein Bestreben darin, die Geräuschentwicklung von Hubkolbenkompressoren zu reduzieren.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Hubkolbenkompressor anzugeben, der sich durch einen leisen Betrieb und eine hohe Effizienz auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst.
Konkret beruht die Erfindung auf dem Gedanken, einen Hubkolbenkompressor mit einer Taumelscheibe und mit wenigstens zwei Hubkolben anzugeben, wobei die Taumelscheibe wenigstens einen Taumelnocken und wenigstens ein Ausgleichsgewicht umfasst. Der Taumelnocken und das Ausgleichsgewicht sind an einer ersten Ringfläche eines Scheibengrundkörpers angeordnet. Die Hubkolben weisen jeweils eine Kolbenachse K auf, die auf einer gemeinsamen Kreislinie eines Kreises mit einem Kreisdurchmesser d_p angeordnet sind. Die Taumelscheibe weist

- eine Taumelscheibenmasse m,
- eine Dichte p,
- eine von einem Kippwinkel ψ der Taumelscheibe abhängige Schwerpunktslage y,
- eine Dicke z, die dem Abstand der ersten Ringfläche zu einer parallelen, zweiten Ringfläche des Scheibengrundkörpers entspricht, und
- im Betrieb eine vom Kippwinkel ψ der Taumelscheibe abhängige Taumelscheibenunwucht

Für ein Unwuchtverhältnis M zwischen der Taumelscheibenunwucht und einer Referenzunwucht gilt: $M (ψ) = \frac{m \cdot y (ψ)}{m_{ref} \cdot \frac{d_{p}}{2}}$
wobei die Referenzunwucht das Produkt aus einer Referenzmasse m_ref und dem halben Kreisdurchmesser d_p ist. Die Referenzmasse m_ref ist aus der Dicke z des Scheibengrundkörpers, dem Kreisdurchmesser d_p und der Dichte p der Taumelscheibe ermittelt.
Erfindungsgemäß gilt für einen quadratischen Mittelwert M_RMS des Unwuchtverhältnisses M über mehrere, insbesondere alle, diskrete, volle Kippwinkel ψ im Kippwinkelbereich zwischen ψ=0° und ψ=23°: $M_{RMS} = \sqrt{\frac{M_{1}^{2} + M_{2}^{2} + M_{3}^{2} + \dots + M_{n}^{2}}{n}}$
wobei M_RMS < 0,045, insbesondere M_RMS < 0,035, insbesondere M_RMS < 0,022, insbesondere M_RMS < 0,01, insbesondere M_RMS < 0,006. Mit „n“ ist die Anzahl der Kippwinkel ψ (Kippwinkelanzahl) bezeichnet. Bevorzugt ist es, wenn für die Kippwinkelanzahl n gilt: n=23.
Bei der Erfindung weist die Taumelscheibe geringe Massenträgheitsmomente auf, so dass sich im Betrieb eine geringe Geräuschentwicklung einstellt. Der Hubkolbenkompressor arbeitet also über den relevanten Kippwinkelbereich äußerst leise und eignet sich daher insbesondere zum Einsatz in Elektro- oder Hybridfahrzeugen.
Der Kreisdurchmesser d_p, der zur Berechnung der Referenzmasse m_ref dient, entspricht dem Durchmesser eines Kreises der senkrecht zur Antriebswelle des Hubkolbenkompressors ausgerichtet ist und alle Hubkolben, insbesondere deren Längsachsen, miteinander verbindet.
Als Nocken wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung ein auf einer Welle oder einer Scheibe angeordneter, gerundeter Vorsprung bezeichnet, der auf einer Berühr- bzw. Gleitkontur eines Gegenelements entlang gleitet. So ist der Taumelnocken beispielsweise als Vorsprung an der Taumelscheibe gebildet.
Als Scheibengrundkörper wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung ein Teil der Taumelscheibe verstanden, der sich zwischen zwei parallelen Ringflächen erstreckt und in radialer Richtung durch die Außenkante der Taumelscheibe begrenzt ist. Der Scheibengrundkörper ist vorzugsweise einteiliger Bestandteil der Taumelscheibe. Insbesondere ist die Taumelscheibe vorzugsweise einstückig ausgebildet und umfasst den Scheibengrundkörper, den wenigstens einen Taumelnocken und das wenigstens eine Ausgleichsgewicht.
Der Taumelnocken und das Ausgleichsgewicht stellen im Wesentlichen Unwuchtmassen dar, die bei der Rotation der Taumelscheibe zu Schwingungen führen können. Es hat sich gezeigt, dass die Schwingungen zu einer geringeren Geräuschentwicklung führen, wenn die Masse des Taumelnockens und des Ausgleichsgewichts gegenüber der Masse des Scheibengrundkörpers (bzw. die Masse der gesamten Taumelscheibe gegenüber der Masse des Scheibengrundkörpers) klein ist. Gleichzeitig wird durch die reduzierte Masse die Effizienz erhöht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist insofern vorgesehen, dass ein Masseverhältnis m/m_ref der Masse m der gesamten Taumelscheibe zur Masse m_ref des Scheibengrundkörpers höchstens 2,2, insbesondere höchstens 1,9, insbesondere höchstens 1,85 beträgt.
Alternativ oder zusätzlich zur Einstellung des Masseverhältnisses m/m_ref kann der Scheibengrundkörper eine parallel zwischen den Ringflächen angeordnete Mittelebene E aufweisen, wobei ein Abstandsverhältnis f/z zwischen einem Abstand f des Schwerpunkts S der Taumelscheibe von der Mittelebene E und der Dicke z des Scheibengrundkörpers höchstens 0,6 mm beträgt. Insbesondere kann der Schwerpunkt S außerhalb des Scheibengrundkörpers und/oder außerhalb einer Rotationsachse des Scheibengrundkörpers angeordnet sein.
Ferner kann der Schwerpunkt S exzentrisch bezüglich einer Längsachse der Antriebswelle angeordnet sein.
Die Lage des Schwerpunkts der Taumelscheibe beeinflusst die im Betrieb der Taumelscheibe auftretenden Schwingungen und damit die Geräuschentwicklung eines mit der Taumelscheibe ausgerüsteten Hubkolbenkompressors. Es hat sich gezeigt, dass ein Abstandsverhältnis f/z von höchstens 0,6 mm von der Mittelebene des Scheibengrundkörpers für einen besonders ruhigen Lauf der Taumelscheibe sorgt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hubkolbenkompressors ist an der ersten und/oder zweiten Ringfläche des Scheibengrundkörpers jeweils ein Berührnocken angeordnet, der fest mit dem Scheibengrundkörper verbunden ist, wobei der Berührnocken eine nach außen gewölbte Anlagefläche für eine Druckfeder aufweist. Vorzugsweise grenzt der Berührnocken unmittelbar an eine Wellenbohrung der Taumelscheibe an, die zur Durchführung einer Antriebswelle eines Hubkolbenkompressors vorgesehen ist.
Durch die gewölbte Anlagefläche des Berührnockens kann die Taumelscheibe leicht gekippt werden, wobei ein im Wesentlichen gleichbleibender Kontakt zur Druckfeder bestehen bleibt. Insbesondere kann die Berührfläche zwischen dem Berührnocken und der Druckfeder bei unterschiedlichen Kippwinkeln der Taumelscheibe im Wesentlichen unverändert bleiben. Insgesamt kann somit ein geräuscharmes Kippen der Taumelscheibe erreicht werden, da durch die gewölbte Anlagefläche ein geringer Widerstand beim Kippen der Taumelscheibe entsteht. Das trägt zu einem ruhigen und leisen Betrieb des Hubkolbenkompressors bei.
Vorzugsweise weist die Taumelscheibe zwei Taumelnocken auf, die parallel zueinander ausgerichtet sind. Die Taumelscheibe kann ferner eine Mittelachse T aufweisen, die sich entlang eines Durchmessers des Scheibengrundkörpers mittig zwischen den Taumelnocken erstreckt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Hubkolbenkompressors ist vorgesehen, dass an der ersten Ringfläche des Scheibengrundkörpers ein erstes Ausgleichsgewicht vorgesehen ist, das bezogen auf die Mittelachse T des Scheibengrundkörpers um einen ersten Winkel α₁ verdreht angeordnet ist. Das Ausgleichsgewicht gleicht die Unwucht bzw. die Massenträgheitsmomente, die durch den Taumelnocken erzeugt wird bzw. werden, aus.
Alternativ oder zusätzlich kann an der zweiten Ringfläche des Scheibengrundkörpers ein zweites Ausgleichsgewicht vorgesehen sein, das bezogen auf die Mittelachse T des Scheibengrundkörpers um einen zweiten Winkel α₂ verdreht angeordnet ist. Das zweite Ausgleichsgewicht ist somit auf einer dem Taumelnocken gegenüberliegenden Seite des Scheibengrundkörpers angeordnet und kompensiert eine Unwucht der Taumelscheibe auch bei unterschiedlichen Kippwinkeln. Insgesamt reduziert das zweite Ausgleichsgewicht auf diese Weise weiter die im Betrieb der Taumelscheibe auftretenden Schwingungen und somit die Geräuschentwicklung in dem Hubkolbenkompressor.
Vorzugsweise weisen der erste Winkel α₁ und der zweite Winkel α₂ unterschiedliche Beträge und/oder unterschiedliche Vorzeichen auf. Mit anderen Worten sind das erste Ausgleichsgewicht und das zweite Ausgleichsgewicht vorzugsweise zueinander verdreht angeordnet.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Taumelscheibe zwei Taumelnocken aufweist, die einen ersten Taumelnocken und einen zweiten Taumelnocken bilden. Der erste Taumelnocken kann eine größere Wandstärke als der zweite Taumelnocken aufweisen. Aufgrund der resultierenden Kolbenkräfte wirkt auf den ersten Taumelnocken eine größere Kraft als auf den zweiten Taumelnocken. Daher ist vorgesehen, den stärker kraftbelasteten ersten Taumelnocken mit einer höheren Wandstärke auszustatten. Der weniger belastete zweite Taumelnocken kann eine geringere Wandstärke umfassen. Damit wird eine Gewichtseinsparung erreicht, die zur erheblichen Reduktion der Gesamtmasse und der Geräuschentwicklung des Hubkolbenkompressors beiträgt.
Vorzugsweise ist eine Mitnehmerscheibe vorgesehen, die zwei Mitnehmernocken aufweist, die sich zwischen die Taumelnocken erstrecken. Die Mitnehmerscheibe kann ein drittes Ausgleichsgewicht aufweisen, das bezogen auf eine Zentralachse Z um einen dritten Winkel α₃ verdreht angeordnet ist. Die Zentralachse Z erstreckt sich vorzugsweise entlang eines Durchmessers der Mitnehmerscheibe mittig zwischen den Mitnehmernocken.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen

1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Hubkolbenkompressor nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel;
2 eine Draufsicht auf die Antriebswelle mit Mitnehmerscheibe und Taumelscheibe des Hubkolbenkompressors gemäß 1;
3 eine Längsschnittansicht der Antriebswelle mit Mitnehmerscheibe und Taumelscheibe des Hubkolbenkompressors gemäß 1;
4 eine Seitenansicht eines Ausschnitts einer Taumelscheibe mit Berührnocken, die eine gewölbte Anlagefläche aufweisen;
5a eine Rückansicht einer Taumelscheibe mit einem zweiten Ausgleichsgewicht;
5b eine Seitenansicht der Taumelscheibe gemäß 5a;
5c eine Vorderansicht der Taumelscheibe gemäß 5a mit einem ersten Ausgleichsgewicht und Taumelnocken;
6 eine Draufsicht und eine Seitenansicht einer virtuellen Referenz-Taumelscheibe zur Berechnung der Referenzmasse;
7 ein Diagramm zum Vergleich des Unwuchtverhältnisses des erfindungsgemäßen Hubkolbenkompressors nach 1 und Hubkolbenkompressoren aus dem Stand der Technik;
8a eine Rückansicht einer Mitnehmerscheibe mit Mitnehmernocken und einem dritten Ausgleichsgewicht;
8b eine Seitenansicht der Mitnehmerscheibe gemäß 8a;
8c eine Vorderansicht der Mitnehmerscheibe gemäß 8a;
9 eine schematische Darstellung relevanter Dimensionen einer Taumelscheibe eines erfindungsgemäßen Hubkolbenkompressors; und
10 eine Seitenansicht eines Antriebsstrangs eines Hubkolbenkompressors mit einer Taumelscheibe, einer Mitnehmerscheibe und einer Antriebswelle.

In 1 ist ein Hubkolbenkompressor gezeigt, der ein Gehäuse 15 aufweist. In dem Gehäuse 15 ist eine Antriebswelle 10 gelagert. Die Antriebswelle 10 trägt eine Mitnehmerscheibe 20, die drehfest mit der Antriebswelle 10 verbunden ist. Ferner ist eine Taumelscheibe 30 vorgesehen, die eine Wellenbohrung 34 umfasst, durch welche die Antriebswelle 10 geführt ist. Die Taumelscheibe 30 steht über Gleitlager 37 mit mehreren Hubkolben 25 in kraftübertragendem Eingriff. Die Hubkolben 25 sind in Zylindern 26 geführt, die jeweils eine Endfläche 28 aufweisen.
Die Taumelscheibe 30 weist eine erste Ringfläche 41 und eine zweite Ringfläche 42 auf. Die Ringflächen 41, 42 sind parallel zueinander angeordnet und begrenzen einen Scheibengrundkörper 40. Der Scheibengrundkörper 40 weist eine Dicke z auf. Die Dicke z entspricht somit dem Abstand zwischen der ersten Ringfläche 41 und der zweiten Ringfläche 42.
Die erste Ringfläche 41 ist der Mitnehmerscheibe 20 zugewandt, wogegen die zweite Ringfläche 42 den Zylindern 26 zugewandt ist. Von der ersten Ringfläche 41 gehen ein erster Taumelnocken 31 und ein zweiter Taumelnocken 32 aus, die jeweils eine Nockenspitze 33 umfassen. Jede Nockenspitze 33 liegt an einer korrespondierenden Gleitfläche 21 an, die an der Mitnehmerscheibe 20 ausgebildet ist.
Die Mitnehmerscheibe 20 umfasst einen ersten Mitnehmernocken 22 und einen zweiten Mitnehmernocken 23, die sich zwischen die Taumelnocken 31, 32 erstrecken. Die Gleitflächen 21 sind jeweils seitlich außen und unmittelbar angrenzend an die Mitnehmernocken 22, 23 ausgebildet. In 1 ist die dem zweiten Taumelnocken 32 gegenüberliegende Gleitfläche 21 durch den zweiten Mitnehmernocken 23 der Mitnehmerscheibe 20 verdeckt. Die Gleitfläche 21 ist einstückig mit der Mitnehmerscheibe 20 ausgebildet.
Für eine schwingungsarme Rotation sind an der Taumelscheibe 30 ferner ein erstes Ausgleichsgewicht 38 und ein zweites Ausgleichsgewicht 39 vorgesehen. Das erste Ausgleichsgewicht 38 geht von der ersten Ringfläche 41 aus. Im Wesentlichen liegt das erste Ausgleichsgewicht 38 den Taumelnocken 31, 32 mit Bezug auf eine Rotationsachse der Taumelscheibe 30 gegenüber.
Die Taumelnocken 31, 32 und das erste Ausgleichsgewicht 38 sind einstückig mit dem Scheibengrundkörper 40 ausgebildet. Mit anderen Worten bildet der Scheibengrundkörper 40 mit den Taumelnocken 31, 32 und den Ausgleichsgewichten 38, 39 einstückig die Taumelscheibe 30.
In 2 ist in einer Draufsicht erkennbar, dass die Taumelscheibe 30 insgesamt zwei Taumelnocken 31, 32 aufweist. Dabei ist der erste Taumelnocken 31 mit einer größeren Wandstärke ausgestattet als der zweite Taumelnocken 32. Die beiden Taumelnocken liegen jeweils mit ihren Innenflächen an den Mitnehmernocken 22, 23 der Mitnehmerscheibe 20 an.
Die Mitnehmerscheibe 20 rotiert im Betrieb mit der Antriebswelle 10 und überträgt dabei Rotationskräfte auf die Taumelscheibe 30. Da die resultierenden Kräfte der Hubkolben 25 überwiegend auf den ersten Taumelnocken 31 wirken, ist vorgesehen, diesen mit einer stärkeren Wandstärke auszustatten. Der zweite Taumelnocken 32 weist eine geringere Wandstärke als der erste Taumelnocken 31 auf und trägt damit zur Gewichtsersparnis des Hubkolbenkompressors bei.
In 2 ist auch erkennbar, dass jeder der beiden Taumelnocken 31, 32 an jeweils einer Gleitfläche 21 anliegt. Die Berührflächen zwischen der jeweiligen Gleitfläche 21 und den jeweiligen Taumelnocken 31, 32 sind daher unterschiedlich groß. Insbesondere hat der erste Taumelnocken 31 eine größere Berührfläche zur Gleitfläche 21 als der zweite Taumelnocken 32. Damit wird auch die Kraftübertragungsfläche in längsaxialer Richtung für den ersten Taumelnocken 31 gegenüber dem zweiten Taumelnocken 32 erhöht. Dies ist ebenfalls zweckmäßig, um eine gute Kraftübertragung einerseits und eine Gewichtsersparnis andererseits zu erreichen.
Zur Gewichtsersparnis und zur Reduktion von Schwingungen trägt insbesondere bei, dass ein Masseverhältnis m/m_ref zwischen der Masse m der gesamten Taumelscheibe 30 und einer Referenzmasse m_ref höchstens 2,2 beträgt. Die Gewichtsersparnis kann durch unterschiedliche Maßnahmen erreicht werden. Beispielsweise kann die Dicke z des Scheibengrundkörpers 40 reduziert werden. Damit sinkt nicht nur die Masse des Scheibengrundkörpers 40, sondern es ist dann auch möglich, die Masse der Ausgleichsgewichte 38, 39 zu reduzieren.
Die Referenzmasse m_ref wird aus der Dicke z des Scheibengrundkörpers 40, dem Kreisdurchmesser d_p und der Dichte p der Taumelscheibe 30 ermittelt.
Die Reduktion von Schwingungen kann durch eine verbesserte Schwerpunktslage erreicht werden. Dazu kann vorgesehen sein, dass der Schwerpunkt S der Taumelscheibe 30 von einer Mittenebene E des Scheibengrundkörpers 40 um einen Betrag (Abstand f) entfernt ist, der höchstens der 0,6-fachen Dicke z des Scheibengrundkörpers 40 entspricht (9). Der Schwerpunkt S der Taumelscheibe 30 liegt, wie in 9 gut erkennbar ist, vorzugsweise außerhalb des Scheibengrundkörpers 40. Ferner kann der Schwerpunkt S außerhalb, insbesondere oberhalb, d.h. näher an den Taumelnocken 31, 32, einer Rotationsachse A angeordnet sein.
9 zeigt in sehr schematischer Darstellung die für die verbesserte Geräuschemission und Gewichtsreduktion relevanten Dimensionen der Taumelscheibe. Insbesondere ist der Scheibengrundkörper 40 dargestellt. Die Ausgleichsgewichte 38, 39 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt. Auch die Taumelnocken 31, 32 sind nicht dargestellt. Vielmehr ist ein Taumelnocken 31, 32 schematisch, d.h. nicht mit seinen realen Außenkonturen, durch eine strichpunktierte Linie angedeutet.
Gut erkennbar ist in 9 die Lage des Schwerpunkts S, der um eine Exzentrizität y von der Längsachse 14 und um einen Abstand f von der Mittelebene E der Taumelscheibe 30 versetzt angeordnet ist. Die gezeigte Lage des Schwerpunkts S hat sich als besonders vorteilhaft für die Reduktion von Schwingungen im Betrieb der Taumelscheibe 30 erwiesen. Die Geräuschentwicklung des Hubkolbenkompressors wird dadurch merklich reduziert.
3 zeigt zur Verdeutlichung nochmals eine Längsschnittansicht durch die Antriebswelle 10, die Mitnehmerscheibe 20 und die Taumelscheibe 30. Aus 3 ist gut erkennbar, wie die Mitnehmerscheibe 20 und die Taumelscheibe 30 zueinander angeordnet sind. Die Taumelscheibe 30 weist eine Wellenbohrung 34 auf, die aus zwei kreiskegelförmigen Ausnehmungen gebildet ist. Damit ist es für die Taumelscheibe möglich, innerhalb eines vorbestimmten Winkelbereichs den Schwenkwinkel bzw. Kippwinkel ψ zu ändern. Dies erfolgt vorzugsweise anhand des Gegendrucks im Hubkolben 25. Beim Verschwenken der Taumelscheibe 30 gleitet die Nockenspitze 33 entlang der Gleitfläche 21, was auch den Hub der einzelnen Hubkolben 25 beeinflusst. Der veränderbare Kippwinkel ψ der Taumelscheibe 30 ist in 9 ebenfalls gezeigt.
In den 5a bis 5c ist ein Ausführungsbeispiel einer Taumelscheibe 30 mit zwei Ausgleichsgewichten 38, 39 gezeigt. Dabei gehen das erste Ausgleichsgewicht 38 von der ersten Ringfläche 41 und das zweite Ausgleichsgewicht 39 von der zweiten Ringfläche 42 aus (5b).
Wie in 5a erkennbar ist, ist das zweite Ausgleichsgewicht 39 im Wesentlichen U-förmig um eine Wellenbohrung 34 der Taumelscheibe 30 ausgebildet. Die Wellenbohrung 34 ist als Durchgangsbohrung ausgebildet. Ferner ist das zweite Ausgleichsgewicht 39 um einen zweiten Winkel α₂ ausgehend von einer Mittelachse T verdreht ausgerichtet.
5c zeigt die Taumelscheibe 30 in einer Vorderansicht, wobei das erste Ausgleichsgewicht 38 erkennbar ist. Das erste Ausgleichsgewicht 38 weist im Wesentlichen eine trapezförmige Gestalt auf und grenzt unmittelbar an die Wellenbohrung 34 an. Das erste Ausgleichsgewicht 38 ist um einen ersten Winkel α₁ ausgehend von der Mittelachse T versetzt angeordnet. Der erste Winkel α₁ und der zweite Winkel α₂ sind jeweils zur selben Drehrichtung orientiert, d.h. beide Ausgleichsgewichte 38, 39 sind in die gleiche Richtung gegenüber der Mittelachse T verdreht angeordnet.
Die Darstellung gemäß 6 zeigt vereinfacht ein Referenzvolumen, das als Grundlage für die Berechnung der Referenzmasse m_ref dient. Das Referenzvolumen entspricht einem Zylinder mit der Dicke z, d.h. der Dicke des Scheibengrundkörpers 40 bzw. dem Abstand zwischen den Ringflächen 41, 42 des Scheibengrundkörpers 40. Der Durchmesser des Zylinders entspricht dem Durchmesser eines Kreises, der sich durch alle Anlenkpunkte, an welchen ein Hubkolben 25 mit der Taumelscheibe 30 verbunden ist, erstreckt bzw. alle diese Anlenkpunkte verbindet. Aus der Dicke z und dem Kreisdurchmesser d_p ergibt sich das Referenzvolumen, aus welchem sich zusammen mit der Dichte des Materials der Taumelscheibe 30 die Referenzmasse m_ref ermitteln lässt.
In 7 ist das Unwuchtverhältnis M über einen Kippwinkelbereich der Taumelscheibe 30 von 0° bis 23° dargestellt. Die durchgezogene Linie zeigt das Unwuchtverhältnis M bei einem erfindungsgemäßen Hubkolbenkompresser. Die gestrichelte Linie und die gepunktete Linie betreffen jeweils aus dem Stand der Technik bekannte Hubkolbenkompressoren. Es ist gut erkennbar, dass der erfindungsgemäße Hubkolbenkompressor insgesamt ein besseres, vor allem niedrigeres, Umwuchtverhältnis M aufweist. Insgesamt besteht bei dem erfindungsgemäßen Hubkolbenkompressor also über den gesamten Kippwinkelbereich eine geringe Unwucht, was zu einer geringen Geräuschentwicklung führt. Der Hubkolbenkompresser gemäß der Erfindung ist im Betrieb daher äußerst leise.
Eine sanfte Bewegung der Taumelscheibe 30 wird dadurch erreicht, dass die mit Druckfedern 45, 46 zusammenwirkenden Berührnocken 43, 44 jeweils eine nach außen gewölbte Anlagefläche 47 aufweisen (4). Die Berührnocken 43, 44 grenzen unmittelbar an die Wellenbohrung 34 an. Vorzugsweise sind die Berührnocken 43, 44 ringförmig um die Wellenbohrung 34 ausgebildet. Dabei können die Berührnocken 43, 44 jeweils einen vollständig geschlossenen Ring bilden. Die Berührnocken 43, 44 können einstückiger Bestandteil der Taumelscheibe 30 sein.
Wie in 4 erkennbar ist, liegt eine erste Druckfeder 45 an der Anlagefläche 47 eines ersten Berührnockens 43 der Taumelscheibe 30 an. Ein zweiter, dem ersten Berührnocken 43 gegenüberliegend angeordneter, Berührnocken 44 ist hingegen von einer zweiten Druckfeder 46 beabstandet. Die Anlagefläche 47 des zweiten Berührnockens 44 kommt jedoch bei anderen Kippwinkeln in Anlage mit der zweiten Druckfeder 46.
Die Berührnocken 43, 44 sind vorzugsweise einstückig mit der Taumelscheibe ausgebildet.
In den 8a bis 8c ist eine Mitnehmerscheibe 20 dargestellt. Die Mitnehmerscheibe 20 umfasst die Mitnehmernocken 22, 23, die im Wesentlichen gleichartig, jedoch zu einer Zentralachse Z achsensymmetrisch ausgebildet sind (8a). Die Mitnehmerscheibe 20 trägt außerdem ein drittes Ausgleichsgewicht 24, das über die kreisförmige Außenkontur der Mitnehmerscheibe 20 vorsteht.
Der Überstand ist in der Rückansicht gemäß 8c gut erkennbar. Das dritte Ausgleichsgewicht ist im Wesentlichen trapezförmig gestaltet. Zur Reduktion der Geräuschentwicklung des Hubkolbenkompressors ist das Ausgleichsgewicht um einen dritten Winkel α₃ ausgehend von der Zentralachse Z verdreht angeordnet. Die Größe des dritten Winkels α₃ bemisst sich dabei auch nach der Masse des ersten Taumelnockens 31. Mit anderen Worten dient das dritte Ausgleichsgewicht 24 nicht nur zum Massenausgleich der Mitnehmerscheibe 20, sondern zum Massenausgleich innerhalb des Antriebsstrangs insgesamt, der die Antriebswelle 10, die Mitnehmerscheibe 20 und die Taumelscheibe 30 umfasst.
10 zeigt die relevanten Dimensionen zur Berechnung der maßgeblichen Parameter der Erfindung. Insbesondere die Referenzmasse m_ref berechnet sich wie folgt: $m_{ref} = π \cdot {(\frac{dp}{2})}^{2} \cdot z \cdot ρ$
wobei p die Dichte der Taumelscheibe 30 bezeichnet.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen und ist insofern bevorzugt, wenn die Breite c des ersten Taumelnockens 31, die Breite a des zweiten Taumelnockens 32 und der Abstand b der Taumelnocken 31, 32 zueinander in einem vorbestimmten Verhältnis stehen bzw. vom Durchmesser d_p des Scheibengrundkörpers 40 abhängen (vgl. 2).
So ist bevorzugt vorgesehen, dass ein Verhältnis b/d_p zwischen dem Abstand b der Taumelnocken 31, 32 und dem Durchmesser d_p des Scheibengrundkörpers 40 zwischen 0,2 und 0,5, insbesondere 0,34, beträgt. Die jeweilige Breite a, c der Taumelnocken 31, 32 steht vorzugsweise in einem Verhältnis c/a zueinander, das zwischen 0,7 und 4,0, insbesondere 1,6, beträgt.
Bezugszeichenliste

10: Antriebswelle
14: Längsachse
15: Gehäuse
20: Mitnehmerscheibe
21: Gleitfläche
22: erster Mitnehmernocken
23: zweiter Mitnehmernocken
24: drittes Ausgleichsgewicht
25: Hubkolben
26: Zylinder
28: Endfläche
30: Taumelscheibe
31: erster Taumelnocken
32: zweiter Taumelnocken
33: Nockenspitze
34: Wellenbohrung
37: Gleitlager
38: erstes Ausgleichsgewicht
39: zweites Ausgleichsgewicht
40: Scheibengrundkörper
41: erste Ringfläche
42: zweite Ringfläche
43: erster Berührnocken
44: zweiter Berührnocken
45: erste Druckfeder
46: zweite Druckfeder
47: Anlagefläche
α₁: erster Winkel
α₂: zweiter Winkel
α₃: dritter Winkel
ψ, psi: Kippwinkel
a: Breite des zweiten Taumelnockens 32
b: Abstand der Taumelnocken 31, 32
c: Breite des ersten Taumelnockens 31
m: Masse der Taumelscheibe 30
m_Ref: Referenzmasse
d_p: Teilkreisdurchmesser der Hubkolben 25 bzw. der Zylinder 26
y: Exzentrizität
S: Schwerpunkt
z: Dicke des Scheibengrundkörpers 40
A: Rotationsachse
E: Mittelebene
T: Mittelachse
Z: Zentralachse
RMS: Quadratischer Mittelwert
K: Kolbenachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1148241 A2 [0001]

Claims

Hubkolbenkompressor mit einer Taumelscheibe (30) und mit wenigstens zwei Hubkolben (25), wobei die Taumelscheibe (30) wenigstens einen Taumelnocken (31, 32) und wenigstens ein Ausgleichsgewicht (38, 39) umfasst, die an einer ersten Ringfläche (41) eines Scheibengrundkörpers (40) angeordnet sind, und die Hubkolben (25) jeweils eine Kolbenachse K aufweisen, die auf einer gemeinsamen Kreislinie eines Kreises mit einem Kreisdurchmesser d_p angeordnet sind, und wobei die Taumelscheibe (30) - eine Taumelscheibenmasse m, - eine Dichte p, - eine von einem Kippwinkel ψ der Taumelscheibe (30) abhängige Schwerpunktslage y, - eine Dicke z, die dem Abstand der ersten Ringfläche (41) zu einer parallelen, zweiten Ringfläche (41, 42) des Scheibengrundkörpers (40) entspricht, und - im Betrieb eine vom Kippwinkel ψ der Taumelscheibe (30) abhängige Taumelscheibenunwucht aufweist, wobei für ein Unwuchtverhältnis M zwischen der Taumelscheibenunwucht und einer Referenzunwucht gilt: $M (ψ) = \frac{m \cdot y (ψ)}{m_{ref} \cdot \frac{d_{p}}{2}}$
wobei die Referenzunwucht das Produkt aus einer Referenzmasse m_ref und dem halben Kreisdurchmesser d_p ist und die Referenzmasse m_ref aus der Dicke z des Scheibengrundkörpers (40), dem Kreisdurchmesser d_p und der Dichte p der Taumelscheibe (30) ermittelt ist, und wobei für einen quadratischen Mittelwert M_RMS des Unwuchtverhältnisses M über mehrere, insbesondere alle, diskrete, volle Kippwinkel ψ im Kippwinkelbereich zwischen zwischen ψ=0° und ψ=23° gilt: $M_{RMS} = \sqrt{\frac{M_{1}^{2} + M_{2}^{2} + M_{3}^{2} + \dots + M_{n}^{2}}{n}}$
wobei M_RMS < 0,045, insbesondere M_RMS < 0,035, insbesondere M_RMS < 0,022, insbesondere M_RMS < 0,01, insbesondere M_RMS < 0,006.
Hubkolbenkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Masseverhältnis m/m_ref der Taumelscheibenmasse m zur Referenzmasse mref höchstens 2,2, insbesondere höchstens 1,9, insbesondere höchstens 1,85 beträgt.
Hubkolbenkompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Scheibengrundkörper (40) eine parallel zwischen den Ringflächen (41, 42) angeordnete Mittelebene E aufweist, wobei ein Abstandsverhältnis f/z zwischen einem Abstand f eines Schwerpunkts S der Taumelscheibe (30) von der Mittelebene E und der Dicke z des Scheibengrundkörpers (30) höchstens 0,6 mm beträgt.
Hubkolbenkompressor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwerpunkt S außerhalb des Scheibengrundkörpers (40) und/oder außerhalb einer Rotationsachse A des Scheibengrundkörpers (40) angeordnet ist.
Hubkolbenkompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der ersten und/oder zweiten Ringfläche (41, 42) jeweils ein Berührnocken (43, 44) angeordnet ist, der fest mit dem Scheibengrundkörper (40) verbunden ist, wobei der Berührnocken (43, 44) eine nach außen gewölbte Anlagefläche für eine Druckfeder (45, 46) aufweist.
Hubkolbenkompressor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Taumelscheibe (30) eine Wellenbohrung (34) zur Durchführung einer Antriebswelle (10) eines Hubkolbenkompressors aufweist, wobei der Berührnocken (43, 44) unmittelbar an die Wellenbohrung (34) angrenzt.
Hubkolbenkompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Taumelscheibe (30) zwei Taumelnocken (31, 32) aufweist, die parallel zueinander ausgerichtet sind
Hubkolbenkompressor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass an der ersten Ringfläche (41) ein erstes Ausgleichsgewicht (38) vorgesehen ist, das bezogen auf eine Mittelachse T des Scheibengrundkörpers (40) um einen ersten Winkel α₁ verdreht angeordnet ist, wobei sich die Mittelachse T entlang eines Durchmessers des Scheibengrundkörpers (40) mittig zwischen den Taumelnocken (31, 32) erstreckt.
Hubkolbenkompressor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass an der zweiten Ringfläche (42) ein zweites Ausgleichsgewicht (39) vorgesehen ist, das bezogen auf eine Mittelachse T des Scheibengrundkörpers (40) um einen zweiten Winkel α₂ verdreht angeordnet ist, wobei sich die Mittelachse T entlang eines Durchmessers des Scheibengrundkörpers (40) mittig zwischen den Taumelnocken (31, 32) erstreckt.
Hubkolbenkompressor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Winkel α₁ und der zweite Winkel α₂ unterschiedliche Beträge und/oder unterschiedliche Vorzeichen aufweisen.
Hubkolbenkompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Taumelscheibe (30) zwei Taumelnocken (31, 32) aufweist, wobei ein erster Taumelnocken (31) eine größere Wandstärke als ein zweiter Taumelnocken (32) aufweist.
Hubkolbenkompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mitnehmerscheibe (20) vorgesehen ist, die zwei Mitnehmernocken (22, 23) aufweist, die sich zwischen die Taumelnocken (31, 32) erstrecken.
Hubkolbenkompressor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mitnehmerscheibe (20) ein drittes Ausgleichsgewicht (24) aufweist, das bezogen auf eine Zentralachse Z um einen dritten Winkel α₃ verdreht angeordnet ist, wobei sich die Zentralachse Z entlang eines Durchmessers der Mitnehmerscheibe (20) mittig zwischen den Mitnehmernocken (22, 23) erstreckt.