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Die Erfindung betrifft eine Positionieranordnung zur Positionierung von axial benachbarten Maschinenkomponenten oder Bauteilen.
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Insbesondere bei rotierenden Bauteilen ist es wichtig, dass benachbarte, zusammengefügte Bauteile mit einer gemeinsamen Drehachse einen minimierten Achsversatz zueinander aufweisen. Ein beispielhaftes Anwendungsgebiet der Erfindung liegt bei der Konstruktion und Montage von Spiralverdichtern für Kraftfahrzeugklimaanlagen.
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Im Stand der Technik sind diverse Positionieranordnungen zur Zentrierung zweier axial miteinander verbauter Komponenten bekannt, bei welchen technisch relevante Elemente, wie Lagersitze, miteinander fluchten müssen. Dies erfolgt oft mittels einer Paarung von zwei in einer Bohrung eingesetzten und fixierten Stiften in einem der beiden Teile, sowie zwei korrespondierenden Bohrungen im zweiten Bauteil. Die Stifte werden auch als Positionierstifte und die korrespondierenden Bohrungen als Stiftaufnahmen bezeichnet. Bei der Montage wird das Bauteil mit den herausstehenden Positionierstiften mit dem Bauteil mit den Stiftaufnahmen in der Art einer Steckverbindung zusammengefügt. Die Positionierstifte werden dabei formschlüssig von den Stiftaufnahmen aufgenommen. Die Positioniergenauigkeit ist von den Toleranzen bei der Fertigung und Fixierung der Stifte in einem Bauteil und der Positionierung der Stiftaufnahmen abhängig.
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Eine weitere Ausführungsform von Positionieranordnungen besteht im Prinzip Positionierzapfen und korrespondierender Zapfenaufnahme. Umgesetzt wird dies beispielsweise dadurch, dass in einem Bauteil ein eingearbeiteter und hervortretender zentrischer zylindrischer Absatz, mit einem Durchmesser nahe dem Außenmaß der Bauteile, mit einer zylindrischen zentrischen Einsenkung des annähernd gleichen Durchmessers des axial anschließenden Bauteils gepaart wird.
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Mit beiden vorgenannten Konzepten ist ein Fügespiel über eine geringe nominale Durchmesserdifferenz verbunden, welche zu einem sich einstellenden Positionsfehler nach erfolgter Montage beiträgt.
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Als Nachteil der Konzepte nach dem Stand der Technik ist die Begrenzung der erreichbaren Fertigungsgenauigkeit für die Positionieranordnung zu nennen, welche im Allgemeinen die erreichbare Zentriergenauigkeit limitiert.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Positionieranordnung zur Verfügung zu stellen, welche eine Verbesserung der Positioniergenauigkeit ermöglicht, ohne die Anforderung an deren Fertigungsgenauigkeit zu erhöhen. Mithilfe der Positionieranordnung soll bei axial benachbarten Maschinenkomponenten ein minimierter Achsversatz erreicht werden.
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Die Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Die Aufgabe der Erfindung wird insbesondere durch eine Positionieranordnung für die positionsgenaue Verbindung eines Basisbauteils mit einem Zentrierbauteil zur Erreichung einer Achskonzentrizität gelöst, wobei das Basisbauteil eine Basisbauteilachse und das Zentrierbauteil eine Zentrierbauteilachse aufweisen, welche mit minimalem Achsversatz und somit höchster Achskonzentrizität angeordnet werden sollen. Es hat sich gezeigt, dass eine erhöhte Positioniergenauigkeit erreicht werden kann, wenn im Zentrierbauteil mindestens drei und höchstens sechs Positionierstifte angeordnet und verankert sind, welche in Stiftaufnahmen im Basisbauteil bei der Herstellung einer Verbindung zwischen Basisbauteil und Zentrierbauteil formschlüssig und positionierend eingreifen.
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Bevorzugt wird die Aufgabe der Erfindung durch eine Positionieranordnung gelöst, wenn diese durch genau fünf Positionierstifte im Zentrierbauteil und korrespondierend fünf Stiftaufnahmen im Basisbauteil ausgebildet ist.
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Vorteilhaft sind die Positionierstifte um die Zentrierachse herum mit gleichem Abstand zur Zentrierachse angeordnet.
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Besonders vorteilhaft sind die Positionierstifte auf dem Umfang eines Kreises um die Zentrierachse herum äquidistant, also mit gleichem Abstand, verteilt angeordnet.
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Alternativ dazu wird die Positionieranordnung vorteilhaft ausgebildet, wenn die Positionierstifte um die Zentrierachse herum zufällig verteilt angeordnet sind.
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Die Positionierung zweier Bauteile durch die voreschriebene Positionieranordnung wird vorteilhaft noch dadurch erhöht, dass zusätzlich ein zentrischer zylindrischer Absatz im Zentrierbauteil und eine zentrische zylindrische Einsenkung im Basisbauteil ausgebildet sind.
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Vorteilhaft werden die Positionierstifte aus Stahl ausgebildet und im Zentrierbauteil aus Aluminium verankert.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, das ein Spiralverdichter mit feststehender Spirale und orbitierender Spirale dadurch weitergebildet wird, dass die feststehende Spirale mit fünf Positionierstiften im Verdichtergehäuse in Achskonzentrizität mit der Verdichterwelle angeordnet ist. Alternativ sind die Positionierstifte an der Spirale angeordnet.
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Die Konzeption der Erfindung besteht somit in der Duplizierung der aus dem Stand der Technik bekannten und dort verwendeten individuellen immanenten Positions- und Maßfehler der einzelnen gleichzeitig im Eingriff befindlichen Positionierungselemente, um den Positionsfehler der Bauteilachsen der gefügten Bauteile zu reduzieren.
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Dem liegt zugrunde, dass Positionierungskonzepte mit begrenzter Zentriergenauigkeit für funktionale Achsen periodische relative Ausgleichsbewegungen einzelner Elemente von mehrteiligen Rotoren zur Folge haben, wenn diese durch entsprechende mechanische Führung unterschiedliche Bahnbewegungen ausführen. Beispielsweise rotiert in einem Scroll-Verdichter die Antriebswelle des Gesamtrotors. Die von der Welle über den Kuppelzapfen und ein zwischengeschaltetes Kopplungselement angetriebene Verdichterschnecke, die orbitierende Spirale, führt eine kreisförmige Bahnbewegung aus. Der Kreisbahnradius, welchem sie folgt, wird durch kontinuierliches radiales Abgleiten auf der feststehenden Verdichterschnecke, der feststehenden Spirale, gewährleistet. Wenn die geometrische Achse der feststehenden Spirale zur Wellenachse radial versetzt ist, erzeugt dies zusätzliche Relativbewegungen und damit Anregungen von Rotor- und Führungselementen. Diese bewirken zusätzliche Bauteilbelastungen und tragen weiterhin auch zu einer Verschlechterung des Betriebsgeräusches bei. Insgesamt verschlechtert sich die NVH-Charakteristik in Kraftfahrzeugen. Als NVH bezeichnet man zusammenfassend die hör- oder spürbaren Schwingungen in Kraftfahrzeugen oder an Maschinen, wobei NVH für Geräusch, Vibration, Rauigkeit steht.
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Durch die Positionieranordnung nach der Erfindung wird eine genauere Zentrierung von Bauteilachsen und dadurch eine genauere Führung von Rotorbauteilen ermöglicht. Dies hat eine geringere Abweichung von funktional vorgegebenen Bahnbewegungen geführter Rotorelemente zur Folge, was Anregungen durch Bahnabweichungen einzelner Elemente von gekoppelten Rotoren reduziert, in welchen verschiedene Bauteilen die Bahnführung einzelner Rotorelemente übernehmen.
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Besonders vorteilhaft ist, dass durch einen geringen Zusatzaufwand durch zusätzliche Positionierstifte und korrespondierende Ausnehmungen die Positioniergenauigkeit deutlich erhöht wird. Dies ist dadurch erreichbar, da lediglich die Anzahl von bewährten und günstig herstellbaren Positionierstiften kleiner Baugröße erhöht wird.
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Die verschiedenen Anforderungen zur Aggregate-Robustheit sowie die Anforderungen an niedrige Betriebsgeräusche der Aggregate können durch eine verbesserte Bahnführung von Rotorelementen durch Erhöhung der Achskonzentrizität erreicht werden.
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Hinzu tritt, dass eine verbesserte Bahnführung von Rotorelementen zu geringeren mechanisch bedingten Anregungen und Zusatzbelastungen der Bauteile führt, was im Anforderungsprofil der Nutzer einen sehr hohen Stellenwert, vergleichbar mit der Erfüllung der Primärfunktionen des Verdichters, wie Förderleistung, Gesamtwirkungsgrad und Wirtschaftlichkeit, einnimmt.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
- 1: Positionieranordnung mittels Positionierzapfen nach dem Stand der Technik,
- 2: Positionieranordnung mittels Positionierstiften nach dem Stand der Technik,
- 3: Positionieranordnung mit zwei Positionierstiften,
- 4: Positionieranordnung mit fünf gleichmäßig verteilten Positionierstiften,
- 5: Positionieranordnung mit fünf ungleichmäßig und zufällig verteilten Positionierstiften,
- 6: Positionieranordnung mit ungleichmäßiger Verteilung der Positionierstifte in Reihen,
- 7: Diagramm Achsversatz als relativer Achsversatz als Funktion der Positionierstifte über der Anzahl der Positionierstifte,
- 8: Diagramm relative Verminderung des Achsversatzes durch Erhöhung der Anzahl der Positionierstifte,
- 9: Diagramm des relativen radialen Versatzes bei der Verwendung von zwei Positionierstiften,
- 10: Diagramm des relativen radialen Versatzes bei der Verwendung von fünf Positionierstiften,
- 11a) und b) Positionieranordnung Spiralverdichter mit zwei Positionierstiften und
- 12a) und b) Positionieranordnung Spiralverdichter mit fünf Positionierstiften.
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In 1 ist eine Positionieranordnung nach dem Stand der Technik dargestellt, in welcher ein Zentrierbauteil 3 einen zentrischen zylindrischen Absatz 1 aufweist, der in eine zentrische zylindrische Einsenkung 2 eines Basisbauteils 4 eingreift. Der zentrische zylindrischer Absatz 1 ist mit geringem Aufwand als zylindrischer Zapfen eines definierten Durchmessers gefertigt. Die zentrische zylindrische Einsenkung 2 wird korrespondierend dazu durch eine Ausnehmung oder ein Loch hergestellt, in welches der Zapfen eingreift. Durch die Fertigungstoleranzen für den Zapfen und das Loch entsteht ein Spiel, durch welches sich das Zentrierbauteil 3 in dem Basisbauteil 4 bewegen kann. Die Zentrierbauteilachse 5, als Strichpunktlinie dargestellt, weist zur Basisbauteilachse 6, die als durchgezogene Linie gezeigt ist, einen Versatz auf. Der Versatz der beiden Achsen 5, 6 wird auch als Bauteil- oder Achsversatz bezeichnet. Der Versatz der Bauteile zueinander ist in der Draufsicht auf Zentrierbauteil 3 als gestrichelte Linien dargestellt. Die Achsen sind einer Ebene versetzt zueinander als Kreuzungspunkte der Hilfslinien gezeigt.
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In 2 ist eine weitere Ausgestaltung nach dem Stand der Technik zur Verbindung eines Zentrierbauteiles 3 mit einem Basisbauteil 4 dargestellt. Hierbei wird die Positionieranordnung ergänzt um Positionierstifte 7, die im Zentrierbauteil 3 angeordnet und gegenüberliegend dargestellt sind. Die Positionierstifte 7 sind dabei fest im Zentrierbauteil 3 verankert. In Basisbauteil 4 sind Stiftaufnahmen 9, als Bohrungen ausgeführt, gezeigt, in welche die Positionierstifte 7 formschlüssig und positionierend eingreifen. Bevorzugt sind die Positionierstifte 7 selbst als Kreiszylinder ausgeführt. Die Zentrierbauteilachse 5 und die Basisbauteilachse 6 sind entsprechend der Fertigungstoleranzen für die Positionierstifte 7 und die Stiftaufnahme 9 mit einem Versatz und somit einer verminderten Achszentrizität der Zentrierbauteilachse 5 zur Basisbauteilachse 6 behaftet. In der Draufsicht auf das Zentrierbauteil 3 ist in einer Schnittdarstellung der Versatz der Positionierstifte 7 in der Stiftaufnahme 9 gezeigt.
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In 3 ist die Positionieranordnung gemäß 2 perspektivisch dargestellt, wobei zusätzliche Positionierstifte zeichnerisch angedeutet aber nicht bezeichnet sind.
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4 zeigt die nach der Erfindung bevorzugte Ausgestaltung durch die Verwendung einer Positionieranordnung mit fünf Positionierstiften 7. Die Positionierstifte 7 sind in das Zentrierbauteil 3 eingelassen und dort fixiert. Das Zentrierbauteil 3 besitzt eine Zentrierbauteilachse 5, die mit minimalem Achsversatz zur Basisbauteilachse 6 mit der Stiftaufnahme 9 für die Positionierstifte 7 des Zentrierbauteils 3 ausgeführt ist. Die Positionierelemente, mithin die mit den Stiftaufnahmen 9 zusammenwirkenden Positionierstifte 7, sind gemäß 4 auf einem Kreis um die Zentrierbauteilachse 5 herum in gleichen Abständen auf dem Umfang dieses Kreis äquidistant angeordnet.
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In 5 ist das Positioniersystem als Positionieranordnung von wiederum fünf jedoch unregelmäßig verteilten Positionierstiften 7 auf dem Zentrierbauteil 3 ausgestaltet. Die unregelmäßige Verteilung der Positionierstifte 7 und der korrespondierend auf dem Basisbauteil 4 verteilt angeordneten Stiftaufnahmen 9 gestattet eine fehlerfreie Winkelausrichtung und Positionierung der Bauteile zueinander, da eine Verdrehung von Zentrierbauteil 3 zu Basisbauteil 4 durch die zufällige Anordnung der Positionierelemente bei der Montage wirksam verhindert ist.
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In 6 ist die Positionieranordnung in einer alternativen Ausgestaltung mit ungleichmäßiger Verteilung der Positionierstifte 7 und der korrespondierenden Stiftaufnahmen 9 gezeigt. Die Zentrierbauteilachse 5 des Zentrierbauteils 3 kann mit geringerem Achsversatz zur Basisbauteilachse 6 montiert werden.
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In 7 ist der relative Achsversatz der aus der Ausgestaltungen nach 3 mit zwei Positionierelementen zu der Ausgestaltung nach 4 mit fünf Positionierstifte im Diagramm dargestellt. Dabei zeigt die untere Abszisse die Anzahl der Positionierstifte und die linke Ordinate den auf die Ausführung mit zwei Stiften bezogenen durchschnittlichen relativen Achsversatz als Funktion der Anzahl der Positionierstifte. Der zusätzliche Aufwand in Fertigung und Montage soll auf der oberen Abszisse durch Berücksichtigung der größeren Anzahl Stifte angedeutet werden. Dabei wird der bezogene durchschnittliche relative Achsversatz als Funktion der Anzahl der Stifte dargestellt. Die rechte Ordinate zeigt das Verhältnis der Summe aller Stifte inklusive der Positionierungsstifte und der Summe der Stifte bisher.
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In 8 ist der gewichtete Effekt der zusätzlichen Stifte dargestellt. Da die erzielbare Verbesserung durch die Erweiterung von vier auf fünf Positionierstifte gegenüber einer Ausführung mit zwei Stiften erstmals derjenigen entspricht beziehungsweise jene Verbesserung übersteigt, welche durch eine „unendlich“ hohe Anzahl Stifte zusätzlich zur Ausführung mit fünf Stiften erzielt werden kann, wird eine Anzahl von fünf Stiften für die Praxis als optimal angesehen. Die Anzahl Positionierelemente wird andererseits auch vom vorliegenden Bauraum innerhalb der mechanischen Anordnung beschränkt, weshalb deren Anzahl auch aus praktischen Gründen beschränkt bleiben muss. Die Darstellungen zeigen, dass durch die Erhöhung von 2 auf 5 Positionierelemente eine Verringerung um in der Summe etwa 25 Prozent sowohl des maximal zu erwartenden als auch des durchschnittlichen Achsversatzes erreicht werden kann.
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Auf der Abszisse ist die Anzahl der verwendeten Positionierstifte dargestellt. Die linke Ordinate zeigt die Reduzierung des relativen Versatzes, bezogen auf eine Ausführung mit zwei Stiften sowie der zusätzliche relative Aufwand für die Einführung eines weiteren Stiftes, bezogen auf die vorhandene Anzahl Stifte im Positionierungssystem. Die rechte Ordinate zeigt die relative Reduzierung des Achsversatzes je zusätzlichen Stift, bezogen auf die Ausführung mit zwei Stiften.
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In 9 ist der relative Versatz bei zwei Positionierelementen als Quantil dargestellt. Es zeigt für ein Ausführungsbeispiel abgestimmter Nennspiele und Toleranzen des Positionierungskonzeptes den Anteil eines relativen Versatzes von größer als 0,4 bezogen auf eine Ausführung mit nur einem Führungselement, den Anteil mit Versatz von 0,4 bis 0,55 sowie von 0,55 bis 0,96 bezogen auf den möglichen Versatz 1,0 bei einem Führungselement.
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In 10 ist der relative Versatz bei der Verwendung von fünf Positionierelementen dargestellt, wobei der Fehler bis 0,4 auf einen niedrigeren Anteil sinkt als auch der Anteil mit einem bezogenen relativen Achsversatz zwischen 0,4 und 0,55 sinkt. Nur noch ein sehr geringer Anteil einer Grundgesamtheit weist einen Achsfehler von größer 0,55 auf, wobei für die größte bezogene Abweichung nun 0,74 ermittelt wurden. Die Darstellungen belegen deutlich, dass durch die Verwendung von fünf gegenüber zwei Positionierelementen erhebliche Verbesserungen im durchschnittlichen Achsversatz erreicht werden können.
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Sowohl der mittlere Achsversatz der montierten Einheiten als auch der zu erwartende maximale radiale Achspositionsfehler werden somit reduziert.
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In den 11 a) und 11 b) sind ein Ausführungsbeispiel einer Positionieranordnung in perspektivischen Ansichten von verschiedenen Seiten dargestellt. Das rotierende Basisbauteil 4 mit der Welle 8 zeigt das angetriebene Element eines Spiralverdichters mit den Stiftaufnahmen 9 gemäß dem Stand der Technik. Die Zentrier- und Basisbauteilachse 5, 6 liegen in der Darstellung idealisiert übereinander und das Zentrierbauteil 3, hier die orbitierende Spirale 10, befindet sich vorpositioniert in Zusammenbaustellung. 11 b) zeigt das Zentrierbauteil 3 als orbitierende Spirale 10 mit den zwei Positionierstiften 7.
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Die 12 a) und 12 b) zeigen analog zu den 11 a) und 11 b) das Basisbauteil 4 und Zentrierbauteil 3 als orbitierende Spirale 10 mit einer Positionieranordnung mit fünf Positionierstiften 7 mit zugehörigem Eingriff in die Stiftaufnahmen 9.
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Das Beispiel des Einsatzes der Positionieranordnung für einen Spiralverdichter ist exemplarisch. Durch die Minimierung des Achsversatzes beim Spiralverdichter kann eine signifikante Verbesserung bei den Laufgeräuschen und eine Reduzierung des Verschleißes bei der orbitierenden Spirale 10 erreicht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zentrischer zylindrischer Absatz
- 2
- Zentrische zylindrische Einsenkung
- 3
- Zentrierbauteil
- 4
- Basisbauteil
- 5
- Zentrierbauteilachse
- 6
- Basisbauteilachse
- 7
- Positionierstift
- 8
- Verdichterwelle
- 9
- Stiftaufnahme
- 10
- Orbitierende Spirale
