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Die Erfindung betrifft einen Kolben, insbesondere einen Doppelkolben, mit einem Kolbenkörper. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Kolbenverdichter mit einem Kolben.
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STAND DER TECHNIK
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Die Erfindung geht aus von einem Kolben, der in einem Kolbenverdichter eingesetzt werden kann. Ein derartiger Kolbenverdichter kann Teil eines Luftkompressors sein, der vorzugsweise in einem Fahrzeugeinsatz Pressluft in kompakter und vibrationsarmer Bauweise zur Verfügung stellen kann. Insbesondere werden derartige Luftkompressoren im Betrieb eines Luftfedersystems eingesetzt, bei denen Radaufhängungen über Luftfedern gedämpft mit einem Fahrzeugchassis verbunden sind. In derartigen Anwendungen ist ein geräusch- und vibrationsarmer Betrieb des oftmals im Passagierraum eines Fahrzeugs angeordneten Luftkompressors wünschenswert.
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Aus dem Stand der Technik sind Kolbenverdichter mit Pleuel bekannt, die unterschiedliche Merkmale aufweisen. Aus der
DE 103 23 125 A1 ist beispielsweise ein Pleuel für den Kolben eines Verdichters bekannt, der zusätzlich eine Schwingungsdämpfungseinrichtung, die zwischen dem Pleuellager und einer Koppelstelle angeordnet ist, aufweist.
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Die
WO 85/02232 offenbart einen Kolbenverdichter mit zumindest zwei Kolben und einem Rotationsantrieb, wobei die beiden Kolben axial zueinander ausgerichtet und mit einer biegesteifen Kolbenstange fest miteinander verbunden sind.
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Eine Hubkolbenmaschine für beispielsweise einen ein-, zwei- oder mehrstufigen Kolbenkompressor oder einen ein-, zwei- oder mehrzylindrischen Verdichter ist aus der
WO 2018/082800 A1 oder der
DE 10 2016 001 595 A1 bekannt.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Kolben bzw. Kolbenverdichter weisen dabei ein Pleuel auf, der eine Verbindung zwischen dem Kolben und einer Antriebseinheit herstellt, insbesondere über eine Exzenterwelle. Ein Pleuel dieser Art wird üblicherweise bei einem Verdichter zwischen dem Ausgang einer Antriebseinrichtung und einem Kolben bzw. Kolbenträger des Verdichters angeordnet, um über den Pleuel die rotierende, exzentrische Abtriebsbewegung der Antriebseinrichtung in eine auf und ab gehende Bewegung des Kolbens zur Verdichtung der Luft umzusetzen. Dabei sind die Platzverhältnisse begrenzt, in welchen der Kolbenverdichter bzw. der Pleuel platziert werden können.
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Weiterhin besteht bei einem Pleuel das Problem, dass eine seitliche Auslenkung, die von einer Exzenterwelle verursacht wird, von dem Pleuel komplett aufgenommen bzw. übertragen werden muss. Hierbei kommt es vor, dass ein aus der seitlichen Auslenkung des Pleuels resultierende Schwenkwinkel kleiner als ein erwünschter Schwenkwinkel ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Kolben sowie Kolbenverdichter vorzuschlagen, der nur einen geringen Bauraum benötigt und eine optimierte bzw. verringerte Beanspruchung durch Kräfte bzw. Momente erfährt, wobei gleichzeitig ein großer Schwenkwinkel erreicht werden kann. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, einen Kolben sowie einen Kolbenverdichter vorzuschlagen, der ein geringes Gewicht aufweist und eine optimierte Schwerpunktlagerung des Kolbens aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Kolben sowie einen Kolbenverdichter nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Gegenstand der Erfindung ist ein Kolben, insbesondere ein Doppelkolben, mit einem Kolbenkörper.
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Es wird vorgeschlagen, dass eine Mitnehmerscheibe im Kolbenkörper drehbar gelagert ist, wobei die Mitnehmerscheibe eine Aussparung aufweist, die exzentrisch in der Mitnehmerscheibe angeordnet ist und in der ein Exzenterfortsatz einer Exzenterwelle einer Antriebseinrichtung lagerbar ist. Der erfindungsgemäße Kolben ist bevorzugt für einen Luftkompressor in einem Fahrzeug, insbesondere für ein Fahrzeug-Luftfedersystem, geeignet.
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Mit anderen Worten wird ein Kolben vorgeschlagen, der ohne ein Pleuel die über einen an einer Motorwelle befestigen Exzenter eingebrachten Seitenkräften übertragen und in eine lineare Kolbenbewegung in einem Zylinder umwandeln kann. Hierzu weist der den Kolben antreibenden Motorwellenexzenter einen Exzenterradius R2 und die Mitnehmerscheibe einen Exzentereingriffs-Aussparung mit einem Radius R1 auf, wobei R1 >R2 gilt. Dies wird durch eine exzentrisch in der Mitnehmescheibe eingebrachte Aussparung ermöglicht, in welcher der Exzenterfortsatz der Motorwelle gelagert ist. Die Aussparung kann beispielsweise als Durchgangsloch ausgebildet sein, durch welche der Exzenterfortsatz hindurchgreifen kann. Gleichwohl kann anstelle der Aussparung ein Mitnehmerzapfen vorgesehen sein, der an dem Motorwellenexzenter drehbar gelagert ist.
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Vorteilhafterweise kann durch den Verzicht auf ein Pleuel eine vereinfachte Montage erreicht werden, da auf zumindest ein bewegliches Bauelement sowie dafür notwendige Befestigungselemente verzichtet werden kann. Dadurch kann der Kolben eine kompaktere Bauart aufweisen, und über ein geringeres Gewicht bzw. somit über eine geringere bewegliche Masse verfügen. Weiterhein kann durch den Verzicht auf den Pleuel ein sich exzentrische bewegendes Bauteil eingespart werden. Daraus resultiert eine verbesserte Schwerpunktlage des Kolbens, da die bewegliche Masse geringer ist und mit einer kleineren Unwucht als bei einem Kolben mit einem Pleuel schwingt, da die Scheibe nur um sich selbst rotiert, ohne eine translatorische Verschiebung relativ zum Kolbenkörper. Dadurch kann bei geeigneter konstruktiver Auslegung ggf. ein Ausgleichsgewichts deutlich reduziert werden bzw. entfallen. Insgesamt kann der Kolben so eine höhere Lebensdauer dank einem effizienteren Design aufweisen.
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Die Mitnehmerscheibe kann ein scheibenförmiges Element sein. Bevorzugt weist die Mitnehmerscheibe in einer Ebene eine punktsymmetrische Geometrie auf, sodass die Mitnehmerscheibe eine teilweise Rotation um diesen Symmetriepunkt während der Pendelbewegung ausüben kann. Vorteilhafterweise kann die Scheibe als Vollmaterialscheibe oder als Speichenscheibe ausgestaltet sein, die eine signifikante Gewichtsersparnis ermöglicht. Die Scheibe kann derart ausgestaltet sein, dass der Massenschwerpunkt mit dem geometrischen Scheibenschwerpunkt zusammenfällt.
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Durch die beschriebenen Merkmale kann die Mitnehmerscheibe beispielsweise als zweifach gelagerte, exzentrische Mitnehmerscheibe bezeichnet werden. Zweifach gelagert bedeutet bevorzugt, dass die Mitnehmerscheibe zwei Element, nämlich den Kolbenkörper und den Exzenterfortsatz, miteinander jeweils drehbar verbindet. Exzentrisch bedeutet bevorzugt, dass eine exzentrische Bewegung übertragen werden kann. Dabei kann durch die exzentrische Bewegung eine Pendelbewegung ausgeglichen werden. Insbesondere kann durch die Exzentrizität die rotatorische Bewegung in eine translatorische Bewegung überführt werden.
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Der Kolbenkörper kann als Vollmaterial oder in Skelettbauweise bzw. als Speichenrad ausgebildet sein. Durch die Skelettbauweise kann weiterhin Material eingespart werden. Ebenso kann dadurch die Struktur an einen Kräfteverlauf im Kolben angepasst werden, indem die Mitnehmerscheibe in Form eines Speichenrades oder der Kolbenkörper gezielt ausgewuchtet werden. Vorteilhafterweise kann bei einer Skelettbauweise eine Lagerung der Mitnehmerscheibe im Kolben sichergestellt werden, wobei gleichzeitig Material eingespart wird. Weiterhin kann zumindest ein Luftkanal im Kolbenkörper integriert sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Mitnehmerscheibe parallel zu einer Kolbenbewegungsrichtung B im Kolbenkörper angeordnet sein. Bei einer Mitnehmerscheibe als flächiges Element bedeutet parallel bevorzugt, dass die flächige Seite parallel zu der Kolbenbewegungsrichtung B ausgerichtet ist. Die Mitnehmerscheibe kann dabei quasi innerhalb der Kolbenbewegungsrichtung liegen. Dies bedeutet, dass die Mitnehmerscheibe als Ganzes die Kolbenbewegung komplett mit ausführt, da die Mitnehmerscheibe im Kolbenkörper angeordnet ist, und gleichzeitig noch eine Relativbewegung, beispielsweise eine Rotation, relativ zum Kolbenkörper ausführen kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Mitnehmerscheibe auf einer Kolbenlängsachse L angeordnet sein. Bevorzugt kann dadurch eine verbesserte Schwerpunktlage des Kolbens noch unterstütz werden. Weiterhin kann die Mitnehmerscheibe gleichzeitig parallel zu der Kolbenbewegungsrichtung B ausgerichtet sein und die Vorteile wie oben beschreiben aufweisen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Mitnehmerscheibe als flache Scheibe ausgebildet sein. Flach bedeutet bevorzugt, das, dass die Ausdehnung in eine Raumrichtung kleiner ist als in die beiden anderen Raumrichtungen. Beispielsweise kann die Mitnehmerscheibe so eine Rotation um ihren Symmetriepunkt durchführen, wobei eine Rotationsachse orthogonal zur flächigen Ausdehnung der Mitnehmerscheibe angeordnet ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Mitnehmerscheibe einen Kolbendurchmesser D nicht überragen. Dies bedeutet bevorzugt, dass die Rotationsscheibe komplett innerhalb des Kolbens angeordnet ist. Komplett ist nicht dahingehend zu verstehen, dass die Mitnehmerscheibe von außerhalb des Kolbens nicht sichtbar ist. Vielmehr bedeutet dies, dass eine räumliche Ausdehnung der Mitnehmerscheibe, bevorzugt auch während des Betriebs des Kolbens, den Kolbenkörper nicht überragt. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Mitnehmerscheibe den Kolbenkörper im Bereich des größten Durchmessers des Kolbenkörpers nicht überragen. Dies bedeutet, dass die Mitnehmerscheibe in zumindest zwei Raumrichtungen kleiner als der größte Durchmesser des Kolbens, bzw. des Doppelkolbens, ausgebildet ist. Dadurch kann eine kompakte Bauart erzielt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Mitnehmerscheibe drehbar in dem Kolbenkörper gelagert sein, sodass eine rotatorische Bewegung der Exzenterwelle eine rotatorische Bewegung der Mitnehmerscheibe in Bezug auf den Kolbenkörper bewirkt. Eine Rotation der Mitnehmerscheibe bezüglich der Aufnahme im Kolbenkörper, angetrieben durch die Exzenterwelle, bewirkt bei einer Längsführung des Kolbenkörpers im Zylinder eine linear oszillierende Bewegung des Kolbens. Die Mitnehmerscheibe kann beispielsweise über eine komplette Umfangsseite der Mitnehmerscheibe über ein Lager in Kontakt mit dem Kolbenkörper stehen. Bei einer kreisförmigen, flachen Mitnehmerscheibe kann beispielsweise eine dazu korrespondierende kreisförmige Aussparung innerhalb des Kolbenkörpers ausgebildet sein. Dabei kann die Mitnehmerscheibe während einer Schwenkbewegung innerhalb der Aussparung als Aufnahme der Mitnehmerscheibe relativ zur Umfangsseite verschoben werden.
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Die Mitnehmerscheibe kann beispielsweise über ein Wälzlager, ein Gleitlager oder ein Nadellager in der Aussparung gelagert sein. Dabei definiert eine Verbindungslinie zwischen Rotationsschwerpunkt der Mitnehmerscheibe und Rotationsschwerpunkt einer antreibenden Exzenterwelle die Bewegungsrichtung des Kolbens. Die Lebensdauer eines Wälzlagers hängt beispielsweise von der Lagerbelastung und von den Reibungsverhältnissen im Wälzlager ab. Im Betrieb kann die Mitnehmerscheibe eine Pendelbewegung ausführen, die insbesondere einen Schwenkwinkel α von mindestens 20°, insbesondere mindestens 30°, abdeckt. Dabei ist der Weg, der durch eine Schwenkbewegung mit einem Schwenkwinkel α abhängig von dem Radienverhältnis des Exzenterradius einer Antriebswelle R2 zum Radius R1 des Exzentereingriffs in die Mitnehmerscheibe. Je größer das Radienverhältnis, umso länger der zurückgelegte Weg. Der Schwenkwinkel α beträgt dabei 2*arcsin(R2/R1).
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Mit der erfindungsgemäßen Mitnehmerscheibe kann daher über die Ausnehmung eine größere Schwenkbewegung ausgebildet werden als die Schwenkbewegung, die der Exzenterfortsatz im Betrieb ausführt. Die Wälzkörper im Lager der Mitnehmerscheibe legen daher einen größeren Weg zurück, als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Kolbenvorrichtungen mit einem Pleuel, sodass insgesamt eine größere Oberfläche der Wälzkörper kontaktiert wird. Ein punktueller Verschleiß kann daher unterbunden werden. Um die Tragfähigkeit und die Lebensdauer zu optimieren, sollte bevorzugt der Schwenkwinkel α größer als der doppelte Teilungswinkel β sein, da sonst eine Gefahr der Riffelbildung resultiert. Der Teilungswinkel β kann aus der Anzahl der Wälzkörper berechnet werden, Folglich kann der Teilungswinkel β über die Formel β = 360°/(Anzahl der Wälzkörper) bestimmt werden. Vorteilhaft kann eine Untergrenze des Radienverhältnisses R2/R1 >sin(180°/Anzahl der Wälzkörper) angegeben werden.
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Insoweit kann für das Verhältnis folgender vorteilhafter Wertebereich 1 >R2/R1> sin(180°/Anzahl der Wälzkörper) angegeben werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Mitnehmerscheibe in einer Lagerbuchse drehbar in dem Kolbenkörper gelagert sein. Die Lagerbuchse kann beispielsweise als Nadellager, Gleitfilmlager, Kugellager oder ähnliches ausgebildet sein. Dadurch kann die Rotationsbewegung weiter unterstützt bzw. verbessert werden. Eine derartige Lagerung kann auch als Pendellager bezeichnet werden. Daneben kann der in der exzentrisch angeordneten Ausnehmung eingreifende Exzenterfortsatz mittels einer Lagerbuchse als Nadellager, Gleitfilmlager, Kugellager oder ähnliches gelagert sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann zumindest ein Luftkanal derart neben der Mitnehmerscheibe in dem Kolbenkörper angeordnet sein, dass dieser die Mitnehmerscheibe in zumindest einer Querrichtung nicht überlappt, wobei der Luftkanal bevorzugt in einer Ebene, welche eine Rotationsebene der Mitnehmerscheibe ausbildet, neben der Mitnehmerscheibe angeordnet ist. Bevorzugt sind zwei Luftkanäle neben der Mitnehmerscheibe angeordnet, wobei je ein Luftkanal auf einer Seite, d. h. rechts oder links, neben der Mitnehmerscheibe in der Ebene der Mitnehmerscheibenrotation verläuft. Da die Mitnehmerscheibe lediglich um die eigene Achse eine Schwenkbewegung ausübt, liegen die Luftkanäle nicht in dem Bewegungsbereich der Mitnehmerscheibe und begrenzen die kreisförmige Ausnehmung des Kolbenkörpers, der die Mitnehmerscheibe lagert. Die Luftkanäle sind somit bevorzugt im Kolbenkörper integriert. Insgesamt kann der Kolben daher besonders schlank ausgebildet werden. Außenwandungsabschnitte der Luftkanäle können gleichsam bereichsweise Innenflächen der Lageraufnahme der Mitnehmerscheibe darstellen. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Mitnehmerscheibe in einer kreisförmigen Aussparung im Kolbenkörper gelagert sein, sodass die Mitnehmerscheibe um einen Mittelpunkt M rotierbar ist, wenn die Mitnehmerscheibe über den Exzenterfortsatz der Exzenterwelle durch die exzentrische Bewegung der rotatorischen Antriebseinrichtung bewegt wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann ein Abstand R1 zwischen dem Mittelpunkt M der Mitnehmerscheibe und einem Mittelpunkt A der Aussparung größer als ein Abstand R2 zwischen dem Mittelpunkt A der Aussparung und einem Drehmittelpunkt E der Exzenterwelle ausbildbar sein. Dadurch kann sichergestellt werden, dass durch eine Drehbewegung der Exzenterwelle der Kolben bewegt werden kann, wenn der Exzenterfortsatz in die Aussparung der Mitnehmerscheibe eingreift. Der Mittelpunkt A kann vorteilhafterweise dem Mittelpunkt des Exzenterfortsatzes 20 entsprechen, da dieser in der Aussparung 18 gelagert ist. Der Kolben kann vorteilhafterweise auf und ab bewegt werden, wenn der Abstand R2 kleiner als der Abstand R1 ist. Dabei kann das Verhältnis der Abstände unterschiedlich ausgebildet sein, um einen unterschiedlich großen Hub zu ermöglichen. Beispielsweise kann ein Verhältnis von R1 zu R2 von 1 zu 0,8 oder auch ein Verhältnis von 1 zu 0,5 vorliegen. Andere Werte sind ebenso denkbar. Diese Verhältnisse sind lediglich beispielhaft genannt, wobei auch andere Verhältnisse möglich sind, solange R1 größer als R2 ist. Vorteilhafterweise ist daher die Exzentrizität des Exzenterfortsatzes der Exzenterwelle der Antriebseinheit ungleich der Exzentrizität der Mitnehmerscheibe. Dieses Merkmal gilt auch für den erfindungsgemäßen Kolbenverdichter. Vorteilhafterweise wird ein Mindestverhältnis R2/R1 eingehalten, das sich, wie weiter oben definiert, am Teilungswinkel von Wälzkörpern des eingesetzten Wälzlagers der Mitnehmerscheibe gegenüber dem Kolbenkörper orientiert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Exzenterfortsatz der Antriebseinrichtung drehbar in der Aussparung der Mitnehmerscheibe lagerbar sein. Zwischen Exzenterfortsatz und Aussparung kann eine Hülse, beispielsweise ein Nadelkranz, angeordnet sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Mitnehmerscheibe zweifach gelagert sein, einmal über die Aussparung und einmal über einen Umfang U der Mitnehmerscheibe. Bei einem Betrieb des Kolbens ragt die Mitnehmerscheibe bevorzugt nicht über den anfangs benötigten Bauraum hinaus, da die Mietnehmerscheibe lediglich eine Rotation um den eigenen Rotationspunkt ausführen kann. Der Umfang U der Mitnehmerscheibe kann so den komplett benötigten Bauraum beschreiben, der von der Mitnehmerscheibe vor und während des Betriebs des Kolbens bei einem Verdichtervorgang benötigt wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann ein Abstand der Aussparung von einem Rotationsmittelpunkt M der Mitnehmerscheibe variierbar und/oder als Langloch ausgebildet sein. Dadurch kann ein Axialversatz einer Exzenterachse des Exzenterfortsatzes bezüglich des Rotationsmittelpunkts variiert werden.
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Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Kolbenverdichter. Es wird vorgeschlagen, dass dieser zumindest einen erfindungsgemäßen Kolben umfasst, der rotatorisch über eine Antriebseinrichtung mit einer Exzenterwelle antreibbar ist. Der Kolbenverdichter kann dieselben Merkmale und Vorteile, wie bezüglich des Kolbens beschrieben, aufweisen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Kolbenverdichters kann dieser ohne Pleuel ausgebildet sein. Durch die angepasste Kinematik des erfindungsgemäßen Kolbenverdichters, bzw. des erfindungsgemäßen Kolbens kann auf ein Pleuel verzichtet werden, woraus auch eine Verkürzung des Verdichters an sich erreicht werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Kolbenverdichters kann der Kolben als Doppelkolben ausgebildet sein und einen Hochdruckkolben und einen Niederdruckkolben umfassen. Ein derartiger Doppelkolben kann daher eine Nieder- und Hochdruckstufe miteinander verbinden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Kolbenverdichters kann die Mitnehmerscheibe im Kolbenkörper drehbar im Wesentlichen mittig zwischen dem Hochdruckkolben und dem Niederdruckkolben angeordnet sein. Dadurch kann die Schwerpunktlage weitere verbessert werden und eine weitere Optimierung der Massenkräfte erfolgen. Eine andere Lage der Mitnehmerscheibe ist ebenso denkbar.
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Bevorzugt ist in allen Ausführungsformen die Exzentrizität des Exzenterfortsatzes der Exzenterwelle der Antriebseinheit ungleich der Exzentrizität der Mitnehmerscheibe, d. h. ungleich dem Abstand zwischen dem Mittelpunkt M der Mitnehmerscheibe und der Aussparung.
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Figurenliste
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den vorliegenden Zeichnungen und Zeichnungsbeschreibungen. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es zeigt:
- 1 eine isometrische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens ohne Mitnehmerscheibe;
- 2 eine Seitenansicht der Ausführungsform nach 1;
- 3 eine Frontansicht der Ausführungsform nach 1;
- 4 eine weitere isometrische Darstellung einer Ausführungsform nach 1 mit Mitnehmerscheibe;
- 5 eine weitere isometrische Darstellung einer Ausführungsform nach 1 mit Darstellung einer Exzenterwelle;
- 6 eine Frontansicht der Ausführungsform aus 5,
- 7 eine schematische Darstellung eines Kolbens bzw. Kolbenverdichters in einer Schnittansicht;
- 8 eine schematische Darstellung einer Lagerung der Mitnehmerscheibe.
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In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert.
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1 zeigt eine isometrische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens 10 ohne Darstellung der Mitnehmerscheibe 16. Der Kolben 10 ist als Doppelkolben 12 ausgebildet und kann beispielsweise zur Drucklufterzeugung eines Luftkompressors für den Automobilbereich eingesetzt werden. Der Kolben 10 weist einen Hochdruckkolben 10a sowie einen Niederdruckkolben 10b auf. Der Niederdruckkolben 10b kann zur Erzeugung eines Niederdrucks bis ca. 5-8 Bar und der obere Hochdruckkolben 10a zur Erzeugung eines Hochdrucks von ca. 16-18 Bar eingesetzt werden, wobei dieser jeweils als einteiliger oder auch mehrteiliger Kolben ausgebildet sein kann. Dazwischen ist ein Kolbenkörper 14 angeordnet, der beispielsweise skelettartig ausgebildet sein kann. Eine Kolbenbewegungsrichtung ist in Richtung einer Längsachse L des Kolbens 10 angeordnet. Die Mitnehmerscheibe 16 (nicht dargestellt) ist insbesondere in Tiefenrichtung T schlank ausgebildet, beispielsweise als eine Art Scheibe. Links und rechts neben der Mitnehmerscheibe 16 verläuft je ein Luftkanal 42. Der Kolbenkörper 14 kann mit zwei Luftkanälen 42 wie dargestellt, mit nur einem Luftkanal 42 oder ganz ohne Luftkanäle ausgebildet sein.
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Eine Seitenansicht der Ausführungsform nach 1 zeigt 2. Dabei ist ersichtlich, dass der Kolbenkörper 10 schlank im Verhältnis zu des Kolbendurchmessers D1 des Hochdruckkolbens 10a sowie gegenüber des Kolbendurchmessers D2 des Niederdruckkolbens 10b ausgebildet ist. Eine in der Aussparung 28 angeordnete Mitnehmerscheibe 16 (nicht dargestellt) überragt bevorzugt keinen der Kolbendurchmesser D1 in Tiefenrichtung T, und ist beispielsweise als flache Scheibe ausgebildet. Eine derartige Mitnehmerscheibe 16 kann derart schlank ausgebildet sein, dass diese in einer Seitenansicht wie in 2 nicht sichtbar und vollständig innerhalb des Kolbenkörpers 14 angeordnet ist.
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Eine Frontansicht der Ausführungsform nach 1 ist in 3 dargestellt. Die Aussparung 28 ist hierbei zumindest kleiner als der Kolbendurchmesser D2 des Niederdruckkolbens 10b in Querrichtung Q ausgebildet. In dieser Darstellung ist die skelettartige Struktur des Kolbenkörpers 14 gut sichtbar. Der Kolbenkörper 14 kann auch eine von der dargestellten Ausführungsform abweichende Form aufweisen. Ebenso kann der Kolbenkörper 14 aus einem Vollmaterial bestehen.
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Eine weitere isometrische Darstellung einer Ausführungsform nach 1 mit Mitnehmerscheibe in 4 dargestellt. 4a zeigt den Kolben 10 in einer isometrischen Darstellung. Die Mitnehmerscheibe 16 ist innerhalb der kreisförmigen Aussparung 28 angeordnet. Gemäß der dargestellten Ausführungsform kann die Mitnehmerscheibe 16 über eine Lagerbuchse 26 innerhalb der kreisförmigen Aussparung 28 gelagert werden. Dadurch kann die Mitnehmerscheibe 16 beispielsweise drehbar in den Kolbenkörper 14 angeordnet. Die Mitnehmerscheibe 16 kann so in der Ebene L-Q rotieren. In einer Aussparung 18 in der Mitnehmerscheibe 16 ist ein Exzenterfortsatz 20 einer Exzenterwelle (in dieser Darstellung nicht sichtbar) einer Antriebseinrichtung angeordnet. Der Exzenterfortsatz 20 kann über eine Nadelkranz 22 in der Aussparung 18 gelagert werden. Die Aussparung 18 ist exzentrisch in der Mitnehmerscheibe 16 angeordnet, wodurch der Exzenterfortsatz 20 exzentrisch bezüglich eines Mittelpunkt M der Mitnehmerscheibe 16 in der Mitnehmerscheibe 16 gelagert ist. An der Unterseite des Niederdruckkolbens 10b ist eine Topfmanschette 34 sowie zumindest eine Membran 36 angeordnet. Insbesondere können zwei Membrane 36 auf der Seite des Niederdruckkolbens 10b angeordnet sein. Die Membran 36 dient als Einlassmembran. Des Weiteren sind ein Kolbenführungsring 24 sowie ein Klemmring 32 an dem Niederdruckkolben 10b angeordnet. Am Hochdruckkolben 10a kann ebenso eine Membran 36 angeordnet sein, die in dieser Ansicht jedoch nicht sichtbar ist. Der Hochdruckkolben 10a weist zu einem Kolbenführungsring 24 einen weiteren Kolbenring 30 auf.
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In 4 (b) ist lediglich die Mitnehmerscheibe 16 dargestellt. Dabei ist die exzentrisch angeordnete Aussparung 18 erkennbar. Die Mitnehmerscheibe 16 ist über den Umfang U der Mitnehmerscheibe 16 sowie über die Aussparung 18 gelagert, d. h. zweifach gelagert. Die Mitnehmerscheibe 16 kann dabei um den Mittelpunkt M rotieren, wenn die Mitnehmerscheibe 16 über den Exzenterfortsatz 20 der Exzenterwelle durch eine Bewegung der Antriebseinrichtung bewegt wird. Die Rotationrichtung der Mitnehmerscheibe 16 ist beispielsweise in 4 (b) mit der Pfeilrichtung dargestellt. Die Rotation ist beispielsweise durch die Lagerung über den Nadelkranz 22 sowie die Lagerbuchse 26 möglich. Durch die zweifach gelagerte, exzentrische Mitnehmerscheibe 16, welche die Kinematik eines Pleuels abbildet, kann ein Pleuel inklusive Befestigungselemente, wie beispielsweise Hohlstift und Ähnlichen, entfallen. Dadurch ist beispielsweise eine vereinfachte Montage möglich. Durch die Gestalt der Mitnehmerscheibe 16 kann eine optimierte Schwerpunktlage des Kolbens 10 resultieren, da ein Ausgleich von Massenkräften verbessert gleichzeitig können Bauelemente sowie Bauraum eingespart werden.
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5 zeigt eine weitere isometrische Darstellung einer Ausführungsform nach 1 mit Darstellung einer Exzenterwelle 38. Der Exzenterfortsatz 20 ragt hierbei durch die Aussparung 18 hindurch und kann über die Mitnehmerscheibe 16 überstehen. Die Mitnehmerscheibe 16 kann relativ zu dem Exzenterfortsatz 20 und dem Kolbenkörper 14 rotieren. Dadurch kann eine Verlagerung und Komprimierung einer Ausgleichskinematik in die zweifach gelagerte, exzentrische Mitnehmerscheibe 16 mit großem Schwenkwinkel erfolgen. Daraus resultieren unter Anderem eine verbesserte Schwerpunktlage und ein optimierter Ausgleich von Massenkräften.
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In 6 ist eine Frontansicht der Ausführungsform aus 5 dargestellt. In dieser Darstellung ist der Kolbenkörper 14 anders ausgebildet als in der Ausführungsform gemäß 1. Entgegen der Darstellung 4 (a) ist der Exzenterfortsatz 20 hier nicht dargestellt. Auch eine derartige Ausführungsform weist ein geringes Gewicht, eine geringere bewegten Massen und damit ein effizienteres Design auf.
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7 zeigt eine schematische Darstellung eines Kolbens 10 bzw. Kolbenverdichters in einer Schnittansicht, wobei in der Darstellung aus Gründen der Darstellbarkeit der Exzenterfortsatz 20 nicht in die Aussparung 18 eingebracht ist. Rechts ist die Exzenterwelle 38 mit dem Exzenterfortsatz 20 dargestellt, wobei zwischen einem Drehmittelpunkt E, bzw. einer Drehmittelpunktsachse, und einem Mittelpunkt A des Exzenterfortsatzes 20 ein Abstand R2 vorliegt. Auf der linken Seite ist der Kolben 10 in Form eines Doppelkolbens 12 dargestellt. Zwischen dem Hochdruckkolben 10a und dem Niederdruckkolben 10b ist die Mitnehmerscheibe 16 angeordnet. Die Mitnehmerscheibe 16 befindet sich im Wesentlichen mittig zwischen dem Hochdruckkolben 10a und dem Niederdruckkolben 10b. Ein Abstand zwischen dem Mittelpunkt M der Mitnehmerscheibe 16 und dem Mittelpunkt A der Aussparung 18 ist mit R1 bezeichnet. Vorteilhafterweise ist der Abstand R1 zwischen dem Mittelpunkt M der Mitnehmerscheibe 16 und dem Mittelpunkt A der Aussparung 18 größer als der Abstand R2 zwischen dem Mittelpunkt A der Aussparung 18 und dem Drehmittelpunkt E der Exzenterwelle 38. Der Mittelpunkt A entspricht dabei ebenso dem Mittelpunkt des Exzenterfortsatzes 20, da dieser in der Aussparung 18 gelagert ist. Dadurch kann sichergestellt werden, dass durch die Drehbewegung der Exzenterwelle 38 eine auf bzw. ab Bewegung auf den Kolben 10 in Richtung der Kolbenbewegungsrichtung B übertragen werden kann. Bevorzugt ist daher der Abstand R2 < R1. Bei der schematischen Darstellung kann, wenn von einem Mittelpunkt gesprochen wird, von einer kompletten Achse ausgegangen werden, die durch den Mittelpunkt verläuft und insbesondere eine Drehmittelpunkt ausbildet.
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In 8 ist eine schematische Darstellung einer Lagerung der Mitnehmerscheibe 16 dargestellt. Die Mitnehmerscheibe 16 kann über ein Wälzlager 40 in der Aussparung 28 gelagert sein. Ebenso kann das Lager beispielsweise als Gleitfilmlager ausgebildet sein. Die Lebensdauer des Wälzlagers 40 hängt von vielen Faktoren ab, beispielsweise von der Lagerbelastung und von den Reibungsverhältnissen im Wälzlager 40. Im Betrieb kann die Mitnehmerscheibe 16 eine Pendelbewegung ausführen, die insbesondere einen Pendelwinkel bzw. Schwenkwinkel α von 30°abdeckt.
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8 (b) zeigt eine Konfiguration des halben Schwenkwinkels α der Mitnehmerscheiben in Abhängigkeit der Radien R1 der Mitnehmerscheibenexzentrizität und R2 der Exzenterwelle. Die Amplitude der Kolbenbewegungsrichtung ergibt sich als 2xR2, der halbe Schwenkwinkel α/2=arcsin(R2/R1). Als Radien sind die Abstände R1 und R2 aus 7 angegeben. Mit der erfindungsgemäßen Mitnehmerscheibe 16 kann folglich über die Ausnehmung 18 eine größere Schwenkbewegung ausgebildet werden, als die Schwenkbewegung, die der Exzenterfortsatz 20, dargestellt in 7, im Betrieb ausführt. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass der Abstand R1 größer als der Abstand R2 ist. Da die Wälzkörper daher einen größeren Weg als bei aus dem Stand der Technik bekannten Kolbenvorrichtungen mit einem Pleuel zurücklegen, kann der Verschleiß verringert werden. Jeder Wälzkörper wird durch die Verlängerung der Wegstrecke durch die Auslenkung entlang einer größeren Strecke bewegt, sodass insgesamt eine größere Oberfläche der Wälzkörper kontaktiert wird. Ein punktueller Verschleiß kann daher unterbunden werden. Um die Tragfähigkeit und die Lebensdauer zu optimieren, sollte bevorzugt der Schwenkwinkel α größer als der doppelte Teilungswinkel β sein. Dies kann erreicht werden, wenn folgende Relation eingehalten wird: 1 >R2/R1 >sin(180°/Anzahl der Wälzkörper).
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Insgesamt kann somit eine Kolben 10, beispielsweise ein Doppelkolben 12 bereitgestellt werden, der für einen Luftkompressor mit angepasster Kinematik ausgebildet sein kann. Aufgrund der Mitnehmerscheibe 16 kann ein Wegfall des Pleuels erfolgen, was zu einer Verkürzung des Verdichters führen kann. Ein erfindungsgemäßer Kolben 10 kann daher als pleuelloser Kolben 10 bzw. pleuelloser Doppelkolben 12 bezeichnet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kolben
- 10a
- Hochdruckkolben
- 10b
- Niederdruckkolben
- 12
- Doppelkolben
- 14
- Kolbenkörper
- 16
- Mitnehmerscheibe
- 18
- Aussparung
- 20
- Exzenterfortsatz
- 22
- Nadelkranz
- 24
- Kolbenführungsring
- 26
- Lagerbuchse
- 28
- kreisförmigen Aussparung
- 30
- Kolbenring
- 32
- Klemmring
- 34
- Topfmanschette
- 36
- Membran
- 38
- Exzenterwelle
- 40
- Wälzlager
- 42
- Luftkanal
- B
- Kolbenbewegungsrichtung
- D
- Kolbendurchmesser
- M
- Mittelpunkt der Mitnehmerscheibe
- U
- Umfang
- A
- Mittelpunkt der Aussparung
- E
- Drehmittelpunkt der Exzenterwelle
- Q
- Querrichtung
- T
- Tiefenrichtung
- L
- Längsrichtung
- t
- Tiefe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10323125 A1 [0003]
- WO 8502232 [0004]
- WO 2018/082800 A1 [0005]
- DE 102016001595 A1 [0005]
