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Die Erfindung betrifft einen Kältemittelverdichter, insbesondere einen elektrischen Kältemittelverdichter für eine Kraftfahrzeugklimaanlage.
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Bei elektrischen Kältemittelverdichtern dient eine Welle zum Antrieb eines Verdichtungsmechanismus, wie zum Beispiel des Mechanismus eines Scrollverdichters, wobei sowohl die Welle als auch die weiteren für den Verdichtungsmechanismus notwendigen Bauteile innerhalb eines Verdichtergehäuses angeordnet sind. Um die Welle zu führen und einen möglichst verschleißfreien Betrieb zu gewährleisten, wird sie von einem Hauptlager, in den meisten Fällen einem Kugellager, getragen. Das Hauptlager weist einen Außenring auf, der im Verdichtergehäuse verpresst wird. Diese Presspassung stellt sicher, dass sich der Außenring nicht verdrehen kann. Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Verdichtergehäuses, welches in der Regel aus Aluminium besteht, und des Außenrings des Hauptlagers, welches in der Regel aus Stahl besteht, wird die Presspassung zwischen den beiden Komponenten mit steigender Temperatur während des Betriebs verringert und kann sogar fast ganz verschwinden. Die Verringerung der Presspassung kann dazu führen, dass sich das Hauptlager dreht und Verschleiß im Verdichtergehäuse entsteht, wodurch der Kältemittelverdichter beschädigt werden kann. Ein rotierender Außenring wirkt in Verbindung mit hohen axialen Kräften wie ein Fräswerkzeug.
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Um die Drehung eines Lagers auch im Fall einer Temperaturerhöhung zu verhindern, werden im Stand der Technik verschiedene Lösungen vorgeschlagen. Dabei sind sogenannte Wärmeausgleichslager, beispielsweise der Firma SBN Wälzlager GmbH & Co. KG, bekannt, bei denen Nuten in den Außenring des Lagers gefräst werden. In diese Nuten werden Kunststoffringe eingesetzt. Diese Kunststoffringe haben den gleichen oder einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Aluminiumgehäuse. Dies gewährleistet eine ausreichend hohe Verpressung auch bei höheren Temperaturen. Der Nachteil einer solchen Lösung besteht darin, dass zur Herstellung des Wärmeausgleichslagers mehrere zusätzliche Prozessschritte notwendig sind. Zum einen muss der Außenring des Lagers bearbeitet werden, um die Nuten zu erzeugen. Zusätzlich müssen die Kunststoffringe im Spritzgussverfahren hergestellt und in die Nuten eingebracht werden. Das gestaltet die Fertigung aufwändig und trägt entsprechend zu ihrer Verteuerung bei.
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Aus der
JPH0984293 A ist eine weitere Lösung bekannt. Dabei ist der äußere Ring eines Kugellagers mit vier Vorsprüngen auf der rückseitigen Oberfläche ausgebildet, wobei jeder dieser Vorsprünge sich in Richtung der Achse des Kugellagers erstreckt. Darüber hinaus sind jeweils vier Löcher in der Rückwand des Lagergehäuses, der Unterlegscheibe beziehungsweise der flachen Scheibe ausgebildet, wobei jeder Vorsprung des Kugellagers in jeweils ein Loch der flachen Scheibe und der Welle passt. Der Vorsprung wird durch das Loch der Unterlegscheibe in das Loch des Lagergehäuses eingesetzt. Entsprechend dieser Lösung wird der äußere Ring an einer Drehung gehindert, indem jeder Vorsprung des Kugellagers in das Loch des Lagergehäuses eingepasst wird. Da an der äußeren Umfangsfläche des Kugellagers kein Gummiring angebracht ist, kann das Kugellager außerdem leicht in das Lagergehäuse eingebaut werden. Bei einer solchen Lösung werden allerdings zusätzliche Bauteile, wie ein Lagergehäuse, eine Unterlegscheibe und eine Feder benötigt, was ebenfalls einen erheblichen Aufwand und zusätzliche Kosten verursacht. Bauteile müssen richtig positioniert sein, um ineinander zu greifen, was die Montage erschwert. Durch das Vorsehen eines Lagergehäuses wird zudem der mögliche Bauraum für das Lager verkleinert.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, in einem elektrischen Kältemittelverdichter das Hauptlager für den Antrieb des Verdichtungsmechanismus gegen Verdrehung zu sichern und so einen Verschleiß im Verdichtergehäuse des Kältemittelverdichters zu verringern.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Kältemittelverdichter, vorzugsweise einen elektrischen Kältemittelverdichter, mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Der Kältemittelverdichter umfasst
- > ein Verdichtergehäuse,
- > eine Antriebswelle zum Antrieb eines Verdichtungsmechanismus, die innerhalb des Verdichtergehäuses angeordnet ist,
- > ein Hauptlager, über das die Antriebswelle am Verdichtergehäuse abgestützt ist und das einen an der Antriebswelle befestigten Innenring und einen in das Verdichtergehäuse eingepressten Außenring umfasst, wobei auf einer Stirnfläche des Außenrings in Richtung der Ringachse des Außenrings vorstehende zahnartige Vorsprünge angeordnet sind, die in eine anliegende Wandung des Verdichtergehäuses drücken.
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Um zu verhindern, dass sich das Lager bei steigenden Temperaturen dreht, wird konzeptionsgemäß der Außenring gesichert. Dabei werden zusätzlich zahnartige Vorsprünge, im Folgenden auch Zähne genannt, am Außenring des Hauptlagers in axialer Richtung angebracht. Diese drücken beim Einpressen des Hauptlagers in das Verdichtergehäuse. Dies reicht aus, um ein Verdrehen des Außenrings zu verhindern, auch wenn keine Presspassung zwischen Außenring des Lagers und des Gehäuses in radialer Richtung mehr vorliegt.
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Dabei kann die Einpresskraft so gewählt werden, dass die Zahnelemente das Material des Verdichtergehäuses plastisch verformen. Diese plastischen Verformungen im Verdichtergehäuse können die gleiche Form wie die Zahnelemente des Hauptlagers haben, was zu einer formschlüssigen Verbindung zwischen diesen beiden Komponenten führen würde. Vorzugsweise besteht eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Hauptlager und dem Verdichtergehäuse. Dadurch ist die Sicherung gegen das Verdrehen des Außenrings des Hauptlagers unabhängig von Temperaturen und den sich daraus ergebenen unterschiedlichen Presspassungen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung erstrecken sich die zahnartigen Vorsprünge jeweils einzeln in radialer Richtung über die gesamte Breite der Stirnfläche. Vorzugsweise sind die zahnartigen Vorsprünge in Umfangsrichtung über den gesamten Umfang des Außenrings gleichmäßig verteilt angeordnet.
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Im Vergleich zu dem oben beschriebenen Wärmeausgleichslager ist der Außenring des axial verzahnten Hauptlagers in einem Stück herstellbar und ist auch vorteilhaft so hergestellt. Das heißt, der Außenring ist vorzugsweise einteilig ausgebildet. Bei einem Wärmeausgleichslager müssen die Nuten in den Außenring gefräst werden. Die Kunststoffringe müssen danach in die Nuten eingelegt werden. Diese zusätzlichen Arbeitsschritte sind bei dem erfindungsgemäß verwendeten Hauptlager, dessen Außenring mit axial vorstehenden Zahnelementen versehen ist, nicht notwendig, da die Herstellung der Zähne Teil des Schmiedeprozesses zur Herstellung des Außenrings sein kann. Dafür kann das Schmiedewerkzeug des Außenrings so ausgeführt werden, dass die Zähne schon im Schmiedeprozess erzeugt werden. Dadurch sind keine weiteren Bearbeitungsschritte notwendig. Es werden auch keine zusätzlichen Bauteile benötigt.
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Vorzugsweise ist der Kältemittelverdichter ein Scrollverdichter. Ein Scrollverdichter, auch als Spiralverdichter bezeichnet, umfasst dabei als Bauteile für den Verdichtungsmechanismus zwei innerhalb des Verdichtergehäuses ineinander verschachtelte Spiralen, wobei eine Spirale stationär und die andere Spirale als orbitierende Spirale auf einer kreisförmigen Bahn exzentrisch bewegbar ist und durch die Bewegung der Spirale das Volumen von zwischen den Spiralen ausgebildeten Verdichtungskammern zyklisch änderbar ist. In dem Scrollverdichter treibt die Antriebswelle die orbitierende Spirale an.
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Um eine langanhaltende Betriebssicherheit zu sichern, muss das Hauptlager gegen eine axiale Bewegung während des Betriebes geschützt werden, da ansonsten die Sicherheit gegen ein Verdrehen des Außenrings nicht gewährleistet werden kann. Aufgrund des Gegendrucks in einem Scrollverdichter betragen die axialen Kräfte immer zwischen 300 N und 910 N, was zu jeder Zeit eine ausreichend große Presskraft sichert. Die Sicherheit gegen das Verdrehen des Außenrings des Hauptlagers und die Betriebssicherheit können somit verbessert werden.
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Vorzugsweise ist das Hauptlager ein Wälzlager, besonders bevorzugt wird dabei ein Kugellager eingesetzt.
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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.
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Es zeigen:
- 1: ein Wärmeausgleichslager, Stand der Technik,
- 2: eine Schnittdarstellung eines Teilbereichs eines elektrischen Kältemittelverdichters im Bereich des Hauptlagers der Welle zum Antrieb des Verdichtungsmechanismus,
- 3A: eine perspektivische Darstellung des Außenrings des Hauptlagers,
- 3B: eine Ansicht eines Abschnitts des Außenrings des Hauptlagers mit Blick auf dessen Kugelbahn und
- 4: eine schematische Darstellung der Fertigstellung des Außenrings, ausgehend von einem Gussrohling nach dem Gießen.
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Die 1 zeigt ein Kugellager A gemäß dem Stand der Technik, welches als Wärmeausgleichslager ausgebildet ist, um die Drehung eines Lagers auch im Fall einer Temperaturerhöhung zu verhindern. Das Kugellager A umfasst einen Außenring B, einen Innenring C und einen in radialer Richtung zwischen dem Außenring B und dem Innenring C angeordneten ebenfalls ringförmigen Lagerkäfig D, in den über den Umfang des Lagerkäfigs verteilt, Kugeln E als Wälzkörper eingesetzt sind und untereinander auf Abstand gehalten werden, um den Reibungswiderstand zu verringern. Bei dem in der 1 dargestellten Kugellager handelt es sich um ein Wärmeausgleichslager, wie es beispielsweise von der Firma SBN Wälzlager GmbH & Co.KG angeboten wird, bei dem Nuten F in den Außenring B des Lagers gefräst werden. In diese Nuten F werden Kunststoffringe G eingesetzt. Diese Kunststoffringe G haben den gleichen oder einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als ein in 1 nicht gezeigtes Verdichtergehäuse, welches aus Aluminium besteht. Der höhere Wärmekoeffizient der Kunststoffringe G gewährleistet eine ausreichend hohe Verpressung auch bei höheren Temperaturen. Der Nachteil einer solchen Lösung besteht darin, dass zur Herstellung des Wärmeausgleichslagers mehrere zusätzliche Prozessschritte notwendig sind. Zum einen muss der Außenring B des Kugellagers A bearbeitet werden, um die Nuten F zu erzeugen. Zusätzlich müssen die Kunststoffringe G im Spritzgussverfahren hergestellt und in die Nuten F eingebracht werden.
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Die 2 zeigt eine Schnittdarstellung eines Teilbereichs 1 eines elektrischen Kältemittelverdichters, in dem sich das Hauptlager 2 einer Welle 3, im Folgenden Antriebswelle 3 genannt, befindet. Bei elektrischen Kältemittelverdichtern dient die Antriebswelle 3 zum Antrieb eines Verdichtungsmechanismus, wie zum Beispiel zum Antrieb des Mechanismus eines Scrollverdichters, wobei sowohl die Antriebswelle 3 als auch die weiteren für den Verdichtungsmechanismus notwendigen Bauteile innerhalb eines Verdichtergehäuses 4 angeordnet sind. Ein Scrollverdichter, auch als Spiralverdichter bezeichnet, umfasst dabei als Bauteile für den Verdichtungsmechanismus zwei innerhalb des Verdichtergehäuses 4 ineinander verschachtelte Spiralen, wobei eine Spirale stationär und die andere Spirale als orbitierende Spirale auf einer kreisförmigen Bahn exzentrisch bewegbar ist und durch die Bewegung der Spirale das Volumen von zwischen den Spiralen ausgebildeten Verdichtungskammern zyklisch änderbar ist. In dem Scrollverdichter treibt die Antriebswelle 3 die orbitierende Spirale an.
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Um die Antriebswelle 3 zu führen und einen möglichst verschleißfreien Betrieb zu gewährleisten, wird sie von dem Hauptlager 2 getragen. Das Hauptlager 2 weist einen Außenring 5 auf, der im Verdichtergehäuse 4 verpresst wird. Diese Presspassung stellt sicher, dass sich der Außenring 5 nicht verdrehen kann. In dem in 2 abgebildeten Fall ist das Hauptlager ein Kugellager 2 mit dem Außenring 5, einem Innenring 6, der an der Antriebswelle 3 befestigt ist, und Kugeln 7 als zwischen dem Außenring 5 und dem Innenring 6 angeordnete Wälzkörper 7.
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Wie aus der 2 ersichtlich, sind auf einer Stirnfläche 5a des Außenrings 5 des Hauptlagers 2 axial, das heißt in Richtung der Ringachse 8 des Außenrings 5, vorstehende zahnartige Vorsprünge 9 angeordnet, die im Folgenden auch als Zähne 9 bezeichnet werden.
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In der 2 ist schematisch dargestellt, wie das Hauptlager mit den axial vorstehenden Zähnen 9 am Außenring 5 derart in das Verdichtergehäuse 4 eingepresst ist, dass die Zähne 9 in eine anliegende Wandung 4a des Verdichtergehäuses 4 drücken. Dieser Zustand wird auch als axiale Verzahnung des Hauptlagers bezeichnet. Dabei kann die Einpresskraft so gewählt werden, dass die Zähne 9 das Material des Verdichtergehäuses 4 plastisch verformen. Diese plastischen Verformungen im Verdichtergehäuse 4 haben die gleiche Form wie die Zähne 9 des Außenrings 5 des Hauptlagers 2. Das führt zu einer formschlüssigen Verbindung zwischen diesen beiden Komponenten, das heißt dem Hauptlager 2 und dem Verdichtergehäuse 4. Dies reicht aus, um ein Verdrehen zu verhindern, auch wenn keine Presspassung zwischen Außenring des Hauptlagers und des Verdichtergehäuses in radialer Richtung, bezogen auf den Außenring 5, mehr vorliegt. Das heißt, dass durch die formschlüssige Verbindung zwischen dem Hauptlager 2 und dem Verdichtergehäuse 4 die Sicherung gegen das Verdrehen des Außenrings 5 des Hauptlagers unabhängig von Temperaturen und den sich daraus ergebenen unterschiedlichen Presspassungen ist.
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In der 3 A ist der Außenring 5 des Hauptlagers perspektivisch, mit Blick auf die kreisringförmige Stirnfläche 5a mit einer Mehrzahl von axial vorstehenden Zähnen 9, dargestellt. Dabei sind die Zähne 9, die sich jeweils einzeln in radialer Richtung über die gesamte Breite der Stirnfläche 5a erstrecken, in Umfangsrichtung über den gesamten Umfang des Außenrings 5 gleichmäßig verteilt angeordnet. In dem in 3A gezeigten Ausführungsbeispiel sind die insgesamt 12 axial vorstehenden Zähne 9 wie die Ziffern auf dem Ziffernblatt einer Uhr über die kreisringförmige Stirnfläche 5a des Außenrings 5 verteilt. Auf der Innenseite des Außenrings 5 verläuft über den gesamten Innenumfang des Außenrings 5 eine Kugel-Laufbahn 10 mit einem konkav ausgebildeten Querschnitt, der an die Kugelform angepasst ist. Die 3B zeigt eine Detailansicht eines Abschnitts des Außenrings 5 des Hauptlagers mit Blick auf dessen Kugel-Laufbahn 10. Die 3B zeigt auch die axial vorstehenden Zähne 9 dieses Abschnitts. Sie sind in Umfangsrichtung etwa 5-mal so breit wie ihre Höhe, mit der sie axial vorstehen und die etwa 0,2 mm beträgt. Die Abmaße sind vorzugsweise so zu wählen, dass die Einpresskraft ausreicht, um das Gehäuse soweit plastisch zu verformen, dass die Zähne sich vollständig in das Gehäuse eingraben. Zusätzlich sollte sichergestellt sein, dass die plastische Verformung so gering bleibt, dass ein Einfluss auf weitere Funktionen und Bauteile des Verdichters möglichst ausgeschlossen wird. Als besonders vorteilhaft und praktikabel für den konkreten Anwendungsfall hat sich dabei die Anwendung von zwölf Zähnen 9 mit jeweils 1 mm Breite und 0,2 mm Eingrabtiefe gezeigt. Die genauen Abmaße können für unterschiedliche Anwendungsfälle jeweils neu bestimmt und bewertet werden.
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Die 4 zeigt schematisch, wie in welcher Reihenfolge der Außenring sinnvollerweise nachgearbeitet werden sollte und wie sich die Herstellung des Außenrings dadurch vereinfacht. Im Vergleich zu dem in 1 gezeigten Wärmeausgleichslager ist der Außenring des axial verzahnten Hauptlagers in einem Stück herstellbar. Bei einem Wärmeausgleichslager müssen die Nuten in den Außenring gefräst werden, vergleiche 1. Die Kunststoffringe müssen danach in die Nuten eingelegt werden. Diese zusätzlichen Arbeitsschritte sind bei dem erfindungsgemäß verwendeten Hauptlager, dessen Außenring mit axial vorstehenden Zähnen versehen ist, nicht notwendig, da die Herstellung der Zähne Teil des Schmiedeprozesses zur Herstellung des Außenrings sein kann.
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Das heißt, dass das Schmiedewerkzeug des Außenrings so ausgeführt werden kann, dass die Zähne schon im Schmiedeprozess erzeugt werden. Dadurch sind keine weiteren Bearbeitungsschritte als die im Folgenden genannten Bearbeitungsschritte I bis IV zur Bearbeitung des Gussrohlings notwendig. Es werden auch keine zusätzlichen Bauteile benötigt.
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Zunächst wird in Schritt I die Vorderseite des Gussrohlings nachbearbeitet. In Schritt II erfolgt die Nachbearbeitung der Rückseite. In einem nachfolgenden Schritt III wird der Gussrohling im Bereich des Außendurchmessers entsprechend bearbeitet. Schließlich wird in einem Schritt IV auch die innenliegende Kugel-Laufbahn einer Nachbearbeitung unterzogen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Teilbereich eines elektrischen Kältemittelverdichters
- 2
- Hauptlager, Kugellager
- 3
- Antriebswelle
- 4
- Verdichtergehäuse
- 4a
- Wandung des Verdichtergehäuses
- 5
- Außenring
- 5a
- Stirnfläche des Außenrings
- 6
- Innenring
- 7
- Kugel, Wälzkörper
- 8
- Ringachse des Außenrings
- 9
- zahnartige Vorsprünge, Zähne
- 10
- Kugel-Laufbahn des Außenrings
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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