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Die Erfindung betrifft einen Axialkolbenverdichter
für Fahrzeugklimaanlagen,
insbesondere CO2-Verdichter, mit einem Zylinderkopf
einer Triebwerkskammer und einem zwischen Triebwerkskammer und Zylinderkopf
angeordneten Zylinderblock mit mehreren über einen Umfang gleichförmig verteilt angeordneten
Zylinderbohrungen, innerhalb denen jeweils ein einen Kolbenschaft
sowie antriebsseitig einen Kolbenschuh umfassender Kolben hin- und herverschiebbar
gelagert ist.
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Derartige Axialkolbenverdichter sind
allgemein bekannt. Es wird diesbezüglich nur beispielhaft verwiesen
auf die
DE 196 21
174 A1 oder
DE
100 58 447 C1 . In Axialkolbenverdichtern dieser Art werden üblicherweise
Aluminiumkolben verwendet, die bei Bedarf auch hohl ausgebildet
sein können.
Die Kolbenbewegung wird über
eine Schrägscheibe
realisiert, deren Neigungswinkel einstellbar ausgeführt sein
kann. Die Gaskräfte,
die aufgrund des Verdichtungsvorgangs entstehen, werden vom Kolben über Gleitsteine
auf die erwähnte
Schrägscheibe übertragen.
Die Gleitsteine sind üblicherweise
aus Stahl gefertigt. Gleiches gilt für die Schrägscheibe, die jedoch auch aus
Leichtmetall, zum Beispiel Aluminium hergestellt sein kann. Die
zulässige
Flächenpressung
für Aluminium
zwischen Gleitstein und Kolben ist kritisch, da der Kolben aus einer
Leichtmetalllegierung besteht. Die Lagerung der Gleitsteine am Kolben
erfolgt innerhalb eines sog.
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Kolbenschuhs, der C- bzw. U-förmig ausgebildet
ist und in den die Schrägscheibe
eintaucht. Die der Gleitfläche
der Gleitsteine gegenüberliegende Fläche ist
sphärisch
ausgebildet. In entsprechender Weise sind die Lagerflächen des
Gleitschuhs sphärisch
gestaltet. Es versteht sich von selbst, dass bei Ausbildung des
Kolbens aus Leichtmetall die erwähnten
sphärischen
Lagerflächen
relativ groß ausgebildet
sein müssen,
um die spezifische Flächenpressung
beim Gebrauch zu reduzieren. Nur so kann ein übermäßiger Verschleiß der Lagerflächen am Kolbenschuh
verhindert werden.
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Die Ausbildung relativ großer Gleitstein-Lagerflächen im
Kolbenschuh hat natürlich
den Nachteil, dass der Kolbenschuh entsprechend groß ausgebildet
sein muß.
Um dies zu vermeiden, wäre
es zweckmäßig, den
Kolben samt Kolbenschuh aus einem hochfesten Werkstoff, zum Beispiel
Stahl auszuführen.
Diese Konstruktion hätte
jedoch den Nachteil, dass Sie relativ schwer und entsprechend teuer
in der Herstellung ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
daher die Aufgabe zugrunde, hier einen optimalen Kompromiß zu finden,
nämlich
Kolben zur Verfügung
zu stellen, die sich durch hohe Verschleißfestigkeit und geringes Bauvolumen
einerseits sowie geringes Gewicht andererseits auszeichnen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass der Kolbenschuh aus hochfestem Werkstoff, insbesondere Stahl
besteht, während
der Kolbenschaft aus temperaturbeständigem, hochverschleißfestem
Kunststoff hergestellt ist.
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Damit der Durchmesser der Gleitsteine
und damit auch der Durchmesser des Kolbenschuhs kleindimensioniert
werden können,
soll also erfindungsgemäß der Kolbenschuh
aus einem hochfesten Werkstoff, insbesondere Stahl, hergestellt
sein. Damit ist es möglich,
dass auch bei relativ kleinen Gleitsteinen die Flächenpressung
in einem unkritischen Bereich liegt. Ebenso kann die sog. Kolbenbrücke zwischen
den beiden gegenüberliegenden Lager flächen für die Gleitsteine
aufgrund der höheren
Festigkeit schlanker dimensioniert werden. Kleinere Durchmesser
des Kolbenschuhs und eine weniger ausladende Kolbenbrücke begünstigen
eine schlankere Bauweise von Axialkolbenverdichtern und lassen eine
Reduktion des Außendurchmessers der
Verdichter zu. Aufgrund der Außendurchmesserreduktion
kann auch die Wandstärke
des Verdichtergehäuses
reduziert werden. Durch die Verwendung von Kunststoff im übrigen,
nämlich
für den
Kolbenschaft, wird das Kolbengewicht erheblich reduziert. Die erfindungsgemäßen Kolben
lassen sich auch relativ einfach herstellen. Aufwendige Schweiß- und Beschichtungsprozesse
sind nicht erforderlich. Natürlich
muß der
für den
Kolbenschaft verwendete Kunststoff gute Gleiteigenschaften aufweisen.
Er muß darüber hinaus
temperaturbeständig
und hochverschleißfest
sein. Durch das geringe spezifische Gewicht des hier verwendeten
Kunststoffes ist es auch nicht erforderlich, in aufwendiger Weise
Hohlräume
im Kolben auszubilden, um das Kolbengewicht zu reduzieren.
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Zur besseren Anbindung des Kunststoffes am
Kolbenschuh weist der Kolbenschaft eine von Kunststoff ummantelte
Tragkonstruktion aus hochfestem Werkstoff, insbesondere metallischem
Werkstoff, wie Stahl od. dgl. auf, die vorzugsweise mit dem Kolbenschuh
einstöckig
ausgebildet ist. Sie kann jedoch alternativ auch lösbar mit
dem Kolbenschuh verbunden sein, zum Beispiel durch eine Schraubverbindung.
Um die erwähnte
Tragkonstruktion wird der hier verwendete Kunststoff herumgespritzt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Kolben-Tragkonstruktion
durch einen am Kolbenschuh angeschlossenen, sich in Kolbenlängsrichtung erstreckenden
Stift gebildet, der entweder einen kreisrunden, ovalen, mehreckigen,
stern- oder kreuzförmigen
Querschnitt aufweist. Vor allem der letztgenannte Querschnitt ist
für eine
gute und insbesondere drehfeste Anbindung des Kunststoffs an der
im übrigen
aus Stahl bestehenden Konstruktion von Vorteil. Zu diesem Zweck
kann die erwähnte
Tragkonstruktion auch noch Kunststoff-Aufnahmetaschen aufwei sen.
Auch damit lässt
sich eine innige Verbindung zwischen Kunststoff und Stahl erzielen.
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Um hohen Verdichtungsdrücken besser standhalten
zu können,
kann der Kolben einen scheibenförmigen
Boden aus hochfestem Material, insbesondere metallischem Metall
umfassen. Der erwähnte
Kolbenboden ist entweder einstöckig
mit der Tragkonstruktion oder alternativ lösbar mit dieser verbunden,
zum Beispiel verschraubt. Auch kann der Kolbenboden als Einlegeteil
im Kunststoff des Kolbenschaftes ausgebildet sein. Gerade in letztgenanntem Fall
besteht der Kolbenboden vorzugsweise aus Aluminium; denn auch dieses
Leichtmetall trägt
zur Gewichtsreduzierung bei, ohne dass die Druckfestigkeit reduziert
würde.
Als temperaturbeständiger
und hochverschleißfester
Kunststoff dient insbesondere PEEK (Polyetheretherketon), BEEK-CF30
(CF = Kurzzeichen für
Kresolformaldehydharze), PPS (Polyphenylensulfide) od. dgl.
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Insbesondere ist es von Vorteil,
wenn der Kunststoff porös
oder teilporös,
insbesondere gleitflächenseitig
offenporig ausgebildet ist. Dadurch entstehen sog. Schmiertaschen
zur Aufnahme von Schmierstoff im tribologisch beanspruchten Bereich. Die
Endbearbeitung des Kolbenschaftes kann vor oder nach der Einbringung
von Kunststoff erfolgen.
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Auch besteht die Option, weitere
Bereiche der Kolbenstruktur mit Kunststoff zu bedecken oder zu umspritzen.
So kann zum Beispiel die Rückseite des
Kolbenschuhs, insbesondere der Kolbenbrücke, d.h. die im montierten
Zustand radial außenliegende Seite
mit Kunststoff beschichtet sein, um ein gutes Gleiten der Kolbenbrücke an der
Innenseite des den Triebwerksraum begrenzenden Gehäuses zu
gewährleisten.
Die entsprechende Abstützung
des Kolbenschuhs an der Innenseite des Triebwerksgehäuses ist
allgemein bekannt, so dass hier auf eine nähere Beschreibung dieser Zusammenhänge verzichtet
werden kann. Es sei nur beispielhaft dazu auf die
DE 100 58 447 C1 verwiesen.
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Wie bereits erwähnt, kann die Metallkonstruktion
des Kolbens einstöckig,
oder alternativ auch mehrteilig ausgeführt sein. Darüber hinaus
kann die Tragkonstruktion für
den Kolbenschaft aus Kunststoff zusätzliche Querrippen zur Festigkeitssteigerung und
zum besseren Formschluß zwischen
metallischer Tragkonstruktion und Kunststoff aufweisen.
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Nachstehend werden zwei Ausführungsformen
eines erfindungsgemäßen Compound-Kolbens anhand
der beigefügten
Zeichnung näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
erste Ausführungsform
eines Compound-Kolbens,
und zwar einmal mit und einmal ohne Kolbenschaft aus Kunststoff,
jeweils in perspektivischer Ansicht; und
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2 eine
alternative Ausführungsform
entsprechend 1, wobei
sich die alternative Ausführungsform
nur hinsichtlich des Querschnitts der Kunststoff-Tragkonstruktion
unterscheidet.
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Die Kolben gemäß den 1 und 2 dienen jeweils
zum Einsatz in Axialkolbenverdichtern für Fahrzeugklimaanlagen, insbesondere
CO2-Verdichtern. Sie sind jeweils mit der
Bezugsziffer 10 gekennzeichnet und umfassen einen zylindrischen
Kolbenschaft 11 sowie antriebsseitig Kolbenschuh 12.
Der Kolbenschuh 12 ist U-förmig ausgebildet. Die beiden Schenkel
des Kolbenschuhs umfassen an ihren aneinander zugewandten Seiten
jeweils eine sphärische Lagerfläche 13 zur
Aufnahme entsprechend gestalteter Gleitsteine (hier nicht dargestellt)
auf, die zur Übertragung
der Kolbenkräfte
auf eine hier ebenfalls nicht dargestellte Schräg- oder Taumelscheibe dienen.
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Der die beiden Schenkel des U-förmigen Kolbenschuhs
miteinander verbindenden Teil wird als sog. Kolbenbrücke 14 bezeichnet.
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Deren Rückseite ist als Gleitfläche ausgebildet
und wirkt mit einer entsprechenden Gleitfläche an der Innenseite eines
den Triebwerksraum begrenzenden Gehäuses zusammen. Sie dient somit
auch zur gleitenden Abstützung
des Kolbens im Triebwerksgehäuse.
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Am Kolbenschuh ist eine Tragkonstruktion angeschlossen,
die stiftartig ausgebildet ist. Der Anschluß der Tragkonstruktion am Kolbenschuh 12 erfolgt
vorzugsweise einstöckig.
Es ist jedoch auch eine lösbare
Verbindung, insbesondere Schraubverbindung, denkbar. Die in 1 dargestellte Tragkonstruktion
umfasst einen zentralen, sich in Kolbenlängsrichtung erstreckenden Stift 16,
an deren dem Kolbenschuh 12 abgewandten Ende eine Kreisscheibe 17 angeformt
ist. Diese Scheibe 17 definiert den sog. Kolbenboden. Sowohl
die Tragkonstruktion samt Kolbenboden als auch der Kolbenschuh 12 bestehen
aus hochfestem Werkstoff, insbesondere Stahl. Damit ist es möglich, den
Kolbenschuh 12 klein, insbesondere schlank zu bauen. Die
Ausbildung des Kolbenschuhs 12 aus Stahl erlaubt Lagerflächen 13 mit
relativ kleinem Durchmesser; so dass der Schuh 14 insgesamt
mit einem kleineren Gesamtdurchmesser hergestellt werden kann. Dadurch lässt sich
wiederum der Gesamtaußendurchmesser des
Verdichters entsprechend reduzieren.
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Im übrigen besteht der Kolben,
insbesondere der Kolbenschaft 11 aus Kunststoff 18.
Dieser Kunststoff 18 wird um die erwähnte Tragkonstruktion 15 herumgespritzt
und anschließend
oberflächenbearbeitet.
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Die Kunststofffüllung bzw. -umhüllung 18 ist vorzugsweise
für das
Gleitverhalten des Kolbens innerhalb einer zugeordneten Zylinderbohrung
verantwortlich. Daher ist es wichtig, dass der Kunststoff sich durch
eine gute Gleiteigenschaft auszeichnet. Der Kunststoff für den Kolbenschaft 11 ist
einer der Reibpartner zwischen Kolbenlauffläche und Zylinderlaufbahn.
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Natürlich wäre es auch denkbar, den Außendurchmesser
der Kunststofffüllung
um die Tragkonstruktion 15 herum etwas kleiner zu dimensionieren als
den Außendurchmesser
des Kolbenbodens 17, so dass die Dichtung zwischen Kolben
und Zylinderlauffläche
im wesentlichen nur im Bereich des Kolbenbodens 17 erfolgt.
Eine höhere
Dichtigkeit und insbesondere höhere
Lebensdauer erhält
man jedoch dann, wenn durch die Kunststofffüllung l8 die Kolbenlauffläche definiert
ist.
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Wie bereits oben erwähnt, kann
auch die Rückseite
der Kolbenbrücke 14 mit
demselben Kunststoff beschichtet sein, wie er für den Kolbenschaft verwendet
wird.
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Des weiteren sei nochmals an dieser
Stelle erwähnt,
dass es vorteilhaft ist, den Kunststoff wenigstens gleitflächenseitig
porös auszubilden,
um Schmiertaschen zur Aufnahme von Schmierstoff zu erhalten, wodurch
die Gleitreibung zwischen Kolbenschaft und Zylinderlauffläche zusätzlich verringert werden
kann.
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Die Ausführungsform gemäß 1 zeichnet sich dadurch
aus, dass der stiftartige Teil 16 der Tragkonstruktion 15 einen
kreisrunden Querschnitt aufweist.
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Die Ausführungsform nach 2 unterscheidet sich von
derjenigen nach 1 nur
durch einen kreuzförmigen
Querschnitt des stiftartigen Teils 16 der Tragkonstruktion 15.
Im übrigen
sind beide Ausführungsformen
im wesentlichen identisch.
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich nicht nur auf einen Axialkolbenverdichter mit Kolben der vorbeschriebenen
Art, sondern auch auf entsprechend ausgebildete Kolben.
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Sämtliche
in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich
beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem
Stand der Technik neu sind.
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- 10
- Kolben
- 11
- Kolbenschaft
- 12
- Kolbenschuh
- 13
- Lagerfläche
- 14
- Kolbenbrücke
- 15
- Tragkonstruktion
- 16
- Stift
- 17
- Kolbenboden
(Kreisscheibe)
- 19
- Kunststofffüllung