DE10329393A1

DE10329393A1 - Axialkolbenverdichter, insbesondere Kompressor für de Klimaanlage eines Kraftfahtzeuges

Info

Publication number: DE10329393A1
Application number: DE10329393A
Authority: DE
Inventors: Otfried Schwarzkopf; Ullrich Dr. Hesse; Michael Dr. Arnemann
Original assignee: Zexel Valeo Compressor Europe GmbH
Current assignee: Valeo Compressor Europe GmbH
Priority date: 2003-06-17
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2005-01-05
Also published as: DE502004007564D1

Abstract

Axialkolbenverdichter, insbesondere Kompressor für die Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges, mit einem Gehäuse und einer in dem Gehäuse angeordneten, über eine Antriebswelle (104) angetriebenen Verdichtereinheit zum Ansaugen und Verdichten eines Kältemittels, wobei die Verdichtereinheit in einem Zylinderblock axial hin- und herlaufende Kolben und eine die Kolben antreibende, mit der Antriebswelle drehende Schwenkscheibe (107) umfaßt. Bei vorbestimmter rotatorisch bewegter Masse der Schwenkscheibe (107) einerseits und/oder bestimmter translatorisch bewegter Masse andererseits ist der durch die Geometrie und/oder Dichteverteilung bestimmte mittlere Radius und/oder die mittlere Höhe der Schwenkscheibe (107) bzw. des schwenkbaren Anteils derselben derart gewählt, dass die beim Drehen der Schwenkscheibe auftretenden Fliehkräfte ausreichen, um der Schwenkbewegung der Schwenkscheibe (107) bewusst regelnd entgegenzuwirken und damit den Kolbenhub und somit die Fördermenge zu beeinflussen, insbesondere zu verringern bzw. zu begrenzen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Axialkolbenverdichter, insbesondere Kompressor für die Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges, mit einem Gehäuse und einer in dem Gehäuse angeordneten, über eine Antriebswelle angetriebenen Verdichtereinheit zum Ansaugen und Verdichten eines Kältemittels, wobei die Verdichtereinheit in einem Zylinderblock axial hin- und herlaufende Kolben und eine die Kolben antreibende, mit der Antriebswelle drehende Schwenkscheibe umfaßt.

Ein derartiger Axialkolbenverdichter ist zum Beispiel aus der DE 197 49 727 A1 bekannt. Dieser umfaßt ein Gehäuse, in dem in einer kreisförmigen Anordnung mehrere Axialkolben um eine rotierende Antriebswelle herum angeordnet sind. Die Antriebskraft wird von der Antriebswelle über einen Mitnehmer auf eine ringförmige Schwenkscheibe und von dieser wiederum auf die parallel zur Antriebswelle translatorisch verschiebbaren Kolben übertragen. Die ringförmige Schwenkscheibe ist an einer axial verschieblich an der Antriebswelle gelagerten Hülse schwenkbar gelagert. In der Hülse ist ein Langloch vorgesehen, durch das der erwähnte Mitnehmer hindurchgreift. Somit ist die axiale Beweglichkeit der Hülse auf der Antriebswelle durch die Abmessungen des Langloches begrenzt. Eine Montage erfolgt durch ein Hindurchstecken des Mitnehmers durch das Langloch. Antriebswelle, Mitnehmer, Schiebehülse und Schwenkscheibe sind in einem sog. Triebwerksraum angeordnet, in dem gasförmiges Arbeitsmedium des Verdichters mit einem bestimmten Druck vorliegt. Das Fördervolumen und damit die Förderleistung des Verdichters sind abhängig vom Druckverhältnis zwischen Saugseite und Druckseite der Kolben bzw. entsprechend abhängig von den Drücken in den Zylindern einerseits und im Triebwerksraum andererseits.

Eine etwas andere Bauart eines Axialkolbenverdichters ist zum Beispiel in der DE 198 39 914 A1 beschrieben. Die Schwenkscheibe ist als Taumelscheibe ausgeführt, wobei zwischen Taumelscheibe und den Kolben eine gegenüber der Taumelscheibe gelagerte, drehfeste Aufnahmescheibe angeordnet ist.

Des weiteren wird auf folgenden Stand der Technik hingewiesen:
DE 2 524 148
US 4 815 358
US 4 836 090
US 4 077 269
US 5 105 728

Bei den in diesen Druckschriften beschriebenen Kompressoren geht es u.a. darum, Maßnahmen zu treffen, um die Unwucht des Triebwerks im Betrieb zu vermeiden oder zu reduzieren. Im übrigen ist den bekannten Konstruktionen gemeinsam, dass die rotierenden Bauteile gegenüber den translatorisch bewegten Teilen, nämlich Kolben, Kolbenstange etc. relativ groß und dementsprechend schwer gebaut sind. Des weiteren ist den bekannten Konstruktionen gemeinsam, dass auf die eigentliche Schwenkscheibenvorrichtung eine Zusatzscheibe durch einen geeigneten Koppelmechanismus einwirkt. Die mehreren rotierenden Bauteile sollen ein aufstellendes Moment der Schwenkscheibenvorrichtung in Richtung Minimalhub bewirken, wodurch Einfluß auf das Regelverhalten genommen wird.

Die erwähnten Ausführungen sind allesamt relativ aufwendig, teuer, wenig kompakt und aus diesem Grunde für die heutzutage von der Autoindustrie verlangten Kompressoren für Klimaanlagen ungeeignet.

Auch bei Serienverdichtern, wie sie heutzutage in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, zielt man auf eine geeignete Dimensionierung der bewegten Bauteile bzw. bewegten Massen, um ein gewünschtes Regelverhalten zu erreichen, und zwar dahingehend, dass die beim Drehen der Schwenkscheibe auftretenden Fliehkräfte ausreichen, um der Schwenkbewegung bewusst regelnd entgegenzuwirken und damit den Kolbenhub und somit die Fördermenge zu beeinflussen, insbesondere zu verringern bzw. zu begrenzen. Der Serienverdichter 6SEU12C von DENSO weist zum Beispiel ein Triebwerk mit den folgenden, für das Regelverhalten relevanten Massen auf:

Die vorgenannten Zahlen lassen erkennen, dass eine beträchtliche Bauteilmasse für rotatorisch bewegte Teile vorgesehen ist. Damit versucht man, eine ausreichende Gegenkraft bzw. ein ausreichendes Gegenmoment in bezug auf die translatorisch bewegten Massen herzustellen. Dieser Grundgedanke liegt auch der DE 198 39 914 A1 zugrunde, wo eben die rotierende Masse der Schwenkscheibe bzw. des schwenkbaren Anteils derselben derart bemessen ist, dass die beim Drehen der Antriebsscheibe auftretenden Fliehkräfte ausreichen, um der Schwenkbewegung der Schwenkscheibe bewusst regelnd entgegenzutreten und damit den Kolbenhub und somit die Fördermenge zu beeinflussen, nämlich zu verringern bzw. zu begrenzen bzw. insbesondere konstant zu halten.

In der Veröffentlichung von Björn Fagerli, „A theoretical comparison of the mechanical control behaviour of a R744 and a R134a automotive AC compressor", veröffentlicht im Rahmen der Purdue Compressor Conference 2002, sind die Einflußgrößen dargestellt, die als Momente um das Kippzentrum einer Schwenkscheibenvorrichtung wirken. Diese sind im einzelnen folgende Momente, wobei in Klammern jeweils die Richtung der Momente angegeben ist und (–) abregelnd (in Richtung eines Minimalhubs) und (+) aufregelnd (in Richtung des Maximalhubs) bedeuten:

– Moment infolge der Gaskräfte in den Zylinderräumen (+)
– Moment infolge der Gaskräfte aus dem Triebwerksraum (–)
– Moment infolge einer Rückstellfeder (–),
– Moment infolge einer Aufstellfeder (+)
– Moment infolge rotierender Massen (–); inklusive Moment infolge Schwerpunktlage (z.B. Schwenkscheibe: Kippposition ≠ Massenschwerpunkt): kann (+) sein
– Moment infolge der translatorisch bewegten Massen (+)

In Bezug auf den erwähnten Verdichter 6SEU12C von DENSO, der die typische Bauform eines Schwenkscheibenverdichters repräsentiert, ist zu bemerken, dass die Masse einer solchen Schwenkscheibe nicht beliebig erhöht werden kann, um das Regelverhalten damit zu verändern. Das liegt daran, dass bei den Verdichtern der beschriebenen Art der Massenschwerpunkt der Schwenkscheibe in der Regel einen deutlichen Abstand zum Kippgelenk der Schwenkscheibe aufweist. Diese Konstruktion begründet sich im wesentlichen damit, dass die Schwenkscheibe zusätzlich zu einer geeigneten Führung auf der Antriebswelle über einen Stellmechanismus mit der Antriebswelle oder ein mit der Antriebswelle verbundenes Bauteil gekoppelt werden muß.

Der erwähnte Abstand vom Schwerpunkt der Schwenkscheibe und des Kippgelenks derselben führt zu einer Unwucht des Triebwerkes, insbesondere in Abhängigkeit vom Schwenkscheibenkippwinkel, und führt im ungünstigsten Fall zu einer aufregelnden Eigenschaft (s.o. „Schwerpunktlage").

Somit ist bei den Verdichtern nach dem Stand der Technik, und zwar sowohl nach dem druckschriftlichen als auch tatsächlich praktizierten Stand der Technik ein Kompromiß zu schließen dahingehend, dass eine vorbestimmte Masse der Schwenkscheibe bereitgestellt wird, um ein Gegenmoment zu den translatorisch bewegten Massen herzustellen. Andererseits darf die Masse der Schwenkscheibe aber auch nicht zu groß ausgelegt werden, da dann die Unwucht des Triebwerkes übermäßig würde.

Um diesem Problem zu begegnen, hat man auch bereits vorgeschlagen, die Kolben, d.h. die translatorischen Massen möglichst gering, d.h. leicht zu bauen, zum Beispiel aus Aluminium oder anderen Werkstoffen mit geringerer spezifischer Dichte. Auch gibt es diesbezüglich den Vorschlag, Hohlkolben zu verwenden.

Doch auch mit diesen Maßnahmen lässt sich insbesondere eine Konstantregelung der Fördermenge bei unterschiedlichen Drehzahlen nicht erreichen. Dabei sei darauf hingewiesen, dass der Begriff „Konstantregelung" nicht als exakte Aussage zu verstehen ist. Exakt konstant wäre die Fördermenge nämlich nur dann, wenn sich zum Beispiel bei Verdoppelung der Drehzahl der Kippwinkel der Schwenkscheibenvorrichtung halbiert. Zu Bedenken ist jedoch, dass auch noch andere Parameter auf die Fördermenge einwirken, wie zum Beispiel Liefergrad oder Ölwurf od. dgl., wenn sich zum Beispiel der Kippwinkel der Schwenkscheibe ändert.

Für eine Konstantregelung der Fördermenge bei wechselnden Drehzahlen wird das rückstellende Drehmoment der Schwenkscheibenvorrichtung ausgenutzt, da – wie bereits erläutert – die Schwenkscheibe ihrer Schrägstellung aufgrund der dynamischen Kräfte am mitdrehenden Scheibenteil entgegenwirkt.

Dieses Verhalten kann durch Federkräfte oder hydraulisch, pneumatisch od. dgl. unterstützt werden, so dass bei ansteigender Drehzahl zunehmende Fördermenge durch Rückstellung der Schrägstellung zumindest teilweise kompensiert werden.

Der Fall einer Kompensation des auf- und abregelnden Momentes kann ebenfalls sehr interessant sein. Drehzahländerungen greifen dann gar nicht in die Regelung ein. Damit kann mit einem einfacheren Regelalgorithmus gearbeitet werden.

Wie oben bereits ausgeführt, kann prinzipiell ein solches Verhalten erreicht werden, indem man zum Beispiel eine Zusatzmasse in das Triebwerk integriert, deren Massenträgheit sich, wie beschrieben, über einen Koppelmechanismus auf die Schwenkscheibenvorrichtung auswirkt.

Es wurde jedoch auch dargelegt, dass die Masse der Schwenkscheibe nicht beliebig vergrößert werden kann, ohne dass andere Nachteile in Kauf genommen werden müssen. Dies gilt insbesondere auch für die Lehre gemäß der DE 198 39 914 A1 bzw. EP 99 953 619 (Anmelde-Nr.). Die dort vorgeschlagene Regelung mit der Masse der rotierenden Bauteile kann zu einem Regelverhalten führen, durch das die Förderleistung weitgehend drehzahlunabhängig ist. Dies ist jedoch nicht zwangsläufig. Es kann auch zu einer Überkompensation kommen. Die Auslegungskriterien sind unscharf. Der Grund dafür liegt darin, dass die Masse der rotierenden Bauteile das Aufstellmoment der Schwenkscheibe lediglich proportional beeinflusst.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Verdichter der eingangs genannten Art zu schaffen, der wahlweise ein Regelverhalten der Kompensation, Überkompensation, Konstantregelung für die „Fördermenge" aufweist, und zwar mit einer minimalen Masse der schwenkbaren Rotations-Bauteile, so dass eine kompakte Bauweise des Verdichters möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst, wobei bevorzugte konstruktive Details und Weiterentwicklungen in den Unteransprüchen beschrieben sind.

Erfindungsgemäß wird also das gewünschte Regelverhalten des Verdichters primär nicht mit der Bauteilmasse erreicht, sondern unter Berücksichtigung des Massenträgheitsmomentes der Schwenkscheibenanordnung, welches von deren Geometrie abhängt.

Ein Kerngedanke der Erfindung ist es also, das Moment infolge translatorischer Massen direkt durch das Moment infolge rotierender Massen zu kompensieren, oder auch zu überkompensieren.

Das Aufstellmoment, welches an einer Schwenkscheibenvorrichtung hervorgerufen werden soll, ist eine Funktion der Drehzahl bzw. der Winkelgeschwindigkeit ω und des Massenträgheitsmomentes J der Schwenkscheibenvorrichtung: M = f(ω2; J)

Das Massenträgheitsmoment selbst ist im wesentlichen eine Funktion der Bauteilmasse und der Bauteilgeometrie, zum Beispiel bei einer Scheibe bestimmt durch den Durchmesser „2r" und die Scheibendicke bzw. -höhe „h": J = f(m, r2, h2)

Noch präziser ausgedrückt ist das Massenträgheitsmoment im wesentlichen eine Funktion der Bauteildichteverteilung und auch der Bauteilgeometrie. Dabei berücksichtigt die Bauteildichteverteilung zum Beispiel Schwenkscheiben aus unterschiedlichen Werkstoffen, nämlich 2, 3 oder mehr Werkstoffen oder einem Werkstoff mit unterschiedlicher Dichteverteilung (Metallschaum, heterogenes Material): J = f (ρ, r2, h2),wobei ρ = Dichte,
r = Schwenkscheibenradius, und
h = Schwenkscheibenhöhe bedeuten.

Zusätzlich ist die Lage des Bauteilschwerpunktes zu berücksichtigen. Bevorzugt wird ein Bauteilschwerpunkt auf der Antriebswellenachse, insbesondere im Kipppunkt der Schwenkscheibenvorrichtung liegen (also dann jeweils für jeden Kippwinkel).

Aus den Zusammenhängen ist erkennbar, dass es effektiv ist (Exponent), die Geometrie der Schwenkscheibenvorrichtung so zu wählen, dass das gewünschte Regelverhalten erreicht wird.

Besonders vorteilhaft ist es, eine Geometrie der Schwenkscheibe zur Verfügung zu stellen, die einen Kompromiß aus „geringer Bauteilmasse" und (genügend) „großen Massenträgheitsmoment" darstellt.

Bei Ausbildung der Schwenkscheibe als Schwenkring kann dies dadurch erreicht werden, dass sowohl der Innendurchmesser als auch der Außendurchmesser unter Berücksichtigung der äußeren Umgebungsbedingungen jeweils maximal ausgebildet werden, wobei die äußeren Umgebungsbedingungen vorgegeben werden durch die Größe des Triebwerksraumes sowie zum Beispiel durch die notwendige Gleit- und Lagerfläche für die Gleitsteine einer Gelenkanordnung zwischen Schwenkscheibe bzw. Schwenkscheibenring und Kolben. Auch kann Einfluß genommen werden auf das gewünschte Massenträgheitsmoment durch geeignete Wahl der Schwenkscheibendicke.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Schwenkscheibentriebwerk anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in:
1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schwenkscheiben-Mechanismus für einen Axialkolbenverdichter für Fahrzeug-Klimaanlagen in schematischer Perspektivansicht, wobei die Schwenkscheibe sich in einer Stellung für einen maximalen Kolben befindet;
2 den Mechanismus gemäß 1 in schematischer Seitenansicht;
3 den Schwenkscheiben-Mechanismus entsprechend den 1 und 2, teilweise in Seitenansicht, teilweise im Schnitt;
4 den Schwenkscheiben-Mechanismus entsprechend 3 in Seitenansicht;
5 den Mechanismus gemäß 1–4 in schematischer Perspektivansicht, wobei sich die Schwenkscheibe in einer Kolben-Minimalhub-Stellung befindet;
6 den Mechanismus gemäß 5 in Seitenansicht;
7 den Schwenkscheiben-Mechanismus gemäß den 5 und 6, teilweise in Seitenansicht, teilweise im Schnitt;
8 den Schwenkscheiben-Mechanismus gemäß 7 in Seitenansicht;
9 eine schematische Darstellung der Koordinaten eines Schwenkscheiben-Mechanismus zur Berechnung des Massenträgheitsmomentes; und
10 Teil eines Compound-Schwenkringes im Querschnitt und vergrößertem Maßstab.
In den 1–8 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines Schwenkscheiben-Mechanismus 100 für einen Axialkolbenverdichter für Kraftfahrzeug-Klimaanlagen schematisch dargestellt. Dieser Schwenkscheiben-Mechanismus 100 umfaßt eine in ihrer Neigung zu einer Antriebswelle 104 verstellbare, von der Antriebswelle drehangetriebene, im vorliegenden Fall ringförmige Schwenkscheibe 107, wobei diese sowohl mit einer auf der Antriebswelle 104 axial verschieblich gelagerten Schiebehülse 108 als auch mit einem im Abstand von der Antriebswelle 104 mit dieser mitdrehend angeordneten Stützelement 109 gelenkig verbunden ist. Diese gelenkige Verbindung ist als Axialabstützung ausgebildet, wie insbesondere die 2–4 und 5–8 sehr gut erkennen lassen. Die Zusammenwirkung des Schwenkringes 107 mit gleichmäßig über einen sich um die Antriebswelle 104 herumerstreckenden Umfang verteilt angeordneten Axialkolben, die innerhalb eines Zylinderblocks hin- und herbeweglich gelagert sind, entspricht derjenigen gemäß Stand der Technik, zum Beispiel gemäß der DE 197 49 727 A1 .
Das Schwenklager des Schwenkringes 107 definiert eine sich quer zur Antriebswelle 104 erstreckende Schwenkachse 101. Diese Schwenkachse 101 wird konkret definiert durch zwei gleichachsig beidseitig der Schiebehülse 108 gelagerte Lagerbolzen. Diese Lagerbolzen sind radialen Bohrungen des Schwenkringes 107 gelagert. Die Schiebehülse kann zu diesem Zweck beidseitig zusätzlich Lagerhülsen aufweisen, die den Ringraum zwischen der Schiebehülse 108 und dem Schwenkring 107 überbrücken. Auch diese Konstruktion entspricht weitgehend dem Stand der Technik gemäß der DE 197 49 727 A1 .
Von Bedeutung ist die axiale Abstützung des Schwenkringes an dem mit der Antriebswelle 104 mitdrehend angeordneten Stützelement 109. Diese Abstützung erfolgt durch einen am Schwenkring 107 angeordneten Stützbogen 110. Dieser Stützbogen 110 ist so ausgebildet, dass er eine zwischen Kolben und Schwenkring wirksame Gelenkanordnung übergreift, und zwar so, dass unabhängig von der Neigung des Schwenkringes 107 eine Kollision zwischen diesem und dem Stützbogen 110 einerseits und einem die vorgenannte Gelenkanordnung umfassenden brückenartigen Kolbenfuß andererseits ausgeschlossen ist. Das Stützelement 109 ist integraler Bestandteil einer mit der Antriebswelle 104 mitdrehenden Scheibe 112, und zwar ein gegenüber der Scheibe erhaben ausgebildetes Kreissegment.
Die Stützfläche des Bogens 110 erstreckt sich etwa konzentrisch zum Mittelpunkt der zwischen Kolben und Schwenkscheibe bzw. Schwenkring 107 wirksamen Gelenkanordnung, die kugelsegmentförmige Gleitsteine umfaßt. Die axiale Abstützung ist also außerhalb der vorgenannten Gelenkanordnung wirksam mit der Folge, dass die Gelenkanordnung, die zwischen Kolben und Schwenkscheibe bzw. Schwenkring wirksam ist, durch axiale Abstützungsmaßnahmen nicht beeinträchtigt wird. Dies gilt insbesondere für die Dimensionierung der vorgenannten Gelenkanordnung.
Des weiteren ist erkennbar, dass bei der dargestellten Ausführungsform das Schwenklager der Schwenkscheibe bzw. des Schwenkringes 107 nur zur Drehmomentübertragung und das Stützelement 109 nur zur axialen Abstützung der Kolben bzw. Gaskraftabstützung dienen. Die Drehmomentübertragung ist also von der Axialabstützung des Schwenkringes 107 entkoppelt.
In den 1–4 befindet sich der Schwenkring in einer Neigungs-Position für maximalen Kolbenhub. Die 5–8 zeigen den Schwenkring in einer Position für einen minimalen Kolbenhub.
Die in den 4 und 8 eingezeichneten Kreise in Fortsetzung der Stützfläche des Stützbogens 110 zeigen, dass die Stützfläche des Stützbogens 110 einen Kreisbogen beschreibt. Davon kann bei Bedarf bewusst abgewichen werden, um einen vorbestimmten „offset" der Abstützung des Stützbogens 109 von der Kolbenlängsachse bei Veränderung der Neigung des Schwenkringes 107 auszugleichen.
Der Stützbogen 110 kann entweder integrales Bauteil des Schwenkringes 107 sein oder entsprechend den 3 und 7 als gesondertes Bauteil mit dem Schwenkring 107 starr verbunden sein. Letztgenannte Ausführungsform hat den Vorteil, dass sich der Schwenkring auf beiden Flachseiten genau schleifen lässt mit der Folge einer entsprechend hohen Parallelität der beiden gegenüberliegenden Laufflächen für die oben erwähnten Gleitsteine einer zwischen Kolben und Schwenkring wirksamen Gelenkanordnung.
Falls der Stützbogen 110 auch zur Drehmomentübertragung dienen soll, erstreckt sich dieser vorzugsweise in eine entsprechende Mulde, an der dem Stützbogen 110 zugewandten Seite des Stützelements 109 hinein. Die Mulde ist dann vorzugsweise als Radialnut ausgebildet.
Es sei an dieser Stelle nochmals darauf hingewiesen, dass die dargestellte Ausführung eines Schwenkscheiben-Mechanismus nur beispielhaft ist. Das erfindungsgemäße Konzept eignet sich zum Beispiel genauso gut für einen Schwenkscheiben- bzw. Schwenkring-Mechanismus gemäß der DE 197 49 727 A1 .
Vorzugsweise ist der Schwenkring 107 ausgewuchtet, und zwar so, dass der Schwerpunkt im sog. Kipppunkt liegt. Zu diesem Zweck kann relativ zur Antriebswelle 104 diametral zum Stützbogen 110 noch ein Ausgleichsgewicht 114 vorgesehen sein, so wie dies nur beispielhaft in 3 eingezeichnet ist.
Wie bereits eingangs dargelegt, ist der durch die Geometrie und/oder Schwenkscheibe bzw. des Schwenkrings 107 bzw. des Schwenkbahnanteils desselben derart gewählt, dass die beim Drehen des Schwenkringes auftretenden Fliehkräfte ausreichen, um der Schwenkbewegung des Schwenkringes bewusst regelnd entgegenzuwirken und damit den Kolbenhub und somit die Fördermenge zu beeinflussen, insbesondere zu verringern bzw. zu begrenzen.
Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Schwenkscheibe als Schwenkring ausgebildet. Zusätzlich kann es vorteilhaft sein, für eine Anlenkung an andere Bauteile des Triebwerkes oder für einen Massenausgleich Ausformungen, Bohrungen, Vorsprünge od. dgl. vorzusehen. Auf jeden Fall sollte vorzugsweise der Massenschwerpunkt mit dem Kipppunkt (Kippgelenk) des Schwenkringes zusammenfallen.
Außen- und Innendurchmesser des Schwenkringes 107 werden durch die Durchmesser der Gleitsteine bestimmt, die Teil einer zwischen Kolben und Schwenkring wirksamen Gelenkanordnung sind. Die vorgenannten Durchmesser werden so gewählt, dass die Gleitsteine im wesentlichen auf den Flachseiten des Schwenkringes aufliegen, und zwar so, dass sie auch bei extremer Neigung des Schwenkringes nur geringfügig über den Außen- oder Innendurchmesser des Schwenkringes vorstehen. In jedem Fall sollten unter den gegebenen Umständen sowohl Innen- als auch Außenradius des Schwenkringes maximal sein, wobei der Außendurchmesser natürlich auch begrenzt ist durch den Innendurchmesser des Gehäuses, welches den Triebwerksraum begrenzt.
Der vorerwähnte Stützbogen 110 ist hinsichtlich seiner Masse im Vergleich zu den übrigen Teilen des Schwenkringes vernachlässigbar. Er muß lediglich in Bezug auf etwaige Unwuchten berücksichtigt werden, z.B. durch Anordnung kompensatorisch wirksamer Gegengewichte.
Die Kolben, die beim erfindungsgemäßen Triebwerk verwendet werden, weisen eine Masse von etwa 30 g bis 90 g auf, vorzugsweise 35 g bis 50 g. Sie bestehen zu diesem Zweck aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung (mit oder ohne Kunststoffbeschichtung) oder aus einem Kunststoff-Verbund. Die Verwendung von Stahl, Stahlguß oder Grauguß für die Kolben ist ebenfalls denkbar. Die Folge ist dann natürlich, dass die Kolbenmassen größer werden. Als Kompromiß ist eine Kombination von Stahl und Aluminium überlegenswert. Denkbar ist auch eine Kombination von Metall und Kunststoff.
In der Regel liegt der Innenradius „r_i" des Schwenkringes 107 im Bereich von 12 mm bis 22 mm. Der Außenradius „r_a" des Schwenkringes 107 beträgt etwa 34 mm bis 42 mm.
Die Kolben liegen auf einem Teilkreisdurchmesser „r_m" im Bereich zwischen 24 mm und 34 mm.
Bevorzugt wird eine Geometrie im Bereich von „r_i = 20 mm", „r_m = 29 mm" und „r_a = 38 mm", wobei sich r_m aus der Gleichung r_m = (r_a + r_i)/2 errechnet.
Die Höhe „h" des Schwenkringes 107 liegt im Bereich von 8 mm bis 20 mm, vorzugsweise im Bereich zwischen 14 mm bis 16 mm.
Der Werkstoff, der für die Herstellung des Schwenkringes 107 verwendet wird, sollte vorzugsweise eine Dichte von größer als 7 g/cm³, insbesondere größer als 8 g/cm³ aufweisen.
Vorzugsweise besteht der Schwenkring aus mindestens zwei Werkstoffen zur Erzielung einer optimalen Massenträgheit. In 3 und 7 ist ein solcher Compound-Schwenkring schematisch dargestellt, wobei der Innenring mit 107i und der Außenring mit 107a gekennzeichnet ist. Der Außenring 107a besteht vorzugsweise aus einem Werkstoff höherer Dichte. In 10 ist diesbezüglich eine Alternativkonstruktion dargestellt, die sich dadurch auszeichnet, dass sich der äußere Teilring 107a aus schwerem Werkstoff, d.h. Werkstoff höherer Dichte, wie z.B. Blei od. dgl. innerhalb einer äußeren Umfangsnut 113 des inneren Teilringes 107i befindet, der z.B. aus verschleißfestem Stahl hergestellt ist. Damit ist sichergestellt, dass die beiden Flachseiten des Schwenkringes, auf denen die Gleitsteine der Kolbenanlenkung gleiten, verschleißfest sind. Im übrigen weist Stahl eine geringere Dichte als Blei auf, d.h. der innere Teilring 107i besteht aus einem leichteren Werkstoff als der äußere Teilring 107a.
Der Schwenkring 107 hat vorzugsweise ein Massenträgheitsmoment J₂ = J_η bzw. J = m/4 (r_a ² + r_i ² + h²/3), das größer ist als 100.000 gmm². Vorzugsweise ist das Massenträgheitsmoment größer als J = 200.000–250.000 gmm².
Weiter hat der Schwenkring vorzugsweise ein Massenträgheitsmoment von J₃ = J_ζ = m/2 (r_a ² + r_i ²), das größer ist als 200.000 gmm², vorzugsweise etwa 400.000–500.000 gmm².
(Anmerkung: In der Regel (Scheibe oder Ring) ist J_δ immer ungefähr J₃ = 2 × J₂. Es kommt aber primär auf J₃ an, wobei J₂ und J₃ jedoch wie beschrieben, voneinander abhängig sind.)
Wie oben dargelegt, gibt es verschiedene Einflußgrößen (Momente), die in das Regelverhalten der Schwenkscheibe bzw. des Schwenkringes eingreifen. Dabei gilt es, das Moment infolge translatorischer Massen direkt durch das Moment infolge rotierender Massen zu kompensieren oder ggf. zu überkompensieren.
Nachstehend ist die Herleitung des sog. Deviationsmomentes angegeben, welches für das Kippen der Schwenkscheibe bzw. eines Schwenkringes maßgeblich ist, und zwar im dargestellten Fall allein für das Kippen der Schwenkscheibe bzw. des Schwenkringes verantwortlich ist unter der Voraussetzung, dass der Massenschwerpunkt der Schwenkscheibe bzw. des Schwenkringes sowohl im Kipppunkt als auch im geometrischen Mittelpunkt der Schwenkscheibe bzw. des Schwenkringes liegt. Hierbei handelt es sich um einen anzustrebenden Idealfall der Konstruktion. Für die Herleitung des Deviationsmomentes gilt ganz allgemein unter Bezugnahme auf 9:
Deviationsmoment
Jyz = –J2 cosψ sinψ + J3 cosψ sinψ
Im übrigen gilt unabhängig von 9: Moment infolge Massenkraft der Kolben
Moment infolge Deviationsmoment M_sw
Dabei bedeuten die oben verwendeten Größen was folgt:
θ Drehwinkel der Welle (wobei die vor- und nachstehenden Betrachtungen der Einfachheit halber für θ = 0 angestellt werden)
η Anzahl der Kolben
R Abstand der Kolbenachse zur Wellenachse
ω Wellendrehzahl
α Kippwinkel des Schwenkringes/Schwenkscheibe
mk Masse eines Kolbens inklusive Gleitsteine bzw. Gleitsteinpaar
mk,ges Masse aller Kolben inklusive Gleitsteine
msw Masse des Schwenkringes
ra Außenradius des Schwenkringes
ri Innenradius des Schwenkringes
h Höhe des Schwenkringes
ρ Dichte des Schwenkringes
V Volumen des Schwenkringes
βi Winkelposition des Kolbens i
zi Beschleunigung des Kolbens i
Fmi Massenkraft des Kolbens i (inklusive einem Gleitsteinpaar)
M(Fmi) Moment infolge der Massenkraft des Kolbens i
Mk,ges Moment infolge der Massenkraft aller Kolben
Msw Moment infolge des Aufstellmomentes des Schwenkringes/Schwenkscheibe (Deviationsmoment)
Dabei ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung Ziel, dass das Moment infolge des Aufstellmomentes der Schwenkscheibe oder des Schwenkrings, d.h. das Deviationsmoment größer/gleich dem Moment infolge der Massenkräfte aller Kolben ist, d.h. folgende Beziehung gilt:
Die vorgenannte Gleichung zeigt, dass die Drehzahl auf beide Terme gleichartig Einfluß hat und deshalb Drehzahländerungen an dem Momentenverhältnis nichts ändern. Dies ergibt sich auch aus nachstehendem Beispiel in den Tabellen 1 und 2, wobei:
Kolbenzahl: n = 7
Abstand Kolbenachse zur Antriebswellen-Längsachse: R = 25 mm
Innenradius r_i/Außenradius r_a des Schwenkringes: r_i/r_a = 15/35
Dichte: ρ = 7,9
Schwenkringhöhe: h = 10 mm
Masse/Kolben: m_k = 39
vorausgesetzt wird: Tabelle 1
Tabelle 2
Die Tabelle 2 zeigt, dass der jeweilige Schwenkscheiben bzw. -ring-Kippwinkel am Momentenverhältnis nur wenig ändert. Des weiteren ergibt sich aus der vorstehenden Gleichung, dass tanα ≠ sin2α, und dass dementsprechend das Momentenverhältnis insbesondere für kleine Winkel α wenig vom Winkel α abhängt. Daraus ergibt sich eine sinnvolle Auslegung für einen mittleren Winkel α: M_k,ges = M_sw, oder für α_max: M_k,ges = M_sw. Die Schwenkscheibe wirkt dabei kompensierend.
Die nachstehende Tabelle 3 zeigt Ergebnisse für den Fall:

– Schwenkscheibe wirkt kompensierend
– Schwenkscheibe wirkt abregelnd bzw. überkompensierend

Für das Momentengleichgewicht sind demzufolge im wesentlichen nur die geometrischen Größen relevant, wobei natürlich auch die Massen der Kolben und der Schwenkscheibe Einfluss haben. Konkret sind von Relevanz auf das Momentengleichgewicht folgende Größen:
[m_k,ges/msw/R²/r_a ²/r_i ²/h²]
Bei Ausbildung der Schwenkscheibe als Schwenkring ist es zweckmäßig, den Abstand zwischen Kolbenachse und Antriebswellenachse aus der Beziehung R = (ra + ri)/2zu berechnen.
Für eine optimale Auslegung der Schwenkscheibe, hier des Schwenkringes 107 bezieht man sich vorzugsweise auf den Quotienten „Trägheitsmoment/Masse", also „J/m". Dieser Quotient drückt die Größe des Massenträgheitsmomentes bei einer vorbestimmten Schwenkscheiben- bzw. Schwenkringmasse aus. Der Quotient sollte größer als 250 gmm²/g sein. Besonders vorteilhaft sind Quotienten von größer als 400–500 gmm²/g. „J" bezieht sich auf jede Schwerpunktachse (also: J = J₁ = J₂ = J₃, wobei in der Regel J₃ ≈ 2J₂ gilt), wobei der Schwerpunkt der rotierenden Masse vorzugsweise im Zentrum des Kippgelenkes derselben liege.
Größere Massenträgheiten sind insbesondere dann zu wählen, wenn Kolbenmassen deutlich größer als 40 g/Kolben gewählt werden.
Mit der erfindungsgemäßen Konstruktion soll vor allem eine mechanische Abregelung der Fördermenge eines Axialkolbenverdichters bei Drehzahl-Erhöhung erreicht werden. Der Idealfall wäre natürlich eine Konstantregelung, wobei die Konstantregelung ein Unterfall der erfindungsgemäß angestrebten durch Geometrie und Momentenverteilung verursachten mechanischen Abregelung ist.
Das nachstehende Beispiel zeigt eine vorteilhafte Auslegung bei verschiedenen Radien, Volumina und Massen für einen Schwenkring 107: Tabelle 4
Dabei ergeben sich die vorstehenden Werte aus folgenden allgemein gültigen Gleichungen für einen Schwenkring:
(1) m = _ζV
(3) D = 2r_a
(4) d = 2r_i
(5) J = m/4(r_a ² + r_i ² + h²/3)
Wie dargelegt, bezieht man sich bei der Auslegung vorzugsweise auf den Quotienten „J/m" ganz allgemein, sowie vorzugsweise speziell auf das Verhältnis „J_y/m_k,ges", also auf den Quotienten aus Massenträgheit der Schwenkscheibe bzw. des Schwenkringes im Bezug auf die y-Achse gemäß 9 und der gesamten Kolbenmassen. Dieser Quotient kann alternativ zu den vorgenannten Maßnahmen oder parallel dazu zur Auslegung der Konstruktion und damit zur Erzielung eines gewünschten Regelverhaltens herangezogen werden.
Dabei kann davon ausgegangen werden, dass ein Verhältnis von rotierenden zu translatorischen Massen m_sw/m_k,ges von deutlich kleiner als „1" sich sehr nachteilig auf das hier angestrebte Regelverhalten auswirkt. Das vorgenannte Verhältnis muß also vermieden werden.
Bei einem Massenverhältnis von m_sw/m_k,ges = 1 ergibt sich vorzugsweise für das Verhältnis J_y/m_k,ges ein Mindestwert für Kompensation von etwa 250 ... 300 g mm²/g.
Größere Werte sind je nach gewünschtem Regelverhalten einstellbar; insbesondere ist aber eine exakte Kompensation von Änderungen des Schwenkscheiben-Kippwinkels bei einem Massenverhältnis von m_k,ges = m_sw von Interesse.
Überkompensationen können ebenfalls von Interesse sein, insbesondere bei Kompensation der Änderung der Fördermenge infolge von Drehzahländerungen.
Analog ließen sich auch die Quotienten J_z/m_k,ges und J_z/m_sw zur Auslegung für das gewünschte Regelverhalten verwenden, da das Trägheitsmoment J_z in Bezug auf die z- bzw. Antriebswellen-Achse zusammen mit J_y das maßgebliche Deviationsmoment bildet. Dabei gilt für die dargestellte Schwenkringgeometrie die Beziehung:
J_z ≈ 2 J_y.
Da J_y2 ≈ J_z(...) – J_y(...) ist, und da J_yz groß sein soll, ist J_z eigentlich die wichtigere Größe. J_y kann man nur deshalb als Bezugsgröße heranziehen, weil die vorstehende Beziehung J_z ≈ 2J_y gilt.
Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

100: Schwenkscheiben-Mechanismus
101: Schwenklager (Schwenkachse)
104: Antriebswelle
107: Schwenkring
107i: innerer Schwenkring
107a: äußerer Schwenkring
108: Schiebehülse
109: Stützelement (axiale Abstützung)
110: Stützbogen
112: Scheibe
113: Umfangsnut
114: Ausgleichsgewicht

Claims

Axialkolbenverdichter, insbesondere Kompressor für die Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges, mit einem Gehäuse und einer in dem Gehäuse angeordneten, über eine Antriebswelle (104) angetriebenen Verdichtereinheit zum Ansaugen und Verdichten eines Kältemittels, wobei die Verdichtereinheit in einem Zylinderblock axial hin- und herlaufende Kolben und eine die Kolben antreibende, mit der Antriebswelle (104) drehende Schwenkscheibe (107) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, dass bei vorbestimmter rotatorisch bewegter Masse der Schwenkscheibe (107) einerseits und/oder bestimmter translatorisch bewegter Masse (zum Beispiel Kolben, Kolbenstange und/oder Gleitsteine) andererseits der durch die Geometrie und/oder Dichteverteilung bestimmte mittlere Radius und/oder die mittlere Höhe der Schwenkscheibe (107) bzw. des schwenkbaren Anteils derselben derart gewählt ist, dass die beim Drehen der Schwenkscheibe (107) auftretenden Fliehkräfte ausreichen, um der Schwenkbewegung der Schwenkscheibe (107) bewusst regelnd entgegenzuwirken und damit den Kolbenhub und somit die Fördermenge zu beeinflussen, insbesondere zu verringern bzw. zu begrenzen.
Axialkolbenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkscheibe ein Schwenkring (107) ist.
Axialkolbenverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Quotient Trägheitsmoment/Masse „J/m" der Schwenkscheibe (107) bzw. des schwenkbaren Anteils derselben wenigstens etwa 250 gmm²/g, insbesondere größer als 400 bis 500 gmm²/g beträgt, wobei höhere Werte gewählt sind, wenn die Kolbenmassen größer als 40 g/Kolben betragen, und wobei das Trägheitsmoment „J" in Bezug auf jede Achse durch den Schwerpunkt der Schwenkscheibe bzw. des schwenkbaren Anteils derselben berechnet ist.
Axialkolbenverdichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkscheibe bzw. der schwenkbare Anteil derselben aus einem Werkstoff mit einer Dichte von wenigstens 6–8 g/cm³ hergestellt ist.
Axialkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkscheibe (107) bzw. der schwenkbare Anteil derselben aus zwei oder mehr unterschiedlichen, den mittleren Radius für die Berechnung des Massenträgheitsmoments bestimmenden Werkstoffen hergestellt ist, wobei die unterschiedlichen Werkstoffe radial und/oder axial voneinander getrennt sind, insbesondere derart, dass bei einem Schwenkring (167) ein äußerer (107a) oder innerer Teilring aus einem ersten Werkstoff (107i), z.B. Werkstoff höherer Dichte, wie Blei od. dgl., innerhalb einer äußeren (113) oder inneren Umfangsnut eines inneren (107i) oder äußeren Teilringes ausgebildet ist, der aus härterem und verschleißfestem Werkstoff, wie z.B. Stahl, Keramik od. dgl. hergestellt ist.
Axialkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkscheibe (107) bzw. der schwenkbare Anteil derselben in Bezug auf jede Schwerpunktachse ein Massenträgheitsmoment „J" von größer als 100.000 g/mm², insbesondere größer als 200.000 bis 250.000 g/mm² aufweist.
Axialkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben jeweils eine Masse von etwa 30 g bis 90 g, insbesondere 35 g bis 50 g aufweisen.
Axialkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Radius und/oder die mittlere Höhe der Schwenkscheibe bzw. des schwenkbaren Anteils derselben derart bemessen sind, dass die beim Drehen der Schwenkscheibe (107) auftretenden, der Schwenkbewegung der Schwenkscheibe (107) entgegenwirkenden Fliehkräfte über den seitens der Kolben auf die Schwenkscheibe wirkenden, eine weiterreichende Schwenkbewegung verursachenden Kräften liegen, so dass sich der Kolbenhub mit zunehmender Drehzahl um ein solches Maß verringert, dass sich eine etwa konstante Fördermenge einstellt.
Axialkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwerpunkt der Schwenkscheibe (107) bzw. des schwenkbaren Anteils derselben im, oder zumindest nahe der Achse der Antriebswelle (104) liegt, wo sich insbesondere auch das Zentrum des Kippgelenkes befindet.
Axialkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 5–9, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausbildung der Schwenkscheibe (107) bzw. des schwenkbaren Anteils derselben aus mehreren Werkstoffen unterschiedlicher Dichte die radial äußeren Teile (107a) aus dichterem Werkstoff als die radial inneren Teile (107i) bestehen.
Axialkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 2–10, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausbildung der Schwenkscheibe als Schwenkring (107) der Innen- und Außendurchmesser innerhalb der äußeren Bedingungen (zum Beispiel Innendurchmesser des Triebwerksraumes, ausreichende Abstützung für die Gleitsteine einer zwischen Kolben und Schwenkscheibe wirksamen Gelenkanordnung, etc.) jeweils maximal gewählt sind.
Axialkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 5–11, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausbildung der Schwenkscheibe aus wenigstens zwei Materialien unterschiedlicher Dichte das eine Material eine Dichte von 6–8 g/cm³ aufweist, während das andere Material eine Dichte von mehr als 6–8 g/cm³ besitzt.
Axialkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1–12, dadurch gekennzeichnet, dass der Quotient „Deviationsmoment M_sw/Moment infolge der Massenkräfte aller Kolben M_k,ges" ≥ 1 ist.
Axialkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1–13, dadurch gekennzeichnet, dass der Quotient aus Massenträgheit der Schwenkscheibe in Bezug auf die y-Achse, d.h. eine Achse senkrecht zur z- bzw. -Antriebswellen-Achse und der gesamten Kolbenmasse „J_y/m_k,ges" wenigstens etwa 250–300 g mm²/g beträgt für den Fall, dass m_sw/m_k,ges = 1 ist, wobei bedeuten: m_sw = Masse der Schwenkscheibe (= rotierende Masse) m_k,ges = Masse aller Kolben inklusive Gleitsteine (= translatorische Masse)
Axialkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 2–14, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand "R" zwischen Kolbenachse und Antriebswellenachse sich aus der Beziehung R = (ra + ri)/2ergibt, wobei r_a = Außenradius des Schwenkringes (107), und r_i = Innenradius des Schwenkringes (107) bedeuten.