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Die
Erfindung betrifft einen Axialkolbenverdichter, insbesondere CO2-Verdichter für Kraftfahrzeug-Klimaanlagen,
mit einem in seiner Neigung zu einer Antriebswelle verstellbaren,
von der Antriebswelle drehangetriebenen Schwenkscheibe, insbesondere
Schwenkring, wobei dieser mit einem längs der Antriebswelle axial
verschieblich gelagerten Schwenklager verbunden und an einem im
Abstand von der Antriebswelle mit dieser mitdrehend angeordneten
Stützelement
abgestützt
ist, wobei die Kolben jeweils eine Gelenkanordnung aufweisen, an
der der Schwenkring in Gleiteingriff steht.
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In
der
EP 1 172 557 A2 ist
ein Axialkolbenverdichter mit einer zweiteiligen Stützvorrichtung
für eine
Schwenkscheibe beschrieben, wobei die zweiteilige Stützvorrichtung
sowohl zur axialen Abstützung
der Schwenkscheibe als auch zur Drehmomentübertragung dient. In
12 ist der bekannte Axialkolbenverdichter
im schematischen Längsschnitt
dargestellt. Ein an der Antriebswelle
14 befestigtes erstes
Mitnehmerteil
17, das als Lager in Form einer Aufnahmebohrung
17b ausgeführt ist,
ist mit einem erheblichen Abstand neben der Schwenkscheibe
18 angeordnet.
Ein zweites, in den ersten gelenkig eingreifendes Mitnehmerteil
19 ist
als seitlicher Fortsatz der Schwenkscheibe
18 ausgebildet.
Das erste sowie zweite Mitnehmerteil liegen jeweils paarweise vor. Üblicherweise
ist das Lagerspiel eines Mitnehmers und seines Lagerteiles mit einem
etwas weiteren Lagerspiel ausgestattet, um definierter führen und
dabei eine Überbestimmung
oder eine sogenannte Doppelpassung vermeiden zu können. Das hat
zur Folge, daß ein
solcher Verdichter nicht drehzahlunabhängig betrieben werden kann.
Die zweiteilige Stützvorrichtung
hat des weiteren den Nachteil, daß es relativ schwer und lang
baut mit der Folge, daß der
Verdichter entsprechend schwer und lang ausgebildet ist. Außerdem hat
die einen verdickten Nabenteil
18a aufweisende Schwenkscheibe
18 durch
ihren seitlichen Fortsatz ein verhältnismäßig großes Trägheitsmoment. Auch ist der
Schwerpunkt relativ weit von der sogenannten Kippachse entfernt. Die
Folge davon ist, daß eine
plötzliche
Veränderung der
Drehgeschwindigkeit mit entsprechender Trägheit zu einer Neigungsverstellung
der Schwenkscheibe
18 führt.
Weiterhin bewirkt der von der Kippachse relativ weit entfernte Schwerpunkt
eine Unwucht, da das Triebwerk nur für einen (vorzugsweise) mittleren Schwenkscheiben-Kippwinkel
ausgewuchtet werden kann. Die Variabilität der Schwerpunktslage bewirkt unerwünschte Änderungen
im Regelverhalten (in Abhängigkeit
des Kippwinkels). Schließlich
ist bei der bekannten Konstruktion noch von Nachteil, daß die Gaskraftabstützung abhängig ist
vom Kippwinkel der Schwenkscheibe. Des weiteren ist problematisch, daß die Mittelachsen
der Axialkolben
20 von der Antriebswelle
14 weiter
beabstandet sind als die Abstützung
an der Mitnehmerscheibe
17, und sich diese Verhältnisse
in Abhängigkeit
des Kippwinkels ändern.
Dies führt
zu einem nicht-linearen Verlauf der Regelcharakteristik.
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Ein
erheblicher Fortschritt gegenüber
dem vorgenannten Stand der Technik wird durch die Konstruktion gemäß der
DE 197 49 727 A1 erreicht.
Dort ist die Schwenkscheibe durch einen Schwenkring ersetzt. Dadurch
wird eine besonders kompakte Bauweise erhalten, die einer Kippbewegung
des Schwenkrings geringe Trägheitskräfte entgegensetzt.
Weiterhin wird eine exakte Einhaltung der inneren Totpunktposition
der Axialkolben gewährleistet. Veränderliche
schädliche
Räume werden
vermieden. Anhand der
13 und
14 soll nunmehr der Axialkolbenverdichter
gemäß der
DE 197 49 727 A1 etwas näher erläutert werden.
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Wie
bereits erwähnt,
hat die Schwenkscheibe die Form eines Schwenkringes 6.
An einer Stelle ihres Umfanges weist der Schwenkring 6 einen
radial nach innen offenen Eingriffsraum 28 auf, in den
der Kopf eines mit der Antriebswelle 5 fest verbundenen, die
Antriebskraft übertragenden
Mitnehmers 13 eingreift. Auf diese Weise wird ein seitlich
angeordneter Mitnehmer, der größere Trägheitskräfte, eine
größere Baulänge und
größeren Herstellungsaufwand
zur Folge hat, vermieden. Der mit der Bezugsziffer 1 gekennzeichnete
Axialkolbenverdichter weist vorzugsweise sieben Kolben 2 auf,
die in Umfangsrichtung in gleichem Winkelabstand voneinander angeordnet sind.
Die Axialführung
erfolgt jeweils innerhalb von Zylinderbohrungen 3 im Verdichtergehäuse 4.
Die Hubbewegung der Kolben 2 erfolgt durch den Eingriff eines
zur Antriebswelle 5 schräg verlaufenden Schwenkringes 6 in
eine Eingriffskammer 7, die angrenzend an den geschlossenen
Hohlraum 8 der Kolben 2 vorgesehen ist. Zwischen
den Kolben 2 und dem Schwenkring 6 sind jeweils
Gelenkanordnungen wirksam, die jeweils zwei kugelsegmentartige Gelenksteine 11, 12 umfassen.
Diese korrespondieren mit komplementären Lagermulden innerhalb eines brückenartigen
Kolbenfußes.
Zwischen den Flachseiten der kugelsegmentartigen Gelenksteine 11, 12 ist
der Schwenkring 6 gleitend gelagert. Die Drehmomentübertragung
von der Antriebswelle 5 zum Schwenkring 6 erfolgt
durch einen in der Antriebswelle 5 befestigten Mitnehmerbolzen 13,
dessen beispielsweise kugelförmiger
Kopf 15 in eine Radialbohrung 16 des Schwenkringes 6 eingreift.
Dabei ist die Position des Mitnehmerkopfes 15 so gewählt, daß sein Mittelpunkt 17 mit
demjenigen der Gelenkanordnung definiert durch die Gleitsteine 11, 12 übereinstimmt.
Außerdem
liegt dieser Mittelpunkt auf einem Kreis, der die geometrischen
Achsen der sieben Kolben 2 miteinander verbindet. Auf diese
Weise ist die Totpunktposition der Kolben 2 exakt bestimmt
und ein minimaler schädlicher
Raum gewährleistet.
Die Kopfform des freien Mitnehmerendes ermöglicht die Veränderung
der Neigung des Schwenkringes 6, indem der Mitnehmerkopf 15 einen
Lagerkörper
für die
die Hubweite der Kolben verändernde
Schwenkbewegung des Schwenkringes 6 bildet. Weitere Voraussetzung
für ein
Verschwenken des Schwenkringes 6 ist die Verschiebbarkeit
ihrer Lagerachse 20 in Richtung der Antriebswelle 5.
Hierzu ist die Lagerachse 20 durch zwei gleichachsig beidseitig
einer Schiebehülse 21 gelagerte
Lagerbolzen 22, 23 gebildet, die außerdem in
radialen Bohrungen 24, 25 des Schwenkringes 6 gelagert
sind. Die Schiebehülse 21 weist hierzu
beidseitig Lagerhülsen 26, 27 auf,
die den Ringraum 28 zwischen der Schiebehülse 21 und
dem Schwenkring 6 überbrücken (siehe
auch 14).
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Die
Begrenzung der Verschiebbarkeit der Lagerachse 20 und damit
die maximale Schrägstellung
des Schwenkringes 6 ergibt sich durch den Mitnehmerbolzen 13,
indem sich dieser durch ein in der Schiebehülse 21 vorgesehenes
axiales Langloch 30 hindurcherstreckt, so daß die Schiebehülse 21 an den
Enden des erwähnten
Langloches 30 Anschläge findet.
Die Kraft für
die Verstellung der Neigung des Schwenkringes 6 und damit
für eine
entsprechende Regelung des Axialkolbenverdichters ergibt sich aus der
Summe der jeweils beidseitig der Kolben 2 gegeneinander
wirkenden Drücke.
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Diese
Kraft ist vom Druck im Triebwerksraum 33 abhängig. Für die Regelung
dieses Drucks kann eine Strömungsverbindung
mit einer äußeren Druckgasquelle
vorgesehen sein. Je höher
der Druck an der Triebwerksraumseite der Kolben 2 bzw.
im Triebwerksraum 33 relativ zum Druck an der gegenüberliegenden
Seite der Kolben 2 ist, umso kleiner wird der Hub der Kolben 2 und
damit die Förderleistung des
Verdichters. Die Einstellung der Position der Schiebehülse 21 und
damit des Hubes der Kolben bzw. der Förderleistung des Verdichters
erfolgt durch mindestens eine mit der Schiebehülse 21 zusammenwirkende
Feder 34, 35. Vorzugsweise ist die Schiebehülse 21 zwischen
zwei Schraubendruckfedern 34, 35 eingeschlossen,
die sich über
die Antriebswelle 5 hinweg erstrecken.
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Nachteilig
bei dem bekannten Verdichter ist, daß das Kontaktprinzip zwischen
Mitnehmer und Schwenkring ein ungleichmäßiges Verformungsverhalten
zur Folge hat. Die durch den Mitnehmer bedingte Verformung der Gleitflächen bzw.
Flachseiten des Schwenkringes hat ein unruhiges Laufverhalten der
Gleitsteine und damit der Kolben 2 zur Folge. Im Bereich
der zylindrischen Radialbohrung im Schwenkring, innerhalb der sich
der kugelförmige
Kopf 15 des Mitnehmers 13 abstützt, kommt es aufgrund der dort
sehr kleinen Wandstärken
des Schwenkringes zu relativ starken Verformungen. Dadurch werden
die Laufeigenschaften der Gleitsteine 11, 12 auf
den Flachseiten des Schwenkringes 6 merklich verschlechtert.
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In
der WO 02/38959 ist eine Weiterentwicklung des Axialkolbenverdichters
gemäß der
DE 197 49 727 A1 dargestellt.
Das beschriebene Verformungsverhalten soll dort erheblich reduziert
werden. Im wesentlichen konzentrieren sich die einzelnen Vorschläge auf unterschiedliche
geometrische Formgebungen zwischen Drehmomentstütze und Aufnahmebohrung des
Schwenkringes.
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Durch
die
FR 2 782 126 A1 ist
ein weiteres Schwenkscheiben-Triebwerk für Axialkolbenverdichter bekannt.
Bei dieser bekannten Konstruktion ragt ein Mitnehmer in eine Schwenkscheibe
hinein. Gegenüber
der Konstruktion gemäß der
DE 197 49 727 A1 ist
die Schwenkscheibe allerdings auch in radialer Richtung angelenkt
und weist deshalb in radialer Richtung keine Verschiebbarkeit auf.
Dadurch kommt es zu einer Außermittigkeit
der Schwenkscheibe (d.h. Abweichung des Scheibenmittelpunktes von
der An triebswelle als Funktion des Kippwinkels der Schwenkscheibe),
wodurch Unwucht verursacht wird. Der Vorteil dieser Konstruktion
liegt darin, daß das
Gelenk die Kräfte
flächig übertragen
kann. Dementsprechend klein kann das Gelenk vergleichsweise gebaut
werden.
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Die
DE 101 52 097 A1 zeigt
eine Konstruktion ähnlich
derjenigen gemäß der
FR 2 782 126 A1 .
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Schließlich wird
auch in der
DE 2 951
647 A1 noch ein Triebwerk offenbart, mit dem der Schadraum
der Kolben konstant eingestellt werden kann. Im wesentlichen stützt sich
die Schwenkscheibe über einen
kreisförmigen
Bereich (an der Unterseite der Schwenkscheibe) an einem Mitnehmerbereich
der Antriebswelle ab, wobei der kreisförmige Bereich sein Zentrum
im Bereich der Kolbenlagerung findet und dort für alle Kippwinkel konstant
positionierbar sein soll. Analog wird dieses Triebwerksmerkmal auch
bei der
DE 197 49
727 A1 gelöst.
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Ergänzend zu
dem zitierten Stand der Technik sei auch noch auf die
DE 42 90 950 A1 verwiesen. Auch
dort stützt
sich die Schwenkscheibe, die in diesem Fall eine Taumelscheibe trägt, über einen
kreisförmigen
Bereich ab, der etwa konzentrisch zu einem Pleuelgelenk liegt, welches
in der Taumelscheibe gelagert ist. Es kann nicht davon ausgegangen
werden, daß bei
dieser Konstruktion der obere Totpunkt der Kolben bei Kippwinkeländerung
konstant bleibt.
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Allen
bekannten Schwenkscheiben-Triebwerken ist nachteilig die Überlagerung
folgender Funktionen:
- – Drehmomentübertragung
sowie
- – Abstützung der
Schwenkscheibe so, daß der obere
Totpunkt der Kolben unverändert
bleibt, d.h. unabhängig
von der Neigung der Schwenkscheibe.
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Die
Erfüllung
dieser beiden Funktionen führt zu
folgendem charakteristischem Verhalten:
- – Durch
beide Funktionseinflüsse
wird z.B. der kugelförmige
oder kugelformähnliche
Kopf des Mitnehmers gemäß der Konstruktion
nach den 13 und 14 in zwei Bereichen erheblichen
Flächenpressungen
unterworfen.
- – Diese
Flächenpressung
wird auch an den entsprechenden Bereichen der Schwenkscheibe erreicht.
- – Durch
die erwähnten
Flächenpressungen kommt
es zu Verformungen, die sich aufgrund von Gegebenheiten gegenseitig
unkontrollierbar beeinflussen können.
- – Reibungsspitzen
führen
zu einer Hysterese beim Kippen und Zurückkippen der Schwenkscheibe.
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Beim
Stand der Technik gemäß der bislang bevorzugten
Ausführungsform
nach
DE 197 49 727 A1 (
13,
14) wird der Mitnehmer sowohl durch das
Drehmoment beaufschlagt als auch durch Axialkräfte (Gaskraft). Die entsprechenden
Biegemomentverläufe
weisen ihr Maximum jeweils im Bereich der Aufnahme in der Antriebswelle
auf. Die Folge davon ist:
- – Die Dimensionierung und Auslegung
der Antriebswelle (Durchmesser), Wellenaufnahme (Passungslänge), als
auch Mitnehmer (Durchmesser und Werkstoff) werden im wesentlichen durch
die Kräfte
und Drehmomente bestimmt, die am Mitnehmer angreifen.
- – Der
Durchmesser des Mitnehmers und des am freien Ende desselben angeordneten
Kugelkopfes geben die Dimension der Aufnahmebohrung im Schwenkring
vor; über
die erforderliche Restwandstärke
des Schwenkringes im Bereich der erwähnten Aufnahmebohrung wird
die Mindestdicke bzw. Mindesthöhe
des Schwenkringes vorgegeben, wobei letztere natürlich umgekehrt auch die Größe des Kugelkopfes
bestimmt.
- – Damit
der Mitnehmer aufgrund seines (großen, auslegungsbedingten) Durchmessers
in den Schwenkring hineinragen kann, wird ein vergleichsweise schmaler
Ring verwendet, bei dem die Gleitsteine je nach Position der Antriebswelle innen
oder/und außen
einen Überstand
aufweisen, so daß Stützfläche verlorengeht.
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Um
dennoch die erforderlichen Kräfte
aufnehmen zu können,
ist es erforderlich, den Durchmesser der kugelsegmentförmigen Gleitsteine überdurchschnittlich
groß zu bemessen.
Dies wiederum hat relativ lange Kolben, d.h. Kolben mit relativ
langen Kolbenbrücken
zur Folge. Die Konsequenz davon sind entsprechend hohe Massenkräfte infolge der
Kolben, die das Regelverhalten wiederum ungünstig beeinflussen können. Dementsprechend werden
Kompensationsmaßnahmen
erforderlich.
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Vergleichsweise
große
Kolben und Gleitsteine wirken sich auch negativ auf die Wandstärke im Brückenbereich
der Kolben aus, da vergleichsweise große Biegemomente wirken.
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Ein
Vergleich der Konstruktionen, insbesondere der Drehmomentstützen gemäß der
EP 1 172 557 A2 und
DE 197 49 727 A1 offenbart
neben vielen Vorteilen der letztgenannten Konstruktion auch einen klaren
Nachteil bei der Kraftübertragung
infolge Drehmoment- und Gaskraftabstützung. Da bei der Konstruktion
gemäß der
EP 1 172 557 A2 diese Funktionen
durch in einer Bohrung geführte
Bolzen gelöst
wird, ist die Kontaktfläche
zwischen Mitnehmer und zugeordnetem Lager eher durch eine Linie definiert,
die je nach Schmierfilm und gewollter Verformung infolge Hertz'scher Pressung zu
einer Fläche
wird. Dagegen wird es bei der Mitnehmerkonstruktion nach der
DE 197 49 727 A1 einen
Punktkontakt geben, der je nach Schmierfilm und gewollter Verformung
infolge Hertz'scher
Pressung einen sogenannten „spot" zur Kraftübertragung
bereitstellt. Da zwei Kräfte
erheblicher Größe einwirken,
kann es zu einer überhöhten Flächenpressung
und zum sogenannten „Festfressen" am Mitnehmerkopf
kommen.
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Da
es durch die Einleitung zweier Kräfte zu einer Überlagerung
von Deformationen am Mitnehmerkopf kommt, muß ein erhöhtes Lagerspiel vorgesehen
werden, was sich natürlich
hinsichtlich Geräusch
und Verschleiß nachteilig äußert.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Axialkolbenverdichter
der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei dem sichergestellt
ist, daß die
axial wirkenden Gaskräfte
auf Höhe
der Krafteinleitung abgestützt
und nicht durch übermäßige Hebelwirkung
verstärkt
werden. Dadurch soll eine vorteilhaftere Regelcharakteristik erzielt
werden. Des weiteren soll sichergestellt sein, daß die Schwenkscheibe
relativ zu den wirkenden Kolbenkräften immer an weitgehend gleicher
Stelle axial abgestützt
wird. Die Axialabstützung
der Schwenkscheibe soll sich also mit der Änderung der Neigung derselben
nicht verlagern. Der Schadraum im Bereich von Kolben und Zylinder
bzw. der obere Totpunkt der Kolben soll für alle Neigungs- bzw. Kippwinkel
der Schwenkscheibe konstant gehalten werden.
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Es
ist auch Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine sogenannte Lochleibung
der Schwenkscheibe zu vermeiden. Insbesondere soll die Verbindung
zwischen Schwenkscheibe und Antriebswelle so sein, daß die Dicke
der Schwenkscheibe nicht durch diese Verbindung bestimmt wird.
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Auch
soll darauf geachtet werden, daß die Unwucht
der Schwenkscheibe klein bleibt, und zwar dadurch, daß „Schwenkpunkt" und „Schwerpunkt" der Schwenkscheibenkonstruktion
zusammenfallen, und zwar vorzugsweise auf der Antriebswellenmittelachse.
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Schließlich ist
es für
bevorzugte Ausführungsformen
Aufgabe, die Gaskraftabstützung
von der Drehmomentübertragung
funktional zu trennen. Dadurch soll es möglich sein, die Dimensionierung der
für die
Axialabstützung
einerseits und Drehmomentübertragung
andererseits dienenden Bauteile zu optimieren. Auch können damit
Spiele exakter eingestellt werden. Verschleiß infolge überhöhter Flächenpressung soll vermieden
werden.
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Diese
und weitere Aufgaben bzw. Ziele werden durch die kennzeichnenden
Merkmale des Anspruches 1 gelöst,
wobei vorteilhafte Details und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Grundgedankens
in den Unteransprüchen
beschrieben sind.
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Ein
wesentlicher Punkt der vorliegenden Erfindung besteht also darin,
daß die
axiale Abstützung der
Kolben bzw. Gaskraftabstützung über einen
außerhalb
der zwischen Kolben und Schwenkring angeordneten Gelenkanordnung
wirksamen, am Stützelement
anliegenden und mit dem Schwenkring wirkverbundenen Stützbogen
erfolgt, wobei die Stützfläche zwischen
Stützbogen
und Stützelement
als sich konzentrisch zur Gelenkanordnung zwischen Kolben und Schwenkscheibe
erstreckende Lagerfläche
ausgebildet ist. Vorzugsweise ist die Lagerfläche kreisbogenförmig bzw.
zylindrisch. Denkbar ist auch eine sphärische Lagerfläche.
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Von
ganz wesentlicher Bedeutung ist eine Ausführungsform, bei der der Stützbogen
in etwa radialer Richtung relativ zum Schwenkring verschieblich
gelagert ist. Dadurch ist es möglich,
daß die
axiale Abstützung
von der Änderung
der Neigung des Schwenkringes unbeeinflußt bleibt, und zwar der "Abstützpunkt". Vorzugsweise ist
zwischen Stützbogen
und Schwenkring noch ein elastisches Element und/oder dämpfendes
Element wirksam, durch das der Stützbogen vom Schwenkring weg
bzw. radial nach innen gedrängt
wird, sofern es sich um einen Stützbogen
handelt, der sich von radial innen nach radial außen erstreckt.
Als elastisches Vorspannelement dient vorzugsweise eine Tellerfeder
bzw. Tellerfeder-Anordnung.
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Die
vorgeschlagene Konstruktion ist einfach, funktionssicher und optimal
dimensionierbar, und zwar aufgrund der Tatsache, daß die Möglichkeit
besteht, die Gaskraftabstützung
von der Drehmomentübertragung
zu entkoppeln. Es sind jedoch auch Konstruktionen denkbar, bei denen
diese Entkoppelung nicht stattfindet, bei denen also durch den Stützbogen
sowohl axiale Gaskräfte
abgestützt
als auch Drehmomente von der Antriebswelle auf den Schwenkring übertragen
werden.
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Die
kreisbogenförmige
Lagerfläche
bezieht sich auf die Kontur in einer sich durch den Stützbogen
hindurch erstreckenden Radialebene. Genauso gut ist – wie erwähnt – eine sphärische Lagerfläche denkbar.
Letztere hätte
den Vorteil, daß zusätzlich Drehmomente übertragen
werden könnten,
ohne daß dafür weitere
Maßnahmen
ergriffen werden müßten. Eine
zylindrische Lagerfläche
hat jedoch den Vorteil, daß die
Bearbeitung relativ einfach ist. Dies gilt sowohl für den Stützbogen
als auch für
das Stützelement.
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Vorzugsweise
erstreckt sich die Lagerfläche in
die Antriebswelle hinein. Damit wird eine besonders kompakte Bauweise
erhalten.
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Erfindungsgemäß wird die
Schwenkscheibe durch ein in Umfangsrichtung oder in Längsrichtung unbewegliches „Gelenk" konstant abgestützt. Ein Kippen
der Scheibe führt
dazu, daß sich
der Innendurchmesser ebenso wie der Außendurchmesser des Schwenkringes
projiziert auf die Verdichterquerebene verkleinert, und zwar in
der Verdichterkippebene. In der Verdichterquerebene stellt sich
der Schwenkring elliptisch dar. Dadurch, daß der Schwenkring quasi geringfügig nach
innen rutscht, muß hierfür ein Freiheitsgrad
in bezug auf den Stützbogen
bereitgestellt werden. Zu diesem Zweck ist eine Konstruktion gemäß den Ansprüchen 8 f.
vorgesehen. Diese spezielle Konstruktion nimmt natürlich Bezug
auf die Konstruktion gemäß Anspruch
2. Der radiale Freiheitsgrad zwischen Schwenkring und Stützbogen
ist also erforderlich, um einen konstanten "Abstützpunkt" für die Gaskraftabstützung zu
erhalten. Das maximale Spiel zwischen dem inneren Umfang des Schwenkringes
und dem Stützbogen
beträgt
etwa 1,5 mm bis 2,0 mm. Vorzugsweise ist zwischen Stützbogen
und Schwenkring – wie
bereits erwähnt – ein elastisches
Druckelement eingefügt.
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Schließlich sei
noch darauf hingewiesen, daß die
Drehmomentübertragung
auch durch eine zwischen Schiebehülse und Antriebswelle wirksame Paßfeder erfolgen
kann; der Stützring
wird dann vorzugsweise nicht geführt.
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Der
wenigstens eine Radialstift zwischen Schwenkring und Stützbogen
gemäß Anspruch
8 f. kann z.B. als Rundbolzen, Vierkant oder Zweiflach ausgebildet
sein.
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Die
Kippwinkel für
den Minimalhub und den Maximalhub können durch geeignete Anschläge begrenzt
sein, z.B. dadurch, daß die
Schiebehülse
in beiden Richtungen eine Limitierung auf der Antriebswelle (Anschläge).
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Ergänzend wird
dazu auf die auf die Anmelderin zurückgehende ältere deutsche Patentanmeldung
Nr. 103 24 802.4 vom 2. Juni 2003 verwiesen.
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Nachstehend
werden bevorzugte Ausführungsformen
eines erfindungsgemäßen Axialkolbenverdichters
anhand der beigefügten
Zeichnung näher beschrieben.
Diese zeigt in:
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1 eine erste Ausführungsform
eines Schwenkring-Triebwerkes für
einen Axialkolbenverdichter in perspektivischer Ansicht;
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2 das Schwenkring-Triebwerk
gemäß 1 im Axialschnitt längs Linie
II-II in 1;
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3 das Triebwerk gemäß den 1 und 2 in Explosionsdarstellung;
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3a das Triebwerk gemäß den 1 bis 3 im schematischen Längsschnitt unter Darstellung eines
minimalen Kippwinkels des Schwenkringes;
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3b das Triebwerk gemäß 3a unter Darstellung eines
maximalen Kippwinkels des Schwenkringes;
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4 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel
im Axialschnitt entsprechend dem Axialschnitt gemäß 2;
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5 ein drittes Ausführungsbeispiel
eines Schwenkring-Triebwerks im Axialschnitt;
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6 ein viertes Ausführungsbeispiel
eines Schwenkring-Triebwerks im Axialschnitt;
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7 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines Schwenkring-Triebwerks
im Axialschnitt;
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8 ein sechstes Ausführungsbeispiel
eines Schwenkring-Triebwerks im Axialschnitt;
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9 ein siebtes Ausführungsbeispiel
eines Schwenkring-Triebwerks im Axialschnitt;
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10 das Triebwerk gemäß 9 in Stirnansicht entsprechend
den Pfeilen X-X in 9;
und
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11 das Triebwerk gemäß den 9 und 10 in Explosionsdarstellung.
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In
den 1 bis 3b ist eine erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Schwenkring-Triebwerks 100 für einen
Axialkolbenverdichter für
Kraftfahrzeug-Klimaanlagen schematisch dargestellt. Dieses Triebwerk 100 umfaßt eine
in ihrer Neigung zu einer Antriebswelle 104 verstellbare,
von der Antriebswelle drehangetriebene, im vorliegenden Fall ringförmige Schwenkscheibe
bzw. Schwenkring 107, wobei dieser Schwenkring 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, 3a und 3b erkennen lassen. Die Zusammenwirkung
des Schwenkringes 107 mit den Axialkolben entspricht derjenigen
gemäß Stand
der Technik, z.B. nach 13.
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Das
Schwenklager des Schwenkringes 107 definiert eine sich
quer zur Antriebswelle 104 erstreckende Schwenkachse 101.
Diese Schwenkachse 101 wird des weiteren definiert durch
zwei gleichachsig beidseitig der Schiebehülse 108 gelagerte
Lagerbolzen 102, 103 (siehe 3). Diese Lagerbolzen 102, 103 sind
in radialen Bohrungen des Schwenkringes 107 gelagert. Diese
radialen Bohrungen sind in 3 mit
der Bezugsziffer 120 gekennzeichnet. Die Schiebehülse 108 kann
zu diesem Zweck beidseitig zusätzlich
Lagerhülsen 105, 106 (siehe 3) aufweisen, die den Ringraum 119 zwischen
der Schiebehülse 108 und
dem Schwenkring 107 überbrücken. Die
entsprechende Konstruktion entspricht weitgehend dem Stand der Technik
nach 13.
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Von
Bedeutung ist die axiale Abstützung
des Schwenkringes an dem mit der Antriebswelle 104 mitdrehend
angeordneten Stützelement 109.
Diese Abstützung
erfolgt durch einen mit dem Schwenkring 107 wirkverbundenen
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
dem die vorgenannte Gelenkanordnung umfassenden Kolbenfuß 111 andererseits
ausgeschlossen ist (siehe dazu 2).
Der dem Kolbenfuß 111 zugeordnete
Kolben ist mit der Bezugsziffer 118 gekennzeichnet.
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Das
Stützelement 109 ist
Teil einer mit der Antriebswelle 104 drehfest verbundenen
Scheibe 112.
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Die
Stützfläche des
Bogens 110 erstreckt sich etwa konzentrisch zum Mittelpunkt
der zwischen Kolben 118 und Schwenkring 107 wirksamen
Gelenkanordnung, wie sie anhand der 13 näher beschrieben
ist. Die axiale Abstützung
ist also außerhalb
der vorgenannten Gelenkanordnung wirksam mit der Folge, daß die Gelenkanordnung,
die zwischen Kolben und Schwenkring wirksam ist, durch axiale Abstützungsmaßnahmen
nicht beeinträchtigt wird.
Dies gilt insbesondere für
die Dimensionierung der vorgenannten Gelenkanordnung. Die Gelenkanordnung
ist ebenso wie beim Stand der Technik durch zwei kugelsegmentartige
Gelenksteine 121, 122 (siehe 2) definiert, zwischen denen der Schwenkring 107 gleitend
eingreift. Den sphärischen
Lagerflächen der
Gelenksteine 121, 122 sind korrespondierende sphärische Mulden
an den einander zugekehrten Stirnseiten des Kolbenfußes 111 zugeordnet.
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Des
weiteren ist erkennbar, daß bei
der dargestellten Ausführungsform
das Schwenklager des Schwenkringes 107 nur zur Drehmomentübertragung
und das Stützelement 109 nur
zur axialen Abstützung
der Kolben 118 bzw. Gaskraftabstützung dienen. Die Drehmomentübertragung
ist also von der Axialabstützung
des Schwenkringes 107 entkoppelt.
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Von
besonderem Interesse ist noch die Stützfläche am Stützelement 109 für den Stützbogen 110.
Diese Stützfläche ist
als kreisbogenförmige
bzw. zylindrische Lagerfläche 123 ausgebildet.
Um eine Verschiebung der Stützlinie
bei Änderung
der Neigung des Schwenkringes 107 zu vermeiden, d.h. eine
Verschiebung aus dem Zentrum der Kolben 118 heraus, ist
der Stützbogen 110 in
radialer Richtung relativ zum Schwenkring 107 verschieblich
gelagert, so wie dies die 3a, 3b sehr gut erkennen lassen. Bei
minimalem Kippwinkel des Schwenkringes 107 entsprechend 3a ist der Stützbogen 110 am
weitesten vom inneren Umfangsrand des Schwenkringes 107 entfernt.
Diese Entfernung beträgt
in der Praxis etwa zwischen 1,0 mm bis 2,0 mm. Bei maximalem Kippwinkel
des Schwenkringes 107 wird der Spalt zwischen Schwenkring 107 und
Stützbogen 110 auf
ein Minimum reduziert. Zur Definition der vorgenannten Relativbewegung
des Stützbogens 110 ist zwischen
dem Schwenkring 107 und dem Stützbogen 110 bei der
Ausführungsform
nach den 1 bis 3b ein sich innerhalb der
Schwenkringebene erstreckender Radialstift 124 wirksam.
Dieser Stift dient zur Radialführung
des Stützbogens 110 relativ
zum Schwenkring 107. Statt eines einzigen Radialstiftes 124 können auch
zwei sich parallel zueinander erstreckende Radialstifte entsprechend
der Ausführungsform
nach den 9 bis 11 vorgesehen sein. Bei der
Ausführungsform
nach den 3a, 3b ist der Radialstift 124 am
Schwenkring 107 ortsfest angebracht, insbesondere in eine
entsprechende Radialbohrung eingepreßt. Der Stützbogen 110 ist dann
relativ zu dem Radialstift 124 auf diesem verschieblich geführt.
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Entsprechend
der Ausführungsform
gemäß 6 ist zwischen dem Schwenkring 107 und
dem Stützbogen 110 noch
ein elastisches Druckelement in Form einer Tellerfeder 125 angeordnet,
die den Stützbogen 110 radial
nach innen drängt,
d.h. vom inneren Umfang des Schwenkringes 107 nach innen weg.
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Falls
der Stützbogen 110 auch
zur Drehmomentübertragung
dienen soll, erstreckt sich dieser vorzugsweise in eine entsprechende
Mulde 113 an der dem Stützbogen 110 zugewandten
Seite des Stützelements 109 hinein,
so wie dies bei der Ausführungsform
nach 6 dargestellt ist.
Die Mulde 113 ist vorzugsweise als Radialnut ausgebildet.
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Alternativ
kann die Stützfläche auch
sphärisch
ausgebildet sein, so wie dies bei der Ausführungsform nach 8 angedeutet ist. Die dort
dargestellte sphärische
Mulde ist mit der Bezugsziffer 126 gekennzeichnet. Auch
damit läßt sich
zusätzlich
zur Axialabstützung
eine Drehmomentübertragung
erreichen.
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Wie
jedoch bereits oben erwähnt,
ist es vorteilhaft, wenn die Drehmomentübertragung von der axialen
Gaskraftabstützung
entkoppelt ist.
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Zu
diesem Zweck ist es z.B. auch denkbar, die Drehmomentübertragung
zwischen Schiebehülse 108 und
Antriebswelle 104 durch eine Paßfeder 114 entsprechend
der Ausführungsform
gemäß 6 zu gewährleisten. Statt einer Paßfeder 114 kann
entsprechend 5 auch
ein sich durch die Schiebehülse 108 und
die Antriebswelle 104 hindurch erstreckender Querbolzen 115 zur
Drehmomentübertragung
dienen, wobei der Querbolzen 115 z.B. durch eine Vierkantpressung
im Bereich der Schiebehülse 108 verdrehgesichert
sein kann.
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Zwischen
der Schiebehülse 108 und
der Antriebswelle 104 kann noch eine Schraubendruckfeder 117 (siehe
beispielhafte Darstellung in 3a, 3b) wirksam sein, die sich
innerhalb der Schiebehülse 108 an
dieser einerseits und an einem Ringvorsprung der Antriebswelle 104 andererseits
abstützt
und die Schiebehülse 108 axial
in Richtung zu den Kolben 118 hin drängt.
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Der
maximale Kippwinkel des Schwenkringes 107 beträgt etwa
18°, während der
minimale Kippwinkel zwischen etwa 0° und 2° liegt. Die Kippwinkel können durch
Anschläge
vorgegeben sein, insbesondere Anschläge für die axiale Verschiebung der
Schiebehülse 108.
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Wie
oben dargelegt, erstreckt sich der Stützbogen 110 etwa konzentrisch
zum Mittelpunkt der zwischen Kolben und Schwenkring wirksamen Gelenkanordnung.
Konkret erstreckt sich die kreisförmige Lagerfläche konzentrisch
zur sphärischen
Lagerfläche
der dem Kolben 118 abgewandten Gelenksteine 122.
Der Mittelpunkt einer durch die Gelenksteine definierten Kugelfläche liegt
auf der Kolbenlängsachse
bzw. auf einem Kreis, durch den sich die Kolbenlängsachsen hindurch erstrecken.
In Projektion sollte also die axiale Abstützung bzw. (theoretisch) Stützlinie
auf dem Mittelpunkt der in Projektion kreisförmigen Gleitsteine liegen.
Dieser Mittelpunkt stimmt mit der Kolbenlängsachse überein. Erfindungsgemäß bleibt
diese Stützlinie
auch bei Veränderung
der Neigung des Schwenkringes 107 unverändert. Dies ist möglich, weil
sich der Stützbogen 110 radial
relativ zum Schwenkring 107 bewegen kann.
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Die
dargestellten Ausführungsformen
zeigen des weiteren, daß die
kreisbogenförmige
Lagerfläche 123 des
Stützbogens 110 sich
jeweils in die Antriebswelle 104 hineinerstreckt. Dadurch
erhält
man eine äußerst kompakte
Bauweise. Außerdem
ist es dann noch besser möglich,
mittels des Stützbogens 110 bei
Bedarf auch ein Drehmoment zu übertragen, nämlich dann,
wenn der Stützbogen 110 so
schmal ausgebildet ist, daß er
sich in eine Axialmulde der Antriebswelle 104 hinein erstrecken
kann.
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Die
Ausführungsform
nach 4 stimmt mit derjenigen
gemäß den 1 bis 3b weitgehend überein; lediglich zur Drehmomentübertragung
ist noch zwischen Schiebehülse 108 und
Antriebswelle 104 eine Paßfeder 114 angeordnet.
Die Paßfeder
ist an der Antriebswelle 104 axial unverschieblich plaziert.
Mit ihrem über
den Umfang der Antriebswelle 104 vorstehenden Teilabschnitt
ragt sie in eine Längsnut
an der Innenseite der Schiebehülse 108 hinein.
Diese Längsnut
ist in 4 mit der Bezugsziffer 116 gekennzeichnet.
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Auch
bei der Ausführungsform
nach 6 ist die Drehmomentübertragung
in der beschriebenen Weise ausgebildet.
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Zu
der Ausführungsform
nach 5 sei noch erwähnt, daß sich der
Querbolzen 115 durch ein sich axial erstreckendes Langloch
innerhalb der Antriebswelle 104 hindurch erstreckt. Dieses
Langloch ist mit der Bezugsziffer 127 gekennzeichnet. Die
axiale Begrenzung des Langloches 127 bildet auch die Anschläge für den minimalen
und maximalen Kippwinkel des Schwenkringes 107.
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Im übrigen ist
der Stützbogen 110 drehmomentenfrei.
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Die
Ausführungsform
nach 6 wurde bereits
weiter oben näher
beschrieben. Sie stimmt mit derjenigen gemäß 4 weitgehend überein. Es ist lediglich vorgesehen,
daß sich
der Stützbogen 110 in eine
Mulde des Stützelements 109 hinein
erstreckt, so daß mittels
des Stützbogens 110 auch
eine Drehmomentübertragung
möglich
ist.
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Bei
der Ausführungsform
nach 7 erstreckt sich
der Stützbogen 110 ebenfalls
in eine Mulde 113 hinein. Damit ist auch hier eine Drehmomentübertragung
mittels des Stützbogens 110 vorgesehen.
Im übrigen
ist bei der Ausführungsform
nach 7 der Radialstift 124 bei
den vorgehend beschriebenen Ausführungsformen
durch einen Vierkant 128 ersetzt.
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Zu
der Ausführungsform
nach 8 wurde bereits
weiter oben Ausführungen
gemacht.
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Die
Ausführungsform
nach den 9 bis 11 unterscheidet sich von
derjenigen nach den 1 bis 3b nur dadurch, daß der dort
vorgesehene Radialstift 124 durch zwei sich parallel zueinander
und im Abstand voneinander erstreckende Radialstifte 124 ersetzt
ist. Alle übrigen
Teile dieses Triebwerkes stimmen mit denjenigen des Ausführungsbeispiels
gemäß den 1 f. überein.
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Es
sei an dieser Stelle nochmals erwähnt, daß durch die radiale Relativverschiebung
zwischen Stützbogen 110 und
Schwenkring 107 die Kontaktfläche zwischen Stützbogen 110 und
Stützelement 109 bei Änderung
der Neigung des Schwenkringes 107 nicht wandert, so wie
dies bei einer ebenen, d.h. sich streng senkrecht zur Antriebswellenachse
erstreckenden Stützlagerfläche der
Fall wäre.
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Schließlich sei
noch erwähnt,
daß eine
Ausführungsvariante
für die
Abstützung
des Schwenkringes 107 am Stützelement 109 denkbar
ist, die sich dadurch auszeichnet, daß die Stützfläche des Stützelements 109 durch
ein innerhalb desselben schwenkbar gelagertes Zylinderstift-Segment
definiert ist, an dessen Flachseite der Stützbogen 110 anliegt.
Der Stützbogen 110 wäre bei dieser
Ausführungsform
nicht kreisbogenförmig,
sondern etwa U-förmig
ausgebildet. Der der Stützfläche des
Stützelements 109 zugewandte
Schenkel ist mit einer ebenen Gleitfläche ausgebildet, die an der
Flachseite des Zylinderstift-Segments anliegt. Bei Änderung
der Neigung des Schwenkringes 107 würde normalerweise eine Relativverschiebung
zwischen der Stützfläche des
Stützbogens 110 und
der Flachseite des Zylinderstift-Segments sowie gleichzeitig ein
Verschwenken des Zylinderstift-Segments innerhalb einer zylinderförmigen Mulde
im Stützelement 109 stattfinden.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Radialverschieblichkeit
zwischen Schwenkring 107 und Stützbogen 110 kann eine
derartige Relativverschiebung jedoch vermieden, zumindest auf ein
Minimum reduziert werden. Damit wäre gewährleistet, daß der obere
Totpunkt der Kolben jeweils exakt konstant gehalten wird. Die Kontaktfläche für die Gaskraftabstützung wandert
bei dieser Ausführungsform
ebenso wie bei den vorbeschriebenen Ausführungsformen bei Änderung
der Neigung des Schwenkringes 107 weder nach innen noch
nach außen.
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Abschließend sei
noch angemerkt, daß die beschriebene
Grundidee zur axialen Abstützung
einer Schwenkscheibe oder eines Schwenkringes auch Konstruktionen
um faßt,
bei denen der Stützbogen
innen, außen
oder von oben (Zugkraft statt Druckkraft) wirksam ist, wobei sämtlichen
Konstruktionen gemeinsam ist, daß der Stützbogen bzw. die axiale Abstützung des
Schwenkringes bzw. auch einer Schwenkscheibe konzentrisch außerhalb
der Gelenksteine bzw. des Wirkbereichs der Gelenksteine angeordnet
und wirksam ist.
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Damit
hat man den Vorteil, daß die
Gelenkstein-Anordnung optimal dimensioniert werden kann. Auch erhält man den
Vorteil einer relativ großen
Kontaktfläche
für die
Gaskraftabstützung
mit der Folge entsprechend niedrigerer spezifischer Flächenpressung
und geringerem Verschleiß.
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Zur
Funktionsstabilität
sei noch erwähnt, dass
eine Dislokation zwischen Stützbogen 110 und Stützelement 109 und/oder
Antriebswelle 104 sicher vermieden werden kann, wenn ich
die Stützbogen-Lagerfläche(n) über einen
Winkelbereich von etwa 30° bis
190°, insbesondere
etwa 150° erstreckt (s.
Winkelbereich „α" in 4). Dann ist eine Dislokation, insbesondere
bei Einwirkung von Zugkräften ausgeschlossen.
Natürlich
und die Lagerflächen
am Stützelement
und an der Antriebswelle so ausgebildet, dass sie denselben Krümmungsmittelpunkt
aufweisen, und in einem Arbeitsgang hergestellt werden können.
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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.
-
- 100
- Schwenkring-Triebwerk
- 101
- Schwenkachse
- 102
- Lagerbolzen
- 103
- Lagerbolzen
- 104
- Antriebswelle
- 105
- Lagerhülse
- 106
- Lagerhülse
- 107
- Schwenkring
- 108
- Schiebehülse
- 109
- Stützelement
- 110
- Stützbogen
- 111
- Kolbenfuß
- 112
- Scheibe
- 113
- Mulde
- 114
- Paßfeder
- 115
- Querbolzen
- 116
- Längsnut
- 117
- Schraubendruckfeder
- 118
- Kolben
- 119
- Ringraum
- 120
- Lagerbohrung
- 121
- Gelenkstein
- 122
- Gelenkstein
- 123
- Lagerfläche
- 124
- Radialstift
- 125
- Tellerfeder
- 126
- sphärische Mulde
- 127
- Langloch
- 128
- Vierkant