DE1193632B - Kolben fuer Tauchkolben-Verdichter, insbesondere zu Druckluftanlagen in Kraftfahrzeugen - Google Patents

Kolben fuer Tauchkolben-Verdichter, insbesondere zu Druckluftanlagen in Kraftfahrzeugen

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DE1193632B
DE1193632B DEB69930A DEB0069930A DE1193632B DE 1193632 B DE1193632 B DE 1193632B DE B69930 A DEB69930 A DE B69930A DE B0069930 A DEB0069930 A DE B0069930A DE 1193632 B DE1193632 B DE 1193632B
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04BPOSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B39/00Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00
    • F04B39/04Measures to avoid lubricant contaminating the pumped fluid
    • F04B39/041Measures to avoid lubricant contaminating the pumped fluid sealing for a reciprocating rod
    • F04B39/042Measures to avoid lubricant contaminating the pumped fluid sealing for a reciprocating rod sealing being provided on the piston

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Compressor (AREA)
  • Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)

Description

  • Kolben für Tauchkolben-Verdichter, insbesondere zu Druckluftanlagen in Kraftfahrzeugen Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolben für Tauchkolben-Verdichter, insbesondere für mit Druckluft betriebene Anlagen in Kraftfahrzeugen, z. B. Druckluftbremsanlagen. Diese Kolben sind durch in Ringnuten des Kolbenmantels eingesetzte Kolbenringe abgedichtet, die von radial wirkenden, am Nutgrund sich abstützenden Federn gegen die Zylinderwand gedrückt werden. Bei Verdichtern mit solchen Kolben ist der Verdichtungsraum besser gegen den Kurbelwellenraum abgedichtet als bei Verdichtem mit den üblich,en selbst spreizenden Kolbenringen, weil die Kolbenringe mit Federunterstützung über ihren ganzen Umfang sehr gleichmäßig an der Zylinderwand anliegen. Dies ist besonders wichtig bei Luftpressern für Kraftfahrzeu-Druckluftanlagen, vor allem solchen für hohe Drücke, z. B. bei Stufenluftpressern, weil hier bei schlechter Abdichtung eine zu große Ölentnahme aus dem auch den Luftpresser versorgenden Schmierölkreislauf der Antriebsbrennkraftmaschine des Fahrzeugs eintreten kann und weil dann die mit öl angereicherte Druckluft dazu führt, daß nicht genügend gekühlte Auslaßventile des Luftpressers verkoken. Der Austausch der üblichen selbstspreizenden Kolbenringe gegen solche mit radialer Federunterstützung hat hier zwar bereits einen beachtlichen Fortschritt gebracht; bei längerer Betriebsdauer und schärferen Betriebsbedingungen zeigen sich aber doch häufig wieder die alten Mängel.
  • Durch eingehende systematische Untersuchung während einer großen Zahl von Dauerversuchen, konnte nun unter Beibehaltung der genannten feder-C unterstützten Kolbenrinae eine Lösun zum Ver-Z, 9 ringern des ölverbrauchs und der damit verbundenen nachteiligen Folgen gefunden werden, und zwar ohne zusätzliche Mittel und Mehrkosten. Zum Beheben des bisherigen Mangels werden gemäß der Erfindung die für die Aufnahme der radial durch Federn unterstützten Kolbenringe vorgesehenen Nuten so ausgebildet, daß deren Grundkreismittelpunkt exzentrisch zur Kolbenachse liegt, und zwar so, daß die Rin.anuten dort, wo der Kolben durch die vom Kurbeltrieb herrührende, über das Pleuel am Kolbenbolzen wirkende Querkraft an die Zylinderwand gedrückt wird, am tiefsten und auf der gegenüberlie-enden Seite am niedrigsten ist; d. h., der Mittelpunkt des Grundkreises der Nuten ist von der Kolbenachse entgegen der :erwähnten Querkraft verschoben.
  • Die Erfindung ist im nachfolgenden an Hand von schematischen Vergleichsbildern eines bisher für Luftpresser vorgesehenen Kolbens und eines solchen gemäß der Erfindung unter Darstellung verschiedener Arbeitsstellungen erläutert. Im einzelnen zeigen F i g. 1 bis 6 einen Kolben bisheriger Ausführung in seinem Zylinder während -des Saughubs und Druckhubs je in drei Lagen, nämlich in der des oberen und des unteren Totpunkts und in einer Mittellage, während die F i g. 7 und 8 in Saughub- bzw. Druckhubmittellage einen gemäß der Erfindung abgeänderten Kolben skizzieren, und F i g. 9 den neuen Kolben in seinem Zylinder im Schnitt nach einer Querebene IX-IX der F i g. 7 in größerem Maßstab als in den F i g. 7 und 8 zeigt.
  • In einem Verdichterzylinder 1 ist ein zylindrischer Kolben 2 verschiebbar angeordnet, der von einer nicht dargestellten, im Uhrzeigersinn sich drehenden Kurbelwelle über eine Pleuelstange und einen Kolbenbolzen aui. und ab bewegt wird. In den Mantel dieses bekannten Kolbens sind Ringnuten 3 eingestochen, deren zylindrischer Nutgrund 4 konzentrisch zur Kolbenachse und zum Kelbenmantel verläuft. In diese nach oben und unten durch radiale Flanken 5, 6 begrenzten Nuten sind handelsübliche Kolbenringe 7 mit Wellfedern 8 eingelegt. Der Flankenabstand der Nuten ist um ein gewisses Maß größer als die axiale Ringstärke. Die Wellfedern liegen mit ihren Wellenbergen an der Innenseite der Kolbenringe und mit ihren Tälern am Nutgrund je unter radialer Spannung an. Infolge ihrer Vielzahl von Wellen sorgen diese Federn, wie viele einzelne, radial gerichtete Schraubenfedern, #dafür, daß die Kolbenringe mit ihrer Außenseite rund herum gut abschließend an der Innenwand des Zylinders 1 gleiten. Die Federn sind außerdem stets bestrebt, mit Hilfe der zugehörigen Kolb#enringe 7. den Kolben 2 in der Bohrung des Zylinders 1 zu zentrieren, d. h. die Kolbenachse in der Zylinderachse zu halten bzw. in diese zurückzuführen, wenn die insbesondere während des Verdichtungshubs auftretenden Querbelastungen des Kolbens wieder wegfallen. Zur Vereinfachung der Darstellun- sind in den F i g. 1 bis 8 fast durchweg C C radial gerichtete Einzelschraubenfedern eingezeichnet, mit denen sich die unterschiedlichen radialen Spreizkräfte besser darstellen lassen.
  • Bei Verdichtern mit Kolben der genannten Bauart lassen sich unter anderem folgende Vorgänge feststellen: Bei Beginn des Saughubs wollen die Kolbenringe 7 die Abwärtsbewegung des Kolbens 2 zunächst nicht mitmachen, bis sie von den oberen Flanken 5 ihrer Ringauten 3 erfaßt und mitgenommen werden. Dabei entsteht zwischen den unteren Flanken 6 der Ringnuten und den ihnen zugekehrten Flanken ihrer Koffienringe je ein Spalt, der sich bis zum Maß des Axialspiels der Kolbenringe vergrößert. Das beim Saughub durch die untere Kolbenringkante von der Zylinderwand abgeschabte Schmieröl wird mitgenommen und ein Teil davon in -die Radialspalte über den Nutflanken 6 und von dort in die Ringräume zwischen den Kolbenringen 3 und dem jeweiligen Nutgrund 4 getrieben.
  • Diese Olaufnahme in die Kolbenringnuten erstreckt sich über den ganzen Saughub, wenn sie sich auch nicht gleichmäßig über den ganzen Kolbenumfang verteilt, weil die beim Saughub zeitweise nach rechts unten ziehende Pleuelstange auch den Kolben aus seiner Mittellage entsprechend dem Kolbenspiel s nach rechts verschiebt und dabei über die rundum an der Zylinderwand bleibenden Kolbenringe# die Ringräume zwischen diesen Ringen und dem Nutgrund verändert, so daß diese Räume vorübergehend rechts schmäler und links breiter werden und dann wieder gegen Ende des Saughubs die gleichmäßig breite Ringform annehmen.
  • Am Ende A Saughubs (F i g. 3) steht der Kolben 2 wieder zentrisch im Zylinder, die Ringräume in den Ringnuten 3 sind wieder ringsum gleich breit und gleichmäßig mit Öl gefüllt. Es beginnt nach kurzem übergang der Druckhub unter Umkehrung der Bewegungsrichtung des Kolbens. In dieser übergangsperiode kann zwar ein Teil des in den Ringnuten angesammelten öls infolge seines Beharrungsvermögens nach unten abströmen, der größere Teil dieses öls bleibt aber noch in den Nutringräumen, die nun - beim beginnend-en Verdichtungshub des Kolbens - nach unten gegen den Kurbelwellenraum hin abgeschlossen werden, weil die zurückbleibenden Kolbenringe von den unteren Nutflanken 6 erfaßt werden und dann während des weiteren Aufwärtshubs des Kolbens 2 dort angelegt bleiben (vgl. F i g. 4).
  • Mit zunehmendem Verdichtungsweg wird der Kolben 2 vom hochlaufenden Pleuel wieder nach rechts' an die Zylinderwand geschoben, und zwar infolge der vom Kolben aufzubringenden Verdichtungsarbeit mit einer noch größeren Querkraft als beim Saughub. Es tritt also wiederum eine Querverschiebung zwischen Nutgrund und Kolbenring ein; auf der rechten Kolbenseite werden die Nutringräume kleiner und auf der linken Kelbenseite größer. Dabei wird an den rechten Ringteilräumen Öl verdrängt, das aber wegen der großen waagerechten Entfernung nicht oder doch nur zu einem Teil in die sich vergrößernden linken Ringteilräume ausweicht, im übrigen jedoch auf kürzestem Weg unter dem Preßdruck von der Preßstelle aus nach oben in den Spalt zwischen Kolbenmantel und Zylinderwand strömen will, insbesondere sobald dieser Spalt gegen Ende des Druckhubs wieder breiter wird und dem hochdrückenden Öl den Weg frei macht. Infolgedessen spritzt aus dem rechten Ringraum der oberen Kolbenringnut Öl in den Verdichtungsraum, und aus den entsprechenden Ringräumen der nächsten Kolbenrin-nuten strömt jeweils Öl zwischen Kolbenmantel und C Zylinderwand der darüberliegenden Kolbenringnut zu, - die diese Öl- menge beim nächsten Saughub aufnimmt und beim darauffolgenden Druckhub wieder weiterfördert bzw. in den Verdichtungsraum ausspritzt.
  • Es ist also festzustellen, daß bei den üblichen Kolben die Kolbenringe in ihren Nuten wie Verdrängungsglieder von ölpumpen arbeiten, wobei je- weils die unteren Ringeden über ihnen liegenden Öl zupumpen und der oberste Ring seine ö1menge in den Verdichtungsraum spritzt. Von dort gelangt Öl in unerwünschter Menge zu den Ventilen, insbesondere zum Auslaßventil. Es entstehen beachtliche Schmierölverluste, weil das über die Druckleitung mit der verdichteten Luft ausgestoßene Öl nicht mehr in den Ölbehälter, z. B. die Kurbelwanne einer auch den Luftpresser antreibenden Fahrzeugantriebsbrennkraftmaschine zurückkehrt, sondern über Flüssigkeitsablaßventile des Luftleitungssystems ins Freie ausgestoßen wird. Außerdem verkoken bei zunehmender Erwärmung, also bei höherer Verdichtung die Luft-Cr presserventile verhältnismäßig schnell.
  • Diese Erscheinungen lassen sich an laufenden Luftpressem üblicher Bauart beim Beobachten des Verdichtungsvorgangs im Zylinderraum, beispielsweise über Fenster im Zylinderkopf, und des Luftflusses im Leitungssystem feststellen. Sie wirken sich besonders bei Verdichtern mit großem Kolbenspiel und hoher Luftverdichtung, z. B. bei Stufenkolbenluftpressern, unangenehm aus.
  • Versuche haben nun gezeigt, daß sich diese Mängel der bisherigen Kolbenausführungen mit überraschend einfachen Maßnahmen beheben lassen, so daß die Verdichter selbst wesentlich betriebssicherer werden und eine hohe Gebrauchsdauer erhalten. Diese Maßnahmen gemäß der Erfindung verhindern die Pumpwirkunc, der Kolbenringe in ihren Nuten, indem sie den Kolben ständig auf seiner Anlaufseite an der Wand des Verdichterzylinders halten und ra#diale Raumänderungen innerhalb der Nuten unterbinden.
  • Der Kolben 12 gemäß der Erfindung (F i g. 7 bis 9) unterscheidet sich dabei nur dadurch vom bekannten Kolben 1 (F i g. 1 bis 6), daß seine Ringnuten 13 exzentrisch zur Kolbenachse eingearbeitet sind. Die Exzentrizität e des Nutgrundkreises gegenüber dem Kolbenmantel, d. h. der Abstand zwischen der Achse a des zylindrischen Nutgrunds 14 und der Kolbenachse b ist beim Ausführungsbeispiel größer als das Kolbenspiel s gewählt und nach derjenigen Seite des Kolbens Gelege mit welcher der Kolben beim Arbeiten sich seitlich von der Zylinderwand entfernen will. Infolge dieser seitlichen Versetzung des Nutgrunds 14 ist beim montierten Kolben der Nutgrundabstand von der ihm zugekehrten Innenwand des zugehörigen Kolbenrings 17 jetzt links kleiner und rechts größer als beim bekannten Kolben. Die Wellfeder 18 ist also links in einen kleineren Raum gepreßt als rechts, so daß sie an der linken Kolbenseite stärker vorgespannt ist als an der rechten Kolbenseite und den Kolben ständig, und zwar während des ganzen Saug- und Druckhubs des Kolbens auf der Seite der größeren Nuttiefe ander Wand des Zylinders 1 hält und also praktisch jede radiale Ringraumänderung beim Hoch- und Niedergang des Kolbens verhindert. Auch hier versucht nämlich die Wellfeder 18, die der Wellfeder 8 des Kolbens 2 nach F i g. 1 entspricht, den Nutgrund 14 mit Hilfe des zugehörigen Kolbenrings 17 gegenüber derZylinderwand zu zentrieren, was notwendig einen entsprechenden Rechtsdruck des Kolbens 12 zur Folge hat, der auch im oberen und unteren Totpunkt des Kolbens noch vorhanden ist. Das Pumpen der Kolbenringe, soweit es durch relative Querverschiebungen dieser Ringe 17 bewirkt werden könnte, bleibt somit beim Kolben 12 aus. Aus den F i g. 7 und 8 ist dieser Erfolg deutlich erkennbar, denn diese Figuren zeigen, daß die freien Nutringräume zwischen dem jeweiligen Nutgrund 14 und der Innenwand des zuaehörigen Kolbenrings 17 praktisch unverändert bleiben und lediglich eine axiale Verschiebung der Kolbenringe 17 relativ zur oberen Nutflanke 15 oder zur unteren Nutflanke 16 eintritt, je nachdem der Kolben 12 saugt oder drückt. Die ungleich verteilte Radialspannkraft der Wellfeder 18 und die Exzentrizität der Ringnuten 13 sind in F i g. 9 gezeigt. An Stelle einer einfachen Wellfeder kann natürlich auch eine in mehrere Radialdruckelemente aufgegliederte Feder verwendet werden, wie solche aus der Praxis bekannt sind.

Claims (2)

  1. Patentansprüche: 1. Kolben für Tauchkolben-Verdichter, insbesondere Luftpresser für Druckluftanlac-ren in Kraftfahrzeugen, der durch in Ringnuten des Kolbenmantels eingesetzte und durch Federn radial unterstützte Kolbenringe gegenüber der Zylinderwand abgedichtet ist, dadurch gekennz e i c h n e t, daß der Grundkreismittelpunkt der Kolbenringnuten exzentrisch zur Kolbenachse liegt, wobei die Nut auf der Seite des Kolbens, die infolge der vom Kurbeltrieb herrührenden Querkraft an die Zylinderwand gedrückt wird, am tiefsten und auf der gegenüberliegenden Seite am niedrigsten ist.
  2. 2. Kolben nach Anspruch 1, da-durch gekennzeichnet, daß der Grundkreismittelpunkt der Kolbenringnuten um mehr aus der Kolbenachse gerückt ist, als das Kolbenspiel ün Zylinder beträgt.
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Cited By (6)

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US9605758B2 (en) 2011-09-13 2017-03-28 Wabco Gmbh Stroke piston for a stroke piston compressor
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