DE1525586B1

DE1525586B1 - Kolbenanordnung mit Kugelkopf-Pleuelstange und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE1525586B1
Application number: DE19661525586D
Authority: DE
Inventors: Leffers Hans Ulrik
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1966-07-15
Filing date: 1966-07-15
Publication date: 1970-09-24
Also published as: GB1122150A; DK123374B; ES343031A1; US3473444A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenanordnung mit Kugelkopf-Pleuelstange, insbesondere für '. Kältemaschinen-Verdichter, mit einem als topf f örmiger Mantel ausgebildeten Kolben und' ,einem Kugelpfannen-Einbauteil, der mit Abstand von den Innenwänden des Kolbenmantels angeordnet und nur über einen Flansch mit dem offenen Ende des Kolbenmantels verbunden ist, und ein Verfahren zur Herstellung dieser Kolbenanordnung.

Es ist eine Kolbenanordnung bekannt, bei der die eine Hälfte der Kugelpfanne einteilig mit dem Kolben gegossen ist" undi sich in Form einer durch Rippen abgestützten' Querwand etwa in der Mitte der Kolbenlänge an> die; Umfangswand anschließt. Die andere Hälfte der Kugelpfanne wird nachträglich mittels Schrauben an der Querwand befestigt. Nachteilig ist hierbei, daß ein Teil der Kugelpfanne aus dem gleichen Material wie der Kolben bestehen muß, daß über die Rippen ■'Und' die" Querwand eine erhebliche Wärmemenge zur Lagerfläche strömt und dort Verkokungen hervorrufen kann, und daß beim Festschrauben der zweiten Hälfte der Kugelpfanne Verspannungen im Kolben auftreten können, welche die zulässige Deformationstoleranz überschreiten.

Es ist auch bekannt, die Kugelpfanne aus einem anderen Material herzustellen und nachträglich am Kolben zu befestigen. Hierbei benötigt man große Anlageflächen, so daß die Lagerfläche noch starker erwärmt wird. Außerdem erhöhen die Befestigungsmittel das Gewicht und können wiederum zu Deformationen des eigentlichen Kolbens führen.

Zwar kann, man bei. allen .Kolben derartige Deformationen gering halten, indem man sie massiv und steif ausfuhrt.* Dann .aber'-ist die "Wärmeübertragung zur Lagerfläche noch größer. Außerdem ergibt sich 35" eine größere bewegliche Masse, so daß das Auswuchten, insbesondere bei Einzylinderanordnungen, schwieriger wird.

Des weiteren ist eine Kolbenanordnung der eingangs beschriebenen Art bekannt, bei der ein Einbauteil einerseits einen Flansch zur Befestigung am Kolbenmantel aufweist und .'andererseits, die'Kugel- ', pfanne bildet. Auf diese Weise erzielt man einen geringeren Wärmeübergang vom Kolbenmantel auf das Kugelkopflager. ^ Wenn aber der Einbauteil fest mit dem Kölbenmaritel verbunden werden soll, wie es aus Gründen höherer Steifigkeit bei geringerem Materialaufwand erstrebt ist, treten infolge dieser Befestigung im Kolbenmantel Deformationen auf, die eine Nachbearbe'ifung'-'erfordern. Durch diese Nachbearbeitung verschmutzt die Kugelpfanne, wodurch die Lebensdauer der Kugelkopflagerung herabgesetzt wird. Zwar kann man nach der Nachbearbeitung' noch eine Reinigung der Pfanne vornehmen. Dies ist aber mit Schwierigkeiten verknüpft oder sogar unmöglich, wenn der Kugelkopf bereits zuvor eingebaut worden war.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kolbenanordnung anzugeben, bei der der Kugelpfannen-Einbauteil mit dem Kolbenmantel fest verbunden werden kann, ohne daß einerseits eine Deformation des Kolbens in Kauf genommen oder andererseits eine Verschmutzung der Kolbenpfanne befürchtet werden muß.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die eingangs beschriebene Kolbenanordnung dadurch gekennzeichnet, daß der Einbauteil fest mit dem Kolbenmantel verbunden ist und aus einem den Flansch aufweisenden Einsatz und einem fest daran angebrachten Lagerblock besteht und daß -die Befestigungsstelle zwischen Einsatz und Lagerblock axial gegenüber der Befestigungsstelle zwischen Einsatz und Kolbenmantel versetzt ist.

Hierbei sind zwei Befestigungsstellen notwendig, weil das Einbauteil in einen Einsatz und einen Lagerblock unterteilt worden ist. Verspannungen, die wegen der Befestigung zwischen Einsatz und Kolbenmantel auftreten, können in Kauf genommen werden, da eine Nachbearbeitung des Kolbenmantels möglich ist, ehe der Lagerblock eingesetzt wird. Somit besteht keine Gefahr, daß die Lagerfläche bei dieser abschließenden Bearbeitung verunreinigt wird. Die Verspannung, die an der Befestigungsstelle zwischen Einsatz und Lagerblock auftritt, kann sich nicht auf den Kolbenmantel auswirken, da infolge der axialen Versetzung der beiden Befestigungsstellen genügend Platz zur elastischen Aufnahme eventueller Deformationsspannungen besteht.

Insbesondere kann der Einsatz ein zylindrischer Topf und der Lagerblock angrenzend an den Topfboden befestigt sein. Die Zylinderfläche eignet sich besonders gut für verschiedene Befestigungsverfahren. Der Topfboden bildet einen Anschlag für den Lagerblock. . .

Die Anordnung läßt sich ferner so treffen, daß der Lagerblock auf der dem Kolbenboden zugewandten Seite nur mit einem Teil an dem Einsatz befestigt ist, der einen Abstand von der Quermittelebene der Kugel hat. Dies hat zur Folge,"daß im Bereich des Größtdurchmessers der Kugelpfanne kein Befestigungsdruck wirken kann, so daß auch kein Festklemmen der Kugel in der Kugelpfanne zu befürchten ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Flansch mit dem offenen Ende des Kolbenmantels verlötet und der Raum zwischen Kolbenmantel und Einbauteil dicht abgeschlossen/Hiermit wird verhindert, daß während des Betriebs Öl in den isolierenden Zwischenraum zwischen Kolbenmantel und Kugelpfanne gerät, was zu einer höheren äWärmeübertragung auf die Kugelpfanne führen müßte.

In weiterer Ausgestaltung sollte der abgeschlossene Raum hermetisch dicht und teilweise evakuiert sein, so daß bei Betriebstemperatur Unterdruck herrscht. Dieser Unterdruck vermindert den Wärmeübergang noch weiter. Dieses Ziel läßt sich sehr einfach dadurch erreichen, daß der Einsatz mit dem Kolbenmäntel hermetisch dicht unter Schutzgas, vorzugsweise CO₂, verlötet wird. Das in dem Raum beim Löten eingeschlossene Schutzgas hat zunächst eine Temperatur von 800 bis 1200° C, Durch Abkühlen entsteht der gewünschte Unterdruck. Hierbei ist das Schutzgas ein noch schlechterer Wärmeleiter als Luft, denn einem Wärmeleitwert von 45 kcal/m² · m · h · ⁰G von Stahl bei 20° G steht ein Wärmeleitwert von 0,019 für Luft und 0,0114 für CO₂ bei 20° C und einer Atmosphäre gegenüber.

- Eine bevorzugte Art der Befestigung des Lagerblocks im Einsatz besteht im Aufschrumpfen, zu welchem Zweck entweder der Lagerblock abgekühlt oder vorzugsweise der Kolbenmantel mit Einsatz erwärmt wird. Für die Schrumpfkräfte steht eine genügend große Berührungsfläche zur Verfügung; dies ist hinsichtlich der Wärmeübertragung unschädlich, weil diese Fläche in außerordentlich schlechtem Wärmekontakt mit der Stirnfläche des Kolbens steht.

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Eine andere Befestigungsart besteht beispielsweise im Einschrauben des Lagerblocks in ein Innengewinde des Einsatzes.

Das bevorzugte Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Kolbenanordnung verläuft der- ,5 art, daß Kplbenmantel und Einsatz fest miteinander verbunden und für sich fertig bearbeitet werden, daß unabhängig davon der Lagerblock auf der Kugel, z. B. durch Bördeln, befestigt wird und daß dann der Lagerblock mit Pleuelstange mit dem am Kolbenmantel befestigten Einsatz verbunden wird. Nach dem letztgenannten Arbeitsschritt ist keine weitere Bearbeitung mehr notwendig, weil keine Deformation des Kolbens auftritt. Infolgedessen kann auch keine Verschmutzung der Lagerflächen mehr ein-.treten.

Die Herstellung wird weiterhin dadurch erleichtert, daß der Lagerblock vor dem Einführen der Kugel und dem Umbördeln mit einer Lagerfläche in Form einer Kugelkalotte und einer daran anschließenden Bohrung mit dem Durchmesser der Kugel versehen

»wird. Während bisher für derartige Lagerflächen .eine volle Halbkugel geschliffen wurde, kann im vorliegenden Fall ein Schleifwerkzeug mit kleinerem Durchmesser als der Kugeldurchmesser verwendet werden, so daß das Werkzeug nicht mit der Innenwandung des Bördelrandes in Berührung kommt.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels —-näher erläutert. Es zeigt .v.v^r "30

Fig.l die "Einzelteile der Kolbenanordnung -vordem Zusammenbau und

Fig,2 die zusammengebaute Kolbenanordnung. -

Die Kolbenanordnung besteht aus einem topf-¹ förmigen Mantel 1, einem Einsatz 2, einem LagerblockS, einer Pleuelstange 4 mit Kugelkopf 5 und einem Kurbelzapfenlager 6. Die Teile 2 und 3 werden als Einbauteil oder Kugelpfanne bezeichnet.

Der Kolbenmantel 1 ist aus Blech gezogen und am hinteren Ende mit einer Ausdrehung 7 sowie einem Bördelrand 11 versehen.

Der ebenfalls aus Blech gezogene Einsatz 2 besitzt einen Flansche, der mit einem Übergangsteil9 in St die zylindrische Wand 10 übergeht. In Fig. 1 ist der Ubergangsbereich konisch und geht jeweils mit einem Knick in den ebenen Teil des Flansches bzw. in die zylindrische Wand über. In Fig. 2 ist dieser Übergangsbereich 9 durchgehend gekrümmt.

Der Einsatz 2 wird mit dem Flansch in die Ausdrehung 7 gesetzt und durch Umbördeln des Randes 11 festgehalten. Alsdann werden diese beiden Teile 1 und 2 Schutzgas miteinander hermetisch dicht verlötet. Bei dieser Operation entsteht ein hermetisch dicht abgeschlossener Raum 12 zwischen den Teilen 1 und 2, in welchem Schutzgas, z. B. CO₂, eingeschlossen ist. Dieses Schutzgas kühlt sich von der Löttemperatur ab, so daß auch bei Betriebstemperaturen von etwa 200° C ein Unterdruck herrscht. Außerdem ergibt sich durch diese Konstruktion auch bei dünnwandigem Kolbenmantel 1 ein sehr steifes Gebilde. Diese Anordnung kann nunmehr völlig fertig geschliffen werden.

Der Lagerblock 3 erhält eine Lagerfläche 13 in Form einer Kugelkalotte. Infolgedessen endet sie oberhalb des Mittelpunktes 14 dieser kugeligen Lagerfläche. Daran schließt sich nach außen eine Bohrung 15 mit dem Durchmesser der-Kugel 5 an. Es ist erkennbar, daß die Lagerfläche 13 mit einem Schleifwerkzeug hergestellt werden kann, das einen kleineren Durchmesser als die Bohrung 15 besitzt. An der Außenwand besitzt der Lagerblock 3 eine Ausdrehung 16, welche die eigentliche Befestigungsfläche des Lagerblocks auf den Abschnitt 17 begrenzt und verhindert, daß im Bereich des Größtdurchmessers der Kugel 5 eine Pressung auftritt. Der Bördelrand 18 ist an seinem äußeren Ende wiederum etwas dicker gehalten.

Die Pleuelstange 4 besteht aus einem Stab, auf welchen eine gehärtete Kugellagerkugel aufgeschweißt ist. Das Kurbelzapfenlager 6 beteht aus einem Ring, dessen Lagerbohrung 19 exzentrisch ist, so'daß die Stärke der Wand.20 auf der dem Kolben zugewandten Seite größer ist als die Stärke der Wand 21 auf der gegenüberliegenden Seite. Infolgedessen kann die Pleuelstange 4 mit großer Sicherheit in einer Bohrung 22 in der Wand 20 befestigt werden, ohne daß diese Wandstärke über den gesamten Umfang beibehalten wird und sich ein entsprechend schweres Bauteil^ ergibt.

Wenn die Pleuelstange 4 mit dem Kurbelzapfenlager 6 verbunden ist, wird der Lagerblock 3 über die Kurbel gestülpt; Alsdann wird der Rand 18 umgebördelt. .■■■-■■

Die miteinander vereinigten Teile 1 und 2 einerseits und 3 bis 6 andererseits sind völlig fertig bearbeitet und werden nunmehr miteinander vereinigt, indem Kolbenmanteil und Einsatz2 auf 300° G ;erwärmt"und dann auf die Fläche 17 des Lagerblocks aufgeschrumpft werden. Hierbei ergibt sich keine Deformation des Kolbenmantels 1, weil die eventuell möglichen Spannungen von den Übergangsteilen 9 und dem angrenzenden Teil des zylindrischen Einsatzes aufgenommen werden.

Ein Wärmeübergang von der Stirnfläche des Kolbens auf die Lagerfläche 13 ist weitgehend verhindert. Eine Wärmeübertragung durch den Raum 12 scheitert an der schlechten Wärmeleitfähigkeit des im Raum 12 eingeschlossenen und gegebenenfalls unter Unterdruck stehenden Gases. Eine Wärmeleitung kann daher nur über die Umfangswand des Kolbenmantels 1, den Flansch 8 mit Ubergangsteil 9 und den angrenzenden zylindrischen Wandabschnitt des Einsatzes 2 erfolgen. Auf diesem Weg wird ein großer Teil der Wärme durch die Zylinderwand und durch das auf Flansch und Übergangsteil sprühende Öl abgeführt.

Die Vorteile der Erfindung hinsichtlich des geringen Gewichts, der Deformationsunempfindlichkeit und der niedrigen Lagertemperatur gelten auch dann, wenn die Kugelpfanne einteilig ausgebildet ist, also der Flansch 8 unmittelbar am Lagerblock ansetzt.

Claims

Patentansprüche:

1. Kolbenanordnung mit Kugelkopf-Pleuelstange, insbesondere für Kältemaschinen-Verdichter, mit einem als topfförmiger Mantel ausgebildeten Kolben und einem Kugelpfannen-Einbauteil, der mit Abstand von den Innenwänden des Kolbenmantels angeordnet ist und nur über einen Flansch mit dem offenen Ende des Kolbenmantels verbunden ist, dadurchgekennzeichiiet, daß der Einbauteil fest mit dem Kolbenmantel verbunden ist und aus einem den

Flansch (8) aufweisenden Einsatz (2) und einem fest daran angebrachten Lagerblock (3) besteht und daß die Befestigungsstelle zwischen Einsatz und Lagerblock axial gegenüber der Befestigungsstelle zwischen Einsatz und Kolbenmantel 5 (1) versetzt ist.

2. Kolbenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (2) ein zylindrischer Topf und der Lagerblock (3) angrenzenden den Topfboden befestigt ist.

3. Kolbenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerblock (3) auf der dem Kolbenboden zugewandten Seite nur mit einem Teil an dem Einsatz (2) befestigt ist, der einen Abstand von der Quermittelebene der Kugel (5) hat.

4. Kolbenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch (8) Tnit dem offenen Ende des Kolbenmantels (1) verlötet und der Raum (12) zwischen Kolbenmantel und Einsatz (2) dicht abgeschlossen ist.

5. Kolbenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der abgeschlossene Raum (12) hermetisch dicht und teilweise evakuiert ist, as so daß bei Betriebstemperatur Unterdruck herrscht.

6. Verfahren zur Herstellung einer Kolbenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Kolbenmantel und Einsatz fest miteinander verbunden und für sich fertig gearbeitet werden, daß unabhängig davon der Lagerblock auf der Kugel, z. B. durch Bördeln, befestigt ist und daß dann der Lagerblock mit Pleuelstange mit dem am Kolbenmantel befestigten Einsatz verbunden wird.

7. Verfahren nach Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, daß ein topfförmiger Einsatz und ein zylindrischer Lagerblock durch Aufschrumpfen miteinander verbunden werden.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch "gekennzeichnet, daß der Einsatz mit dem Kolbenmantel hermetisch dicht unter Schutzgas, vorzugsweise CO₂, verlötet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerblock vor dem Einführen der Kugel und dem Umbördeln mit einer Lagerfläche in Form einer Kugelkalotte und einer daran anschließenden Bohrung mit dem Durchmesser der Kugel versehen wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Kolbenmantel und Einsatz aus Blech gezogen sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen