DE19727186A1 - Pendelkolben- und Zylinder-Anordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Pendelkolben, insbesondere eine Pen­ delkolben- und Zylinder-Anordnung, die den Totraum minimiert.

Pendelkolben werden in ölfreien Luftkompressoren und Vakuum­ pumpen verwendet. Sie umfassen eine umlaufende Dichtung am Kolbenboden, der in die Zylinderbohrung eingreift. Der Kol­ benboden und sein Pleuel sind aneinander befestigt und das Pleuel ist an einem Exzenter auf der Welle montiert. Wenn der Exzenter durch die Welle gedreht wird, wird sich der Pendel­ kolben hinein- und herausbewegen und wird von Seite zu Seite "schaukeln" bzw. "schwingen" bzw. "pendeln" ("wobble"). Bei­ spiele für Pendelkolben findet man in den US-Patenten 3,961,868, herausgegeben am 8. Juni 1976 für "Air Compressor" und 5,092,224, herausgegeben am 3. März 1992 für "Conical Rod Piston".

Typischerweise schließt eine Ventilplatte das offene obere Ende der Zylinderbohrung ab. In der oberen Totpunkt-Position des Kolbens innerhalb des Zylinders muß, sogar wenn die Ven­ tilplatte flach ist, etwas Totraum zwischen der Oberseite des Kolbenbodens und der Ventilplatte vorgesehen sein. Das Ausmaß bzw. die Größe des notwendigen Totraumes hängt von den aufge­ laufenen Toleranzen ab. Wenn jedoch der Pendelkolben den obe­ ren Totpunkt verläßt, bewirkt die Kippbewegung des Pleuels, daß sich eine Seite des Kolbenbodens höher als die Mitte des Bodens bewegt. Typischerweise werden Punkte entlang des Durchmessers des Kolbenbodens ihre maximale Höhe innerhalb der ersten 25° der Bewegung weg vom oberen Totpunkt errei­ chen. Wenn die Oberseite des Kolbenbodens flach ist und die Ventilplatte flach ist, muß die Länge des Pleuels auf diese Bedingung schlechtesten oberen Totraumes eingestellt werden. Im Ergebnis muß das Totraumvolumen am oberen Totpunkt erhöht werden. Dies bewirkt geringere Drücke innerhalb des Zylinders und niedrigere Wirkungsgrade.

Eine Lösung des Totraum-Problems ist es gewesen, symmetrische Abfasungen an den oberen Rändern des Kolbenbodens zu nutzen, um eine längere Pleuellänge und ein daraus resultierendes ge­ ringeres Totraumvolumen zu ermöglichen. Das geringe Ausmaß von Volumen, das durch die Abfasungen im oberen Totpunkt hin­ zukommt, wird durch die Volumenreduktion durch das längere Pleuel überwogen. Es ist eine andere Lösung gewesen, kuppel­ förmige Kolbenböden zu verwenden.

Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, das Tot­ volumen ohne die Notwendigkeit engerer Toleranzen weiter zu optimieren.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der Erfindung hat eine Fluidpumpenvorrichtung einen Zylinder mit einer Ventilplatte, die das obere Ende des Zy­ linders bildet. Ein Pendelkolben hat einen in dem Zylinder arbeitenden Kolbenboden, und ein Pleuel ist derart montiert, daß es sich in einer einzigen Ebene bewegt. Die Oberfläche der Ventilplatte und der Kolbenboden, die einander gegenüber­ stehen, sind in einer Ebene quer, insbesondere senkrecht zu der Bewegungsebene des Kolbens gerade und eine oder beide der Oberflächen sind in der Bewegungsebene konvex gekrümmt.

Vorzugsweise hat die Fluidpumpenvorrichtung einen Zylinder mit einer flachen Ventilplatte, die das obere Ende des Zylin­ ders bildet. Die obere Oberfläche des Kolbenbodens ist in der Bewegungsebene der Kolbenstange gekrümmt. Die Krümmung der oberen Oberfläche entspricht annähernd dem Ort aller Punkte der oberen Oberfläche, die der Ventilplatte am nächsten sind, wenn die Kolbenstange sich durch die Ebene bewegt. Vorzugs­ weise entspricht die Krümmung des Kolbenbodens einem Polynom dritten Grades. Das Polynom kann durch die Bögen zweier iden­ tischer Kreise angenähert werden, deren Mitten gleich weit gegen die zentrale Längsachse des Kolbens versetzt sind.

Die gekrümmte Oberfläche des Kolbenbodens kann an einem Hal­ ter ausgebildet sein, der eine Manschettendichtung an dem Kolbenboden sichert.

Alternativ kann die Oberfläche der Ventilplatte mit der kon­ vexen Krümmung versehen sein oder es können beide sich gegen­ überstehenden Oberflächen der Ventilplatte und des Kolben­ bodens mit einer konvexen Krümmung derart versehen sein, daß der Netto-Zwischenraum zwischen den Oberflächen bei jedem Ab­ stand von der Mittellinie des Kolbens etwa dem freien Abstand entspricht, der durch Krümmung nur einer der Oberflächen er­ reicht wird.

Es ist ein wesentliches Ziel der Erfindung, das Totvolumen in einer Pendelkolben/Zylinder-Anordnung zu minimieren.

Das Vorhergehende und andere Ziele und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden detaillierten Beschreibung erschei­ nen. In der Beschreibung wird auf die begleitenden Zeichnun­ gen, die bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung erläu­ tern, Bezug genommen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Ansicht im vertikalen Schnitt durch eine Kolben/Zylinder-Anordnung in einem Luft­ kompressor;

Fig. 2 ist eine Ansicht im vertikalen Schnitt des Kolbens, des Zylinders und der Ventilplatte von Fig. 1;

Fig. 3 ist eine Ansicht im Aufriß des Kolbens von Fig. 2;

Fig. 4 ist eine vergrößerte Ansicht des Manschetten­ halters, die die gekrümmte Oberfläche zeigt; und

Fig. 5 ist eine Ansicht im Aufriß und teilweise im Schnitt einer alternativen Ausführungsform, die eine gekrümmte Ventilplatte verwendet.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Mit Bezug auf Fig. 1 arbeitet eine im folgenden als Pendel­ kolben 10 bezeichnete Pendelkolbeneinheit typischerweise in einem Zylindermantel 11, der eine kreisförmige Zylinderboh­ rung 12 hat. Der Pendelkolben 10 umfaßt einen als Kolbenboden 13 bezeichneten Kolben und eine Kolbenstange bzw. ein Pleuel 14, die einstückig miteinander ausgebildet oder in anderer Weise starr aneinander befestigt sind. Das Pleuel 14 hält ein Kugellager 15, das wiederum auf einem Exzenter 16 montiert ist, der ein Gegengewicht 17 aufweist. Der Exzenter 16 ist an einer Abtriebswelle 20 eines Elektromotors 21 befestigt. Die Motorwelle 20 ist in Lagern 22 aufgenommen, die in einem Ge­ häuse montiert sind. Die Motorwelle trägt auch einen Kühlven­ tilator 23.

Der Kolbenboden 13 umfaßt eine Manschettendichtung 25 aus Teflon oder ähnlichem Material, die durch einen Manschetten­ halter 26, der mit dem Kolbenkopf 13 durch eine zentrale Schraube 27 verbunden ist, an seinem Platz gehalten wird. Der Zylinder 11 hält auf seiner offenen Oberseite eine ebene Ven­ tilplatte 30, und ein Kopf 31 ist auf der Ventilplatte 30 be­ festigt. Die Ventilplatte 30 enthält typischerweise Einlaß- und Auslaß-Klappenventile (nicht gezeigt), und der Zylinder­ kopf 31 hat Einlaß- und Auslaßkammern in Verbindung mit den Klappenventilen.

Wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt, ist die axiale Mittel­ linie A der Motorwelle gegen die axiale Mittellinie B des Pleuels 14 versetzt. Wenn sich die Motorwelle 20 dreht, wird die Mittellinie B sich um die Mittellinie A der Motorwelle drehen und der Pendelkolben 10 wird in den Zylinder 11 hinein und aus dem Zylinder 11 heraus vor- und zurückbewegt in der Beobachtungsebene, die durch Fig. 3 gegeben ist. Dies ist die Bewegungsebene des Pendelkolbens 10. In der Ebene des Quer­ schnitts von Fig. 2, die senkrecht zur Bewegungsebene ver­ läuft, ist die obere Oberfläche bzw. Stirnfläche 35 des Man­ schettenhalters 26 gerade, so daß der Freiraum zwischen der oberen Oberfläche 35 und der Unterseite bzw. dem Boden der Ventilplatte 30 an allen Punkten entlang des Durchmessers des Manschettenhalters 26 gleich ist. In der Bewegungsebene dage­ gen ist die obere Oberfläche 35 des Manschettenhalters 26 konvex gekrümmt, so daß der Zwischenraum-Abstand bei der lon­ gitudinalen Mittellinie C des Kolbens minimal ist und der Ab­ stand zunimmt, wenn der Abstand von der Mittellinie C zum Um­ fang zunimmt.

Idealerweise ist die Krümmung an der oberen Oberfläche 35 ein Polynom dritten Grades y = Ax³-Bx²-Cx-D, wobei y die Höhe oberhalb der Ebene durch den Manschettenhalter 26 und x der Abstand von der Mittellinie C des Kolbens ist.

Zur Vereinfachung der Herstellung kann die Krümmung des Poly­ noms dritten Grades eng angenähert werden, indem man Bögen von zwei identischen Kreisen verwendet, deren Zentren D gleich weit von der Mittellinie C des Kolbens versetzt sind, wie in Fig. 4 gezeigt. In Fig. 4 ist die Änderung der Dicke des Manschettenhalters 26 für einen typischen Pendelkolben gezeigt.

Fig. 5 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der die obere Oberfläche des Manschettenhalters 26′ in allen Ebenen flach, insbesondere eben ist und die untere Oberfläche 40 der Ventilplatte 30′ in der Ebene der Kolbenbewegung konvex ge­ krümmt und in der Ebene quer zur Kolbenbewegung gerade ist. Wieder ist die konvexe Krümmung für die untere Ventilplatten­ oberfläche 40 idealerweise ein Polynom dritten Grades und sie kann durch Bögen zweier identischer Kreise angenähert werden.

Es ist eine andere Alternative, beide einander gegenüberste­ henden Oberflächen des Kolbenbodens und der Ventilplatte kon­ vex zu krümmen, so daß die Summe der Krümmungen die gleiche ist wie entweder die Krümmung des Kolbenbodens oder die Krüm­ mung der Ventilplatte.

Der gekrümmte Kolbenboden oder die gekrümmte Ventilplatte der vorliegenden Erfindung schafft den engsten möglichen Totraum für einen gegebenen Hub, eine gegebene Stangenlänge und ver­ nünftige Toleranzen. Wenn der Kolbenboden domförmig gewölbt bzw. gebaucht wäre, würde in den Ebenen quer zur Bewegungs­ ebene des Kolbens Totraum verlorengehen. Eine Krümmung des Kolbenbodens in nur einer einzigen Ebene minimiert den Tot­ raum.

Claims (12)

1. Kolbenboden für einen Pendelkolben, der in einem Zylin­ der mit flachem oberen Ende verwendbar ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die obere Oberfläche (35) des Kolben­ bodens (13) in der Ebene der Pendelbewegung des Kolbens (10) konvex gekrümmt und in einer Ebene quer zur Ebene der Pendelbewegung gerade ist.

2. Kolbenboden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung ein Polynom dritten Grades ist.

3. Kolbenboden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung als der Bogen von zwei identischen Kreisen gebildet wird, deren Zentren gleich weit gegen die lon­ gitudinale Mittellinie (C) des Kolbens (10) versetzt sind und daß die Krümmung näherungsweise ein Polynom dritten Grades ist.

4. Fluidpumpenvorrichtung mit einem Zylinder, der eine flache Ventilplatte (30) hat, die das obere Ende des Zylinders bildet und mit einem Pendelkolben (10) mit einem in dem Zylinder arbeitenden Kolbenboden (13) und mit einer Kolbenstange (14), die derart montiert ist, daß sie sich in einer Ebene senkrecht zu der Ventil­ platte (30) bewegt, wobei die obere Oberfläche (35) des Kolbenbodens in der Bewegungsebene der Kolbenstange (14) konvex gekrümmt in einer Ebene quer zu der Bewegungs­ ebene gerade ist.

5. Fluidpumpenvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Krümmung der oberen Oberfläche (35) annähernd der Ort aller Punkte der oberen Oberfläche ist, die der Ventilplatte (30) am nächsten sind, wenn sich die Kolbenstange (14) durch die Bewegungsebene bewegt.

6. Fluidpumpenvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung annähernd ein Polynom dritten Grades ist.

7. Pendelkolben mit einer Kolbenstange (14); einem an der Kolbenstange befestigten Kolbenboden (13); einer an dem Kolbenboden montierten Manschettendichtung (25); und einem Manschettenhalter (26), der die Manschettendich­ tung (25) an dem Kolbenboden (13) sichert, wobei der Halter (26) eine obere Oberfläche (35) hat, die in einer Ebene konvex gekrümmt und in der Ebene quer zu der einen Ebene gerade ist.

8. Pendelkolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung der oberen Oberfläche (35) annähernd ein Polynom dritten Grades ist.

9. Fluidpumpenvorrichtung mit einem Zylinder mit einer Ven­ tilplatte (30′), die das obere Ende des Zylinders bildet und mit einem Pendelkolben mit einem Kolbenboden (13), der in dem Zylinder arbeitet und mit einer Kolbenstange, die derart montiert ist, daß sie sich in einer einzigen Ebene bewegt, wobei die der Ventilplatte (30′) gegen­ überstehende Oberfläche des Kolbenbodens flach ist und die dem Kolbenboden gegenüberstehende Oberfläche (40) der Ventilplatte (30′) in der Bewegungsebene der Kolben­ stange konvex gekrümmt und in einer Ebene quer zu der Bewegungsebene gerade ist.

10. Fluidpumpenvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Krümmung der Oberfläche der Ventil­ platte (30′) annähernd der Ort aller Punkte der Oberflä­ che ist, die dem Kolbenboden (13) am nächsten sind, wenn die Kolbenstange sich durch die Bewegungsebene bewegt.

11. Fluidpumpenvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung annähernd ein Polynom dritten Grades ist.

12. Fluidpumpenvorrichtung mit einem Zylinder mit einer Ven­ tilplatte, die das obere Ende des Zylinders bildet und mit einem Pendelkolben mit einem in dem Zylinder arbei­ tenden Kolbenboden und mit einer Kolbenstange, die der­ art montiert ist, daß sie sich in einer einzigen Ebene bewegt, dadurch gekennzeichnet, daß die einander gegen­ überstehenden Oberflächen der Ventilplatte und des Kol­ benbodens in einer Ebene quer zu der Bewegungsebene der Kolbenstange gerade sind und eine oder beide der Ober­ flächen in der Bewegungsebene konvex gekrümmt sind.