DE19727186B4

DE19727186B4 - Pendelkolben- und Zylinder-Anordnung

Info

Publication number: DE19727186B4
Application number: DE19727186A
Authority: DE
Inventors: Shawn A. Leu; Mark A. Schuessler
Original assignee: Thomas Industries Inc
Current assignee: Thomas Industries Inc
Priority date: 1996-06-28
Filing date: 1997-06-26
Publication date: 2005-09-15
Anticipated expiration: 2017-06-27
Also published as: US5644969A; DE19727186A1; GB9712913D0; IT1293852B1; GB2314603B; ITTO970555A0; GB2314603A; ITTO970555A1; JPH1089253A

Abstract

Kolbenboden für einen Pendelkolben, der in einem kreisförmigen Zylinder mit flachem oberen Ende verwendbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Oberfläche (35) des kreisförmigen Kolbenbodens (13) in der Ebene der Pendelbewegung des Kolbens (10) kontinuierlich konvex gekrümmt und in einer Ebene quer zur Ebene der Pendelbewegung gerade ist.

Description

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

Pendelkolben werden in ölfreien Luftkompressoren und Vakuumpumpen verwendet. Sie umfassen eine umlaufende Dichtung am Kolbenboden, der in die Zylinderbohrung eingreift. Der Kolbenboden 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 Pendelkolben hinein- und herausbewegen und wird von Seite zu Seite "schaukeln" bzw. "schwingen" bzw. "pendeln" ("wobble"). Beispiele für Pendelkolben findet man in den US-Patenten 3,961,868, herausgegeben am B. 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 Ventilplatte 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 aufgelaufenen Toleranzen ab. Wenn jedoch der Pendelkolben den oberen 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 erreichen. 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 geringeres Totraumvolumen zu ermöglichen. Ein Beispiel für einen runden bzw. kreisförmigen Pendelkolben mit derartigen Abfasungen ist in der US-Patentschrift 5 006 047 gezeigt. In der FR 2 342 395 sind rechteckige Pendelkolben mit Abfasungen gezeigt. Für runde Pendelkolben sind hier flache Kolbenböden vorgesehen. Ähnliches zeigt die deutsche Offenlegungsschrift DE 22 11 848 A , in der für rechteckige Pendelkolben symmetrische Abfasungen an der Ventilplatte vorgeschlagen werden. Das geringe Ausmaß von Volumen, das durch die Abfasungen im oberen Totpunkt hinzukommt, wird durch die Volumenreduktion durch das längere Pleuel überwogen. Dort, wo runde Kolbenböden vorgesehen sind, wird in der DE 22 11 848 A vorgeschlagen, einen zweidimensional gewölbten kuppelförmigen Kolbenboden zu verwenden.

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

Zusammenfassung der Erfindung

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

Vorzugsweise hat die Fluidpumpenvorrichtung einen Zylinder mit einer flachen Ventilplatte, die das obere Ende des Zylinders bildet. Die obere Oberfläche des Kolbenbodens ist in der Bewegungsebene der Kolbenstange kontinuierlich 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. Vorzugsweise entspricht die Krümmung des Kolbenbodens einem Polynom dritten Grades. Das Polynom kann durch die Bögen zweier identischer Kreise angenähert werden, deren Mitten gleich weit gegen die zentrale Längsachse des Kolbens versetzt sind.

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

Alternativ kann die Oberfläche der Ventilplatte mit der kontinuierlichen konvexen Krümmung versehen sein oder es können beide sich gegenüberstehenden Oberflächen der Ventilplatte und des Kolbenbodens mit einer kontinuierlich konvexen Krümmung derart versehen sein, daß der Netto-Zwischenraum zwischen den Oberflächen bei jedem Abstand von der Mittellinie des Kolbens etwa dem freien Abstand entspricht, der durch Krümmung nur einer der Oberflächen erreicht wird.

Es ist ein wesentliches Ziel der Erfindung, das Totvolumen in einer Pendelkolben/Zylinderanordnung 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 Zeichnungen, die bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung erläutern, Bezug genommen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Ansicht im vertikalen Schnitt durch eine Kolben/Zylinder-Anordnung in einem Luftkompressor;
2 ist eine Ansicht im vertikalen Schnitt des Kolbens, des Zylinders und der Ventilplatte von 1;
3 ist eine Ansicht im Aufriß des Kolbens von 2;
4 ist eine vergrößerte Ansicht des Manschettenhalters, die die gekrümmte Oberfläche zeigt; und
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 1 arbeitet eine im folgenden als Pendelkolben 10 bezeichnete Pendelkolbeneinheit typischerweise in einem Zylindermantel 11, der eine kreisförmige Zylinderbohrung 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 Gehäuse montiert sind. Die Motorwelle trägt auch einen Kühlventilator 23.
Der Kolbenboden 13 umfaßt eine Manschettendichtung 25 aus Teflon oder ähnlichem Material, die durch einen Manschettenhalter 26, der mit dem Kolbenkopf durch eine zentrale Schraube 27 verbunden ist, an seinem Platz gehalten wird. Der Zylinder 11 hält auf seiner offenen Oberseite eine ebene Ventilplatte 30, und ein Kopf 31 ist auf der Ventilplatte 30 befestigt. Die Ventilplatte 30 enthält typischerweise Einlaß- und Auslaß-Klappenventile (nicht gezeigt), und der Zylinderkopf 31 hat Einlaß- und Auslaßkammern in Verbindung mit den Klappenventilen.
Wie in den 2 und 3 gezeigt, ist die axiale Mittellinie A der Motorwelle gegen die axiale Mittellinie 8 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 3 gegeben ist. Dies ist die Bewegungsebene des Pendelkolbens 10. In der Ebene des Querschnitts von 2, die senkrecht zur Bewegungsebene verläuft, ist die obere Oberfläche bzw. Stirnfläche 35 des Manschettenhalters 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 dagegen ist die obere Oberfläche 35 des Manschettenhalters 26 konvex gekrümmt, so daß der Zwischenraum-Abstand bei der longitudinalen Mittellinie C des Kolbens minimal ist und der Abstand zunimmt, wenn der Abstand von der Mittellinie C zum Umfang 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 Polynoms 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 4 gezeigt. In 4 ist die Änderung der Dicke des Manschettenhalters 26 für einen typischen Pendelkolben gezeigt.
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 gekrümmt und in der Ebene quer zur Kolbenbewegung gerade ist. Wieder ist die konvexe Krümmung für die untere Ventilplattenoberfläche 40 idealerweise ein Polynom dritten Grades und sie kann durch Bögen zweier identischer Kreise angenähert werden.
Es ist eine andere Alternative, beide einander gegenüberstehenden Oberflächen des Kolbenbodens und der Ventilplatte konvex zu krümmen, so daß die Summe der Krümmungen die gleiche ist wie entweder die Krümmung des Kolbenbodens oder die Krümmung 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 vernünftige Toleranzen. Wenn der Kolbenboden domförmig gewölbt bzw. gebaucht wäre, würde in den Ebenen quer zur Bewegungsebene des Kolbens Totraum verlorengehen. Eine Krümmung des Kolbenbodens in nur einer einzigen Ebene minimiert den Totraum.

Claims

Kolbenboden für einen Pendelkolben, der in einem kreisförmigen Zylinder mit flachem oberen Ende verwendbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Oberfläche (35) des kreisförmigen Kolbenbodens (13) in der Ebene der Pendelbewegung des Kolbens (10) kontinuierlich konvex gekrümmt und in einer Ebene quer zur Ebene der Pendelbewegung gerade ist.
Kolbenboden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung ein Polynom dritten Grades ist.
Kolbenboden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung als der Bogen von zwei identischen Kreisen gebildet wird, deren Zentren gleich weit gegen die longitudinale Mittellinie (C) des Kolbens (10) versetzt sind und daß die Krümmung näherungsweise ein Polynom dritten Grades ist.
Fluidpumpenvorrichtung mit einem kreisförmigen 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 kreisförmigen Kolbenboden (13) und mit einer Kolbenstange (14), die derart montiert ist, daß sie sich in einer Ebene senkrecht zu der Ventilplatte (30) bewegt, wobei die obere Oberfläche (35) des Kolbenbodens in der Bewegungsebene der Kolbenstange (14) kontinuierlich konvex gekrümmt und in einer Ebene quer zu der Bewegungsebene gerade ist.
Fluidpumpenvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, 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.
Fluidpumpenvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung annähernd ein Polynom, dritten Grades ist.
Pendelkolben mit einer Kolbenstange (14); einem an der Kolbenstange befestigten kreisförmigen Kolbenboden (13); einer an dem Kolbenboden montierten Manschettendichtung (25); und einem Manschettenhalter (26), der die Manschettendichtung (25) an dem Kolbenboden (13) sichert, wobei der Halter (26) einen obere Oberfläche (35) hat, die in einer Ebene kontinuierlich konvex gekrümmt und in der Ebene quer zu der einen Ebene gerade ist.
Pendelkolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung der oberen Oberfläche (35) annähernd ein Polynom dritten Grades ist.
Fluidpumpenvorrichtung mit einem kreisrunden Zylinder mit einer Ventilplatte (30), die das obere Ende des Zylinders bildet und mit einem Pendelkolben mit einem kreisrunden 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') gegenüberstehende Oberfläche des Kolbenbodens flach ist und die dem Kolbenboden gegenüberstehende Oberfläche (40) der Ventilplatte (30') in der Bewegungsebene der Kolbenstange kontinuierlich konvex gekrümmt und in einer Ebene quer zu der Bewegungsebene gerade ist.
Fluidpumpenvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung der Oberfläche der Ventilplatte (30') annähernd der Ort aller Punkte der Oberfläche ist, die dem Kolbenboden (13) am nächsten sind, wenn die Kolbenstange sich durch die Bewegungsebene bewegt.
Fluidpumpenvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung annähernd ein Polynom dritten Grades ist.
Fluidpumpenvorrichtung mit einem kreisrunden Zylinder mit einer Ventilplatte, die das obere Ende des Zylinders bildet und mit einem Pendelkolben mit einem in dem Zylinder arbeitenden kreisrunden Kolbenboden und mit einer Kolbenstange, die derart montiert ist, daß sie sich in einer einzigen Ebene bewegt, dadurch gekennzeichnet, daß die einander gegenüberstehenden Oberflächen der Ventilplatte und des Kolbenbodens in einer Ebene quer zu der Bewegungsebene der Kolbenstange gerade sind und eine oder beide der Oberflächen in der Bewegungsebene kontinuierlich konvex gekrümmt sind.