DE19950117C2 - Spiralverdichter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Spiralverdichter, insbesondere zur Drucklufterzeu­ gung für Schienenfahrzeuge, mit wenigstens zwei in einem Gehäuse angeordneten, ineinanderlaufenden Spiralen, von denen eine gehäusefest ist, und einer Antriebsein­ richtung, welche eine der Spiralen mittels Exzenterwellen antreibt.

Bei der Drucklufterzeugung für Schienenfahrzeuge werden infolge der großen zu erzeugenden Druckluftmengen und der extremen klimatischen Bedingungen be­ sondere Anforderungen an die Verdichtertechnologie gestellt. Selbst bei niedrigsten Temperarturen und rauhen Umweltbedingungen wie z. B. Temperaturschwankungen, Schwingungen und Stößen ist auch im Langzeitbetrieb stets die volle Betriebsfähig­ keit zu gewährleisten. Ferner kommen auch im Schienenfahrzeugbereich zuneh­ mend ölfreie Spiralkompressoren zum Einsatz. Dadurch können insbesondere Öl­ rückstände im Kondensat vermieden werden, was zu einer verbesserten Umweltver­ träglichkeit führt.

Verschiedene Ausführungsformen von Spiralverdichtern sind im Stand der Technik diskutiert worden. So offenbart die DE-OS 16 53 815 einen dort als Exzen­ terspiralpumpe bezeichneten Spiralverdichter, der frei von Einlaufschlitzen, Ventilen oder Schiebern sein soll. Eine Spirale ist gehäusefest und die andere Spirale orbitiert ohne eigene Drehung um erstere herum. Ferner ist in der DE 28 31 179 A1 ein dort als Verdrängermaschine nach dem Spiralprinzip bezeichneter Spiralverdichter mit einer gehäusefesten und einer orbitierenden Spirale beschrieben. Bei dem in der DE 29 27 690 C2 als Rotationskolbenmaschine nach dem Spiralprinzip diskutierten Spiralverdichter belasten die dortigen Blattfedern einer Parallelogrammführung der kardanischen Aufhängung die angetriebene Spirale in der Richtung, in der auch die Fliehkraft wirkt. Auf diese Weise soll die radiale Abdichtung zwischen den Spiralen verbessert werden. Weiterhin ist in der US 5,842,842 ebenfalls ein Spiralverdichter mit einer gehäusefesten und einer orbitierenden Spirale diskutiert. Auch aus der US 5,520,524 ist ein Spiralverdichter bekannt, bei der die Zentrifugalkraft kompen­ siert werden soll. Hierfür ist eine Feder vorgesehen. Die Feder stützt sich aber nicht am Gehäuse ab. Zuletzt offenbart die US 5,961,306 einen Spiralverdichter mit zwei sich drehenden Spiralen bei dem die Fliehkraft jedoch nicht kompensiert wird.

Aufgrund der für Schienenfahrzeuge erforderlichen außergewöhnlich hohen Leistung ergeben sich dabei jedoch Probleme hinsichtlich der Gestaltung derartiger Spiralverdichter, welche nicht durch bloße "Vergrößerung" handelsüblicher Kompres­ soren beseitigt werden können. Insbesondere treten bei derartigen Spiralverdichtern mit orbitierenden Spiralen bei großen Drehzahlen und/oder Spiralmassen große Fliehkräfte auf. Diese belasten die Lagerungen für die bewegte Spirale bzw. die An­ triebseinrichtung wesentlich. Verschärft wird diese Problematik zudem durch die ge­ wünschte Ölfreiheit der Anordnung, aufgrund der die Reibleistung der Lager nur sehr schwer abführbar ist.

In derzeit üblichen Bauweisen wird zum Ausgleich dieser Fliehkräfte im allge­ meinen ein Gegengewicht verwendet, welches in der Regel auf den Exzenterwellen sitzt. Dadurch wird eine Gegenkraftkomponente bereitgestellt, welche jedoch seitlich versetzt zur Fliehkraft zur Wirkung kommt. Diese beiden entgegenwirkenden Kräfte beaufschlagen daher zusätzlich zu den Antriebskräften die in der Regel als Wälzla­ ger ausgebildete Lagerung der Exzenterwellen in der angetriebenen Spirale. Dies wirkt sich negativ auf die Lebensdauer der Lagerung aus.

Um dem zu begegnen wurde diese Belastung bei der konstruktiven Gestaltung der Lagerungen berücksichtigt, was jedoch zu entsprechend größeren und insbe­ sondere auch schwereren Lagern geführt hat. Da diese Lager an der orbitierenden Spirale angeordnet sind und mitbewegt werden, erhöht sich durch das gesteigerte Gewicht wiederum die Fliehkraft in der Anordnung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Spiralverdichter bereitzustellen, bei dem die fliehkraftbedingte Belastung für die Lager in der orbitieren­ den Spirale verringert ist.

Diese Aufgabe wird durch die Weiterbildung eines nach Anspruch 1 gattungsgemäßen Spiralverdichters mit dem Merkmal gelöst, daß am Gehäuse eine krafterzeugende Ein­ richtung derart angeordnet ist, daß diese die angetriebene Spirale mittels einer Kraftkomponente, die der Ex­ zenterkröpfung der Exzenterwellen entgegensteht, vorspannt.

Damit wird eine entgegen der Fliehkraft gerichtete Kraftkomponente bereitgestellt, wel­ che sich erstmals nicht an der Lagerung der Exzenterwellen abstützt, sondern direkt am Gehäuse. Die Lager der Exzenterwellen in der bewegten Spirale werden daher im Betrieb wesentlich entlastet, wodurch sich ihre Lebensdauer erhöht. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß diese Lager somit kleiner und leichter gehalten werden können, wo­ durch auch das tatsächliche Ausmaß der Fliehkraft geringer als im Stand der Technik ist.

Somit ist erfindungsgemäß eine teilweise oder vollständige Kompensation der Fliehkraft erzielbar, da die durch die Vorspannung eingebrachte Kraftkomponente der Fliehkraft immer entgegenwirkt.

Der erfindungsgemäße Spiralverdichter kann daher bei sehr hohen Drehzahlen betrie­ ben werden und zeichnet sich durch große Zuverlässigkeit und Lebensdauer aus. Da­ mit können auch hohe Leistungen erzielt werden, wodurch insbesondere die im Bereich der Schienenfahrzeuge erforderlichen großen Druckluftmengen bereitstellbar sind.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Un­ teransprüche.

So läßt sich die krafterzeugende Einrichtung in konstruktiv besonders einfacher Weise als Biegestab bereitstellen. Daher kann kostengünstig eine sehr zuverlässige und prak­ tisch wartungsfreie Einrichtung zur Herstellung der Vorspannkraft realisiert werden.

Wenn der Biegestab im Zentrum der angetriebenen Spirale gelagert ist, können Span­ nungsschwankungen im Biegestab vermieden werden, da das mit der angetriebenen Spirale mitgeführte Ende somit eine im wesentlichen gleichförmige Kreisbewegung ausführt. Dieses mitgeführte Ende kann daher die Gegenkraft zuverlässig und gleich­ mäßig auf die orbitierende Spirale übertragen und zeichnet sich durch eine erhöhte Le­ bensdauer aus, da auf dem Biegestab im wesentlichen nur Biegekräfte wirken, die na­ turgemäß durch diesen beherrschbar sind. Die Lagerung kann dabei vorzugsweise als eine trockenlaufende oder lebensdauergeschmierte Gleitlagerung ausgebildet sein, da das in der bewegten Spirale geführte Ende des Biegestabs, z. B. ein Kugelkopf, auf­ grund der zentrischen Anordnung nur relativ geringe Bewegungen ausführt. Damit ist für diese Lagerung nur ein sehr geringer oder gar kein Wartungsaufwand erforderlich.

Alternativ ist es auch möglich, daß der Biegestab fest im Zentrum der angetriebenen Spirale eingespannt ist. Dann vereinfacht sich der Aufbau der Anordnung, wobei der Biegestab aufgrund seiner Torsionssteifigkeit zudem eine unerwünschte Verdrehung der angetriebenen Spirale gegenüber der anderen Spirale vermeiden hilft, wodurch die korrekte Relativzuordnung der Spiralen noch zuverlässiger gewährleistet ist.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand einer Figur näher erläutert. Diese zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Spiralverdichter.

Gemäß der Darstellung in dieser Figur weist ein Spiralverdichter 1 ein Gehäuse 2 auf, an welchem eine feststehende Spirale 3 starr angekoppelt ist. Im Gehäuse 2 ist ferner eine bewegte Spirale 4 angeordnet, welche durch einen Antriebsmechanismus 5 zu einer orbitierenden Bewegung veranlaßt wird.

Der Antriebsmechanismus 5 wirkt hierzu auf drei Exzenterwellen 6, welche in einem Winkel von 120 Grad gleichmäßig beabstandet im Gehäuse 2 angeordnet sind. Jede Exzenterwelle 6, von denen in der Figur eine im Detail dargestellt ist, ist mittels einer Gehäuselagerung 61 drehbar im Gehäuse 2 gelagert. Mit ihrem anderen Ende jenseits der Exzenterkröpfung ist jede Exzenterwelle 6 zudem in einem Lager 62 in der beweg­ ten Spirale 4 drehbar gelagert. Die Lagerungen 61 und 62 sind in dieser Ausfüh­ rungsform als Wälzlager ausgebildet. Jede Exzenterwelle 6 weist ferner ein Gegenge­ wicht 63 auf, welches der Exzenterkröpfung entgegengerichtet angeordnet und einstüc­ kig damit ausgebildet ist.

Der Spiralverdichter 1 weist ferner einen Biegestab 7 auf, der mit einem Einspannende 71 starr im Gehäuse 2 festgelegt ist. An seinem anderen Ende trägt der Biegestab 7 einen Kugelkopf 72, der kugelgelenkig im Zentrum der bewegten Spirale 4 gelagert ist. Die entsprechende Lagerbuchse ist hier nicht näher dargestellt, wobei sie jedoch in an sich bekannter Weise als Gleitlagerbuchse oder ähnliches ausgebildet ist.

Wie aus der einzigen Figur erkennbar ist, ist der Biegestab 7 derart vorgespannt, daß eine Kraftkomponente vorliegt, die der Exzenterkröpfung der Exzenterwellen 6 entge­ gensteht.

Nachfolgend wird die Funktionsweise des Spiralverdichters 1 erläutert.

Im Betrieb orbitiert die bewegte Spirale 4 relativ zur feststehenden Spirale 3. Da die Spiralen 3 und 4 ineinander laufen, ergeben sich Verdichtungsräume, welche durch die orbitierende Relativbewegung derart vom Außenbereich der Spiralen zum zentralen Bereich der Spiralen verändert werden, daß eine zunehmende Verdichtung der in den Verdichtungsräumen vorliegenden Luft auftritt. Die Luft wird hierbei durch einen Luft­ ansaugkanal 21 in das Gehäuse 2 angesaugt und dem äußeren Verdichtungsraum der beiden Spiralen 3 und 4 zugeführt. Die im Zuge der orbitierenden Bewegung der Spira­ len 3 und 4 verdichtete Luft wird schließlich durch einen Luftaustritt 31 im Bereich des Zentrums der feststehenden Spirale 3 abgeführt.

Die für diesen Vorgang erforderliche Relativbewegung der Spiralen 3 und 4 wird durch den Antriebsmechanismus 5 eingeleitet und durch die Exzenterwellen 6 gesteuert um­ gesetzt.

Um der hierbei entstehenden Fliehkraft entgegenzuwirken und somit insbesondere die Lager 62 in der Spirale 4 zu entlasten, wirkt das Gegengewicht 63 an jeder Exzenter­ welle 6 der Fliehkraft ebenso entgegen, wie die Vorspannung des Biegestabs 7. Wäh­ rend die durch das Gegengewicht 63 erzeugte Gegenkraftkomponente als zusätzliche Belastung auf die Lager 61 und 62 einwirkt, erlaubt der Biegestab 7 einen Lastabtrag direkt am Gehäuse 2. Durch diese unmittelbare Lasteintragung auf das feststehende Gehäuse 2 wird die Fliehkraft zu wesentlichen Teilen aufgenommen und somit eine deutliche Reduzierung der Lagerbelastung der Lager 62 erreicht. Soweit die Gehäuse­ lagerungen 61 durch eine umlaufende Kraft belastet werden, welche aus der Fliehkraft der Gegengewichte 63 resultiert, ist ohne Beeinträchtigung der Leistungsfähigkeit des Spiralverdichters 1 eine konstruktive Anpassung, d. h. eine größere Dimensionierung möglich, da die Gehäuselagerungen 61 im feststehenden Gehäuse 2 angeordnet sind und somit im Gegensatz zu den Lagern 62 keinen Beitrag zu der auf die bewegte Spi­ rale 4 wirkenden Fliehkraft leisten. Zudem sind die Gehäuselagerungen 61 nicht so hoch thermisch belastet wie die Lager 62, so daß die konstruktiven Anforderungen an diese geringer sind, was eine Anpassung an Lasterfordernisse erleichtert.

Die im Ruhezustand auf die Lager 62 in der Spirale 4 weiterhin wirkende Vorspannkraft des Biegestabes 7 kann dabei ferner im wesentlichen vernachlässigt werden, da sie im Stillstand statischer Natur ist und von den Lagern ohne eine Beeinträchtigung von de­ ren Lebensdauer aufgenommen werden kann.

Die Geometrie und das Material des Biegestabs 7 werden dabei entsprechend den konstruktiven Anforderungen insbesondere hinsichtlich der Biegekennwerte gewählt. Vorzugsweise kommen hierbei Federstähle, hochfeste Stähle oder auch Faserverbund­ werkstoffe u. ä. zum Einsatz.

Die Erfindung läßt neben der hier aufgezeigten Ausführungsform weitere Gestal­ tungsansätze zu.

So kann auf die Gegengewichte 63 an den Exzenterwellen 6 verzichtet werden, wenn bereits durch den Biegestab 7 eine ausreichende Gegenkraftkomponente entgegen der Fliehkraft bereitgestellt werden kann. Dies ist insbesondere bei nicht zu hohen Dreh­ zahlen der Fall. Die auf die Lager 61 und 62 wirkende Belastung kann auf diese Weise weiter verringert werden, wobei sich auch der konstruktive Aufbau weiter vereinfacht. Allerdings erlaubt diese Maßnahme keinen optimalen Massenausgleich.

Ferner ist es auch möglich, den Biegestab 7 beidseitig fest einzuspannen, d. h. auch an der bewegten Spirale 4 festzulegen.

Anstelle als Biegestab 7 kann die krafterzeugende Einrichtung auch auf andere Weise realisiert werden. So können z. B. auch mehrere biegeelastische Elemente im vor­ zugsweise gleichen Abstand vom Zentrum der bewegten Spirale 4 an diese angekop­ pelt werden, oder es könnte eine biegeelastische Hülse über einen zentralen Vor­ sprung an der bewegten Spirale 4 angekoppelt werden. Vorzugsweise wird die krafter­ zeugende Einrichtung zentrisch an die bewegte Spirale angekoppelt, da so der Kraft­ angriff der Gegenkraft im wesentlichen mit dem Schwerpunkt der Spirale zusammen­ fällt. Dadurch wird ein gleichmäßiger Fliehkrafteintrag erzielt, d. h. keine zusätzliche Momentenbelastung auf die Anordnung aufgebracht.

Der Biegestab 7 kann zudem auch axial verschiebbar im Gehäuse 2 gelagert sein.

Überdies ist es auch möglich, die Exzenterwellen 6 ungleichmäßig verteilt anzuordnen, d. h. mit einem von jeweils 120 Grad abweichenden Zwischenwinkel. Dadurch ist eine gezielte Steuerung der jeweiligen Belastung jeder Exzenterwelle bzw. der zugehörigen Lagerungen realisierbar. In Abhängigkeit von der Spiralform sind somit beispielsweise spezielle Winkelbelastungen konstruktiv einstellbar.

Ferner eignet sich der erfindungsgemäße Spiralverdichter 1 nicht nur zur Anwendung bei Schienenfahrzeugen; er kann auch in allen weiteren üblichen Einsatzgebieten zur Drucklufterzeugung genutzt werden, wobei er vorzugsweise für hohe Drehzahlen und somit für große Leistungen vorgesehen ist. Somit können auch Spiralverdichter mit großen und schweren Spiralen realisiert werden.

Die Erfindung schafft somit einen Spiralverdichter 1, der sich insbesondere auch zur Erzeugung der großen im Schienenfahrzeugbereich erforderlichen Druckluftmenge eig­ net, da er durch eine zuverlässige und effektive Fliehkraftkompensation sehr hohe Drehzahlen und Abmessungen ermöglicht. Hierzu wird die bewegte Spirale 4 durch eine krafterzeugende Einrichtung wie einen Biegestab 7 derart gegen das Gehäuse 2 vorgespannt, daß eine Vorspann-Kraftkomponente vorliegt, die der Fliehkraft im Betrieb entgegenwirkt.

Claims (4)

1. Spiralverdichter (1), insbesondere zur Drucklufterzeugung für Schienenfahrzeu­ ge, mit wenigstens zwei in einem Gehäuse (2) angeordneten, ineinanderlaufen­ den Spiralen (3, 4), von denen eine gehäusefest ist, und einer Antriebseinrich­ tung (5), welche eine der Spiralen (4) mittels Exzenterwellen (6) antreibt, dadurch gekennzeichnet, daß am Gehäuse (2) eine krafterzeugende Einrichtung derart angeordnet ist, daß diese die angetriebene Spirale (4) mittels einer Kraftkomponente, die der Exzenterkröpfung der Exzenterwellen (6) entgegensteht, vorspannt.

2. Spiralverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die krafterzeu­ gende Einrichtung ein Biegestab (7) ist.

3. Spiralverdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegestab (7) im Zentrum der angetriebenen Spirale (4), vorzugsweise mit einer trocken­ laufenden oder lebensdauergeschmierten Gleitlagerung, gelagert ist.

4. Spiralverdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Biege­ stab (7) fest im Zentrum der angetriebenen Spirale (4) eingespannt ist.