DE2534251C2

DE2534251C2 - Axialkolbenkompressor

Info

Publication number: DE2534251C2
Application number: DE2534251A
Authority: DE
Inventors: Masaharu Isesaki Gunma Hiraga
Original assignee: Sanden Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 1974-07-31
Filing date: 1975-07-31
Publication date: 1983-12-22
Also published as: DE2560008C2; US4008005A; FR2280804B1; FR2280804A1; DE2534251A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Axialkolbenkompressor mit einem umlaufenden Schrägflächenkörper und einer davon angetriebenen Taumelscheibe, an welcher die Kolbenstangen angelenkt sind.

Ein derartiger Axialkolbenkompressor ist in der LS-PS 37 12 759 beschrieben. Bei solchen Axialkolbenkompressoren werden dann starke Vibrationen erzeugt, wenn kein vollständiger Massenausgleich bzw. Ausgleich der Trägheitsmomente erfolgt. Die US-PS, die sich mit dem Problem der Ölversorgung beschäftigt, enthält keinen ausdrücklichen Hinweis zur Auswuchtung des Schrägscheibenkörpers, und es ist davon auszugehen, daß bei der dort beschriebenen Vorrichtung zum Massenausgleich Zusatzgewichte eingesetzt werden.

Analysiert man das System aus Schrägflächenkörper, so Taumelscheibe, Kolbenstange und Kolben, dann ergeben sich folgende Schlußfolgerungen:

1. Liegt der Schwerpunkt des Systems auf der Rotationsachse, so entsteht in dem System eine Zentrifugalkraftverteilung gleichförmig um die Rotationsachse herum, so daß keine radialen Unwuchtkräfte auftreten können. Dementsprechend iriit keine radiale Vibration des Systems auf.

2. Während der Hin- und Herbewegung der Kolben und der Kolbenstangen treten aufgrund ihrer Massenträgheit axiale Kräfte auf. Die Gesamtsumme der axialen Kräfte kann jedoch gleich null sein, wenn sämtliche Kolben und Kolbenstangen in gleichen Winkelabständen voneinander um die Rotationsachse herum angeordnet sind und wenn sämtliche Kolben und Kolbenstangen gleiche Massen aufweisen. In diesem Falle treten keine

axialen Vibrationen des Systems auf.

3. Die Axialkräfte aufgrund der Massenträgheit der Kolben und der Kolbenstangen greifen jedoch an verschiedenen Stellen der Taumelscheibe an und erzeugen daher ein umlaufendes Kippmoment an der Taumelscheibe um eine Achse senkrecht zur Rotationsachse. Das System wird somit du^rch das Kippmoment in Vibration versetzt

4. Wenn der Schrägflächenkörper nicht so ausgebildet ist, daß seine Massenverteilung symmetrisch ist in bezug auf die Rotationsachse, so entsteht aufgrund von Zentrifugalkräften während der Drehung des Schrägflächenkörpers ein Drehmoment, welches diesen um eine Achse senkrecht zur Rotationsachse zu kippen sucht

In der FR-PS 9 58 648 ist ein Axialkolbenkompressor beschrieben, bei dem an der Antriebswelle befestigte umlaufende Zusatzgewichte zum Ausgleich der Unwucht der Taumelscheibe vorgesehen sind. Soll mittels der an diesen Gewichten angreifenden Zentrifugalkräfte auch ein Ausgleich der ein umlaufendes Kippmoment erzeugenden Trägheitskräfte erfolgen, dann müssen derartige Gewichte in einem axialen Abstand von der Taumelscheibe eingehalten werden, der insbesondere bei einem Axialkolbenkompressor der eingangs beschriebenen Art zu einer unerwünschten verlängerten Bauweise des Kompressors führt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem Axialkolbenkompressor der eingangs beschriebenen Art die ein Kippmoment erzeugenden Trägheitskräfte auszugleichen. Insbesondere sollen dazu keine einseitigen Zusatzgewichte verwendet werden, die zu einer Verkomplizierung und verlängerten Bauweise führen.

Diese Aufgabe wird durch einen Axialkolbenkompressor der eingangs beschriebenen Art gelöst, der gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist. daß zum Ausgleich der aus der Kolbenbewegung resultierenden Trägheitskräfte der Schrägflächenkörper hinsichtlich seiner Masseverteilung so gestaltet ist, daß die Schwerpunkte zweier gedachter Hälften des Schrägflächenkörpers, die durch eine ebenfalls gedachte axiale Trennebene voneinander getrennt sind, welche senkrecht ist zu derjenigen axialen Ebene, welche den dem Zylinderblock am nächsten liegenden Punkt des Schrägflächenkörpers enthält, einen solchen axialen Abstand voneinander aufweisen, daß aufgrund der dynamischen Unwucht des Schrägflächenkörpers ein umlaufendes Moment erzeugt wird, welches das aus allen Trägheitskräften der axial hin- und hergehenden Kolben und der mit ihnen verbundenen Bauteile resultierende Moment ausgleicht

Dadurch wird erreicht, daß ohne zusätzliche Massenausgleichsgewichte, die in jedem Fall einen höheren baulichen Aufwand und eine größere Baulänge des Kompressors bedingen würden, ein vollständiger Ausgleich des durch die Kolbenbewegung erzeugten Kippmoments erreicht wird, so daß der erfindungsge= mäße Axialkolbenkompressor nahezu vibrationsfrei läuft.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Figuren erläutert. Von den Figuren zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht einer Ausführungsform,

F i g. 2 eine Draufsicht auf einen Zylinderblock gemäß F i g. I von hinten gesehen,

Fig.3a die Beziehung zwischen den Kräften, die in einem System aus einem Schrägflächenkörper. einer

Taumelscheibe, Kolben und Kolbenstangen gemäß der Darstellung von Fig. 1 auftreten,

Fig.3b die Beziehung zwischen, den an einer Taumelscheibe gemäß F i g. 1 angreifenden Kräften,

Fig.4A eine Ansicht zur Beschreibung der Drehbewegung des Schrägflächenkörpers nach F i g. 1,

F i g. 4b eine Ansicht zur Beschreibung der Taumelbewegung einer Taumelscheibe nach F i g. 1,

Fig.5a eine Schnittansicht eines gegenüber der Darstellung von F i g. 1 geänderten Schrägflächenkörpers und

Fi g.5b eine Seitenansicht eines in F i g. 5 dargestellten Ringelementes.

F i g. 1 zeigt einen Axialkolbenkompressor, im folgenden . als Kompressor bezeichnet Der Kompressor is umfaßt ein Gehäuse 11 mit einem Zylinderblock ti A an seinem einen Ende und einem Topf ÜB an seinem anderen Ende.

Der Topf llß trägt eine Stirnabdeckplatte 12 mittels Schrauben, und der Zylinderblock UA trägt einen Zylinderkopf 13 und eine Ventilplatte 14 mittels Bolzen 15, so daß eine geschlossene Gehäuseeinheit des Kompressors gebildet wird.

Der Zylinderblock 11Λ ist mit einer Mehrzahl Zylindern 16 ausgebildet (in Fig.2 sind fünf Zylinder gezeigt), in denen jeweils Kolben 17 gleitend eingepaßt sind.

In dem Topf 11 F sind ein Schrägflächenkörper 18 und eine Taumelscheibe 19 angeordnet. Der Schrägfiächenkörper 18 ist auf einer Antriebswelle 20 befestigt die in einem Achslager 21 in der Stirnabdeckplatte 12 gelagert ist, und der SchrägRächenkörper 18 wird somit durch Drehung der Antriebswelle 20 in Drehung versetzt.

Die Stirnabdeckplatte 12 ist mit einem Hohlraum 22 für eine Achsdichtung versehen, in dem eine Achsdichtung 23 eingesetzt ist, um die sich in den Hohlraum 22 erstreckende Antriebswelle 20 abzudichten.

Die Taumelscheibe 19 steht mit sämtlichen Kolben 17 über Kolbens'angen 24 in Verbindung. Die Taumelscheibe 19 ist drehfest in dem Gehäuse angeordnet. Ferner ist ein Paar zahnradähnlicher Elemente 25, 25' dargestellt.

Durch Drehung der Antriebswelle 20 werden somit sämtliche Kolben 17 in den jeweiligen Zylindern 16 hin und her bewegt. -»5

Zwischen dem Schrägflächenkörper 18 und der Stirnabdeckplatte 12 ist ein Axiallager 26 angeordnet, beispielsweise ein Rollenlager oder ein Nadellager, und es wird dadurch ein Spai? 27 um die Antriebswelle 20 herum gebildet.

Ein zweiter Spalt 28 wird zwischen dem Schrägflächenkörper 18 und der Taumelscheibe 19 durch ein zweites Axiallager 29 gebildet.

Der Zylinderkopf 13 ist mit einer Saugkammer 131 und einer Auslaßkammer 132 versehen, die durch eine Wandung 133 getrennt sind.

Die Ventilplatte 14 weist Saugöffnungen 141 und Auslaßöffnungen 142 auf. die jeweils zu der Saugkammer 131 bzw, der Auslaßkammer 132 sowie zu jedem Zylinder 16 ausgerichtet sind. Die Ventilplatte 14 ist mit einem Ansaugzungenventil 143 und einem Auslaßzungenventil 144 versehen.

Im Betrieb wird die Antriebswelle 20 vom Motor eines Fahrzeuges über eine Kraftübertragungseinrichtung in Drehung versetzt. Der keilförmige Schrägflächenkörper 18 wird zusarr'Yien mit der Antriebswelle 20 gedreht, um die drehk^Lste Taumelbewegung der Taumelscheibe 19 zu bewirken. Die Kolben 17 werden so in den jeweiligen Zylindern 16 mit von einem zum anderen verschiedener. Phasenlage der Hin- und Herbewegung angetrieben. Durch die Hin-, und Herbewegung der Kolben wird gasförmiges Kühlmittel in den Zylindern angesaugt und aus diesen entladen.

Die Taumelscheibe 19 ist so ausgebildet, daß ihr Schwerpunkt mit dem Taumelmittelpunkt zusammenfällt, welcher auf der Mittelachse der Antriebswelle 20 liegt. Der Taumelmittetpunkt ist ein Punkt, um den die Taumelscheibe 19 taumelt, d.h. ein Mittelpunkt der Kugel 30 zwischen den kegelzahnradähnlichen Elementen25und25'.

Der Schwerpunkt der Taumeleinrichtung bzw. der eine Taumelbewegung ausführenden Teile liegt im Mittelpunkt der Taumelbewegung, wobei die taumelnden Teile das Lager 29, die Verbindungselemente mit den Kolbenstangen 24 und die Taumelscheibe 19 umfassen.

Alle Kolben und Kolbenstangen 17,24 weisen gleiche Massen auf und sind in gleicher.,- Winkelabstand voneinander um die Achse der Antriebswelle 20 herum angeordnet

Der Schrägflächenkörper ist so ausgebildet, daß sein Schwerpunkt auf der Achse der Antriebswelle 20 liegt

Somit Uegt der Schwerpunkt des Systems mit dem Schrägflächenkörper 18, der Taumelscheibe 19, den Kolbenstangen 24 und den Kolben 17 auf der Achse der Antriebswelle. Daher können keine radialen Unwuchtkräfte bzw. Unwuchtzentrifugalkräfte in diesem System entwickelt werden, während die Antriebswelle in Drehung versetzt wird, um das System anzutreiben. Dies führt dazu, daß in dem Gerät keine radialen Vibrationen auftreten.

Es treten jedoch an dem System Axialkräfte während der Hin- und Herbewegung der Kolben 17 und der Kolbenstangen 24 aufgrund von deren Massenträgheit auf. Da jedoch alle Kolben und Kolbenstangen 17, 24 gleiche Massen aufweisen und mit gleichem Winkelabstand voneinander um die Achse der Antriebswelle 20 herum angeordnet sind, sind die Axialkräfte Fund F'in ihrer Stärke einander gleich, jedoch entgegengesetzt gerichtet; diese Kräfte greifen an der Taumelscheibe 19 auf beiden Seiten einer gedachten Ebene an. die die Achse der Antriebswelle umfaßt und rechtwinklig ist zu einer anderen Ebene, die von der Achse und einem Punkt auf der Taumelscheibe nächst des Zylinderblocks 11A definiert ist. Dies ist in F i g. 3b dargestellt.

Die entgegengesetzten Kräfte F und F' entwickeln jedoch ein umlaufendes Drehmoment bzw. Kippmoment um die Achse rechtwinklig zu der Achse der Antriebswelle 20, aufgrund der verschiedenen Angriffspunkte.

Dieses Kippmoment muß beseitigt werden, da es zu Vibrationen des Gerätes führen kann.

Bei der beschriebenen Ausführungsfornv ist der Schrägflächenkörper 18 so ausgebildet, daß, wie in Fig. 3a dargesteift, die Schwerpunkte von zwei Abschnittshälften des Schrägfläcfienkörpers, die durch eine Ebene getrennt werden, in axialer Richtung einen vorbestimmten Abstand voneinander aufweisen, wobei die Ebene die Achse des Schrägflächenkörpers enthält und rechtwinklig ist zu einer anderen Ebene, die von der Achse und einem Punkt aul der geneigten Oberfläche des Schrägflächenkörpers nächst dem Zylinderblock 11>\ definiert ist. Das heißt, ein Schwerpunkt Cr einer Abschnittshälfte, welche den Punkt nächst dem Zylinderblock enthält, ist in axialer Richtung um einen Abstand X2 von dem anderen Schwerpunkt Go der

anderen Abschnittshälfte entfernt.

Während der Drehbewegung des Schrägflächenkörpers bewirken somit an den Schwerpunkten G« und Gn angreifende Zentrifugalkräfte Fr und Fn ein Drehmoment zur Drehung des Schrägflächenkörpers 18 um eine Achse rechtwinklig zur Achse des Schrägflächenkörpers.

Das von den Zentrifugalkräften bewirkte Drehmoment ist entgegengesetzt gerichtet zu dem Drehmoment aufgrund der Massenträgheitskraft der Kolben und der Kolbenstangen.

Wenn also der Abstand X2 in axialer Richtung zwischen den Schwerpunkten Gr und Gr so gewählt wird, daß das Drehmoment aufgrund der Zentrifugalkräfte das Drehmoment aufgrund der Massenträgheit der Kolben und der Kolbenstangen kompensiert, so können jegliche Vibrationen des Gerätes unterdrückt werden, die durch das Drehmoment aufgrund der Hin- und Herbewegung der Kolben und der Kolbenstangen erzeugt werden.

Dies soll nachstehend unter Bezugnahme auf die Fi g. 3a,4a und 4b erläutert werden.
Wenn der Schrägflächenkörper 18 mit einer Winkelgeschwindigkeit tt)(rad/sec) gleichzeitig mit der Drehung der Antriebswelle 20 in Drehung versetzt wird, so bewegen sich die zwei Punkte P und Q auf der Taumelscheibe 19 in axialer Richtung hin und her.

ίο jedoch in zueinander entgegengesetzten Richtungen, aufgrund der Taumelbewegung der Taumelscheibe l"9 iiher einen Winkelbereich 2«, wie in F i g. 4b dargestellt. λ ist ein Neigungswinkel der geneigten Oberfläche des Schrägflächenkörpers 18.

Das Kippmoment P\ aufgrund der Hin- und Herbewegung der Kolben 17 ist durch die folgenden Gleichungen Begeben:

P₁ = — (W,X) cos<y/ (gr · cm)
g

(W_rx)

sin a {

N{W_F+W_R)R>

-jd'f'R'^

(gr · cm²)

worin gdie Schwcrebeschleunigung (cm/sec³). f die von dem in Fig. 3;i dargestellten Zustand aus verstrichene Zeitspanne. W,- d;is Gewicht eines Kolbens (Gramm). Wr das Gc\· icht einer Kolbenstange. N die Anzahl der Zylinder. R_n der Radius des Kreises, nach dem die Kolben angeordnet sind und .τ das Verhältnis des Umfanges eines Kreises zu seinem Durchmesser ist. d'. C und R' sind jeweils Dicke. Dichte und Radius einer gleichförmigen Kreisplatte, die zu den eine Taumelbewegung ausführenden Teilen äquivalent ist.

Es soll betont werden, daß die während der Hin- und Herbewegung der Kolben auftretenden Axialkräfte auf der Massenträgheit nicht nur der Kolben 17 und der Kolbenstangen, sondern auch auf den eine Taumelbewegung ausführenden Teilen einschließlich der Taumelscheibe 19. des Lagers 29 und anderer eine Taumelbewegung ausführender Teile beruhen.

Die Drehbewegung des Schrägflächenkörpers bewirkt eine Taumelbewegung der Taumelscheibe 19 über den Winkelbereich 2 λ. Zu diesem Zeitpunkt werden Punkte auf der geneigten Oberfläche des Schrägflächenkörpers 18 mit der Winkelgeschwindigkeit ω durch Drehung des Schrägflächenkörpers verschoben, welche den Punkten P und Q auf der Taumelscheibe 19 entsprechen.

Wenn t = 0. so entsprechen die Schwerpunkte Gj? und Gb jeweils den Punkten P und Q. wie in F i g. 3a dargestellt. Nach Ablauf einer Zeit t bewegen sich die Schwerpunkte Gr und Gb um einen Winkelbereich ωί. so daß die Schwerpunkte von Gr mt und Gb on, wie in Fig.4a dargestellt jeweils den Punkten P und Q entsprechen. Der axiale Abstand zwischen den Schwerpunkten G/?<af und Gb on beträgt xi cos on.

Daher ist das von den Zentrifugalkräften aufgrund der Drehung des Schrägflächenkörpers 18 erzeugte Kippmoment Pi durch folgende Gleichung (3) gegeben, bei einer Winkelstellung, die den Punkten P und Q auf der Taumelscheibe entspricht:

P₁ = - — W_rx₂ cosor (gr · cm)
g

(3)

In dieser Gleichung bedeutet — W_r eine Zentrifu-

galkraft bei einer beliebigen Winkelstellung des Schrägflächenkörpers. Das negative Vorzeichen bedeutet, daß das Drehmoment P₂ entgegengesetzt gerichtet ist zu dem Drehmoment P_} in derselben Richtung.

Es ergibt sich, daß, wenn der Axialabstand x₂ so gewählt wird, daß er die folgende Gleichung (4) erfüllt:

= O

die Drehmomente P, und P₂ einander auslöschen, so daß keinerlei Vibrationen aufgrund des durch die Hin- und Herbewegung der Kolben 17 entwickelten Kippmoments erzeugt werden können.

Es soll betont werden, daß der Schrägflächenkörper 18 leicht so ausgebildet werden kann, daß er den gewünschten Axialabstand X2 aufweist, ohne daß der Schwerpunkt des Schrägflächenkörpers von seiner mittleren Achse abweicht. Dies wird erreicht durch Bemessung der Form des im Schrägflächenkörr-T 18 gebildeten hohlen Teiles 181. Dies kann jedoch ebenfalls erreicht werden, ohne die Form des hohlen Teiles entsprechend auszulegen, indem ein Ringelement 31 auf den Schrägflächenkörper 18 und um diesen herum aufgepaßt wird, wie in den F i g. 5a und 5b gezeigt

Gemäß den Darstellungen von F i g. 5a und 5b ist das Ringelement 31 so ausgebildet daß es um einen Winkel β gegenüber seiner mittleren Achse geneigt ist und über seinen gesamten Umfang eine gleichmäßige Massenverteilung aufweist

Das Ringelement 31 ist auf den Schrägflächenkörper 18 bzw. um diesen herum aufgepaßt und am Schrägflächenkörper mittels Schrauben 32 entfernbar befestigt wie in F i g. 5a dargestellt

Somit kann der Axiaiabstand X₂ !eicht auf den erforderlichen Wert eingestellt werden, wenn Ringelemente mit verschiedenen Neigungswinkeln vorbereitet sind.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Axialkolbenkompressor mit einem umlaufenden Schrägflächenkörper und einer davon angetriebenen Taumelscheibe, an welcher die Kolbenstangen angelenkt sind, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausgleich der aus der Kolbenbewegung resultierenden Trägheitskräfte der Schrägflächenkörper (18) hinsichtlich seiner Masseverteilung so gestaltet ist, daß die Schwerpunkte zweier gedachte^ Hälften des Schrägflächenkörpers (18), die durcff eine ebenfalls gedachte axiale Trennebene voneinander getrennt sind, welche senkrecht ist zu derjenigen axialen Ebene, welche den dem Zylinderblock (Ha) am nächsten liegenden Punkt des Schrägflächenkörpers (18) enthält, einen solchen axialen Abs'and voneinander aufweisen, daß aufgrund der flämischen Unwucht des Schrägflächenkörpers (18) ein umlaufendes Moment erzeugt wird, welches das aus allen Trägheitskräften der axial hin- und hergehenden Kolben (17) und der mit ihnen verbundenen Bauteile (24,19) resultierende Moment ausgleicht.

2. Axialkolbenkompressor nach Anspruch 1,25 dadurch gekennzeichnet, daß am Umfang des Schrägflächenkörpers (18) ein Ringelement (31) mit über seinem Umfang gleichmäßiger Masseverteilung unter einer Neigung zur Achse des Axialkolbenkompressors angebracht ist.