DE3114286A1

DE3114286A1 - Kugelkolben fuer verdichter oder dgl.

Info

Publication number: DE3114286A1
Application number: DE19813114286
Authority: DE
Inventors: Roland 8721 Geldersheim Bonengel; Manfred 8781 Eußenheim Brandenstein; Ludwig 8731 Premich Edelmann; Roland 8729 Lendershausen Haas; Lothar 8720 Schweinfurt Walter
Original assignee: SKF Kugellagerfabriken GmbH
Current assignee: SKF GmbH
Priority date: 1981-04-09
Filing date: 1981-04-09
Publication date: 1982-11-04
Also published as: IT8220372A1; IT8220372A0; FR2503820B1; FR2503820A1; DE3114286C2; IT1151112B; IT8221310V0

Description

SKF KÜGELLAGERFABRIKEN GMBH Schweinfurt, 3. 4. 1981

DE 81 008 DE TPA-vh.ne

-3-

Kugelkolben für Verdichter oder dgl.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kugelkolben für Verdichter oder dgl., der mit seiner kugelig ausgebildeten Außenfläche in der zylindrischen Bohrung eines zwischen der Stirnfläche des Kugelkolbens und einer dieser axial gegenüberliegenden Begrenzungswand gebildeten, mit einem Strömungsmittel gefüllten Verdichtungsraumes gleitend hin und her verschiebbar angeordnet ist.

Es ist ein Verdichter der angegebenen Gattung bekannt, bei dem die Stirnfläche des Kugelkolbens eines Pleuels entsprechend der Form des Verdichtungsraumes und/oder entsprechend der Größe des im Verdichter vorgeschriebenen Verdichtungsverhältnisses geformt und bearbeitet ist

(GB-PS 1 044 566). Je nach dem geforderten Verdichtungsverhältnis und der vorliegenden Art der Strömung des Strömungsmittels im Verdichtungsraum sind besonders geformte Kugelkolben herzustellen. Hinzu kommt, daß für jeden Anwendungsfall ein besonderer Werkstoff für den Körper des Kugelkolbens vorgesehen werden muß, damit dieser von den im Strömungsraum befindlichen Strömungsmitteln, z. B. Treibstoff-Gas-Gemisch, nicht chemisch angegriffen wird. Aus diesem Grund kann der Kugelkolben des bekannten Verdichters nur mit relativ unwirtschaftlich kleinen Stückzahlen gefertigt werden. Auch ist die Lagerhaltung des Kugelkolbens des bekannten Verdichters aufwendig. Bei im Betrieb auftretendem größerem Gleitverschleiß zwischen Kugelkolben und zylindrischer Bohrung muß der schwierig herzustellende Kugelkolben durch einen vollständigen neuen Kugelkolben ausgewechselt werden, was besonders kostspielig ist, wenn dieser mit einem Pleuelkörper einstückig verbunden ist.

Dor in Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kugelkolben für Verdichter oder dgl. der angegebenen Art zu schaffen, der trotz entsprechend dem Anwendungsfall unterschiedlicher Größe und Form des Verdichtungsraumes wirtschaftlich hergestellt werden kann. Auch soll der Kugelkolben der chemischen Aggressivität des Strömungsmittels des Verdichtungsräumes leicht anpaßbar sein. Schließlich soll der Kugelkolben auch eine relativ lange Gebrauchsdauer aufweisen.

Mit der Anordnung nach der Erfindung wird erreicht, daß der Kolbenkörper mit dem mehr oder weniger chemisch ag-0 gressiven Strömungsmittel (Gas und/oder Flüssigkeit) des

—5—

Verdichtungsraumes überhaupt nicht in Berührung kommt. Deshalb kann der Kolbenkörper aus einem chemisch nicht so widerstandsfähigen billigen Werkstoff (Kunststoff, Sinterstoff, Aluminium), gefertigt werden.

Im Betrieb gleitet die kugelige Außenfläche des Ringes in der zylindrischen Bohrung der Wandung des Verdichtungsraumes. Durch geeignete Toleranz- und Werkstoffpaarung von Ring und Wandung, welche dem Schmiervermögen des vorliegenden Strömungsmittels sowie den im Betrieb auftretenden Temperaturen und Berührungskräften zwischen Kugelkolben und Wandung der Bohrung angepaßt ist, läßt sich der Gleitverschleiß zwischen Kugelkolben und dieser Wandung sehr klein halten, so daß der Verdichter eine entsprechend lange Gebrauchsdauer aufweist. Bei dieser Toleranz- und Werkstoffpaarung während der Fertigung des Verdichters bzw. des Kugelkolbens brauchen der Werkstoff und die Form des Kolbenkörpers und der Kappe nicht geändert zu werden.

Durch den Einbau unterschiedlich geformter Kappen läßt sich der Kugelkolben dem verlangten Verdichtungsverhältnis des Verdichters anpassen, ohne daß die Konstruktion des Kolbenkörpers besonders geändert werden muß. Auf diese Weise können Kolbenkörper ein- und derselben Konstruktion für viele Anwendungsfälle verwendet, also in einer wirtschaftlichen Massenfertigung hergestellt werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

-6-

^:"*^:"*^:..^: J. 31142Ö6

Mit der Ausgestaltung nach Anspruch 2 kann der Ring von der Seite des Verdichtungsraumes her in die z. B. als Stufe ausgebildete ringförmige Vertiefung des Kolbenkörpers axial eingeschoben werden. Der Ring wird dann durch die am Kolbenkörper zu befestigende Kappe auf seiner dem Verdichtungsraum axial zugewandten Seitenfläche festgehalten.

Anspruch 3 weist auf eine einfache Befestigungsmöglichkeit der Kappe am Kolbenkörper hin. Mit der zusätzlichen Ausgestaltung nach Anspruch 4 ist eine Befestigung der Kappe am Kolbenkörper geschaffen, bei der die Kappe gegenüber Abziehen vom Kolbenkörper gesichert ist.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 5 bringt den Vorteil, daß der Kugelkolben durch entsprechende Auswahl der Werkstoffe von Ring und/oder Kappe in seinen temperaturbedingten Abmessungen (Wärmedehnung) den Abmessungen der zylindrischen Wandung des Verdichtungsraumes angepaßt ist. Im Betrieb können also keine Kolbenfresser auftreten und der Ring kann sich auch von seiner Sitzfläche auf dem Kolbenkörper nicht lösen. Durch geeignete Füllstoffe im Werkstoff (Kunststoff) der Kappe, deren zentrischer Vorsprung unterhalb der Sitzfläche des Ringes in die axiale Vertiefung des Kolbenkörpers eingreift und den Kolbenkörper unterhalb dieser Sitzfläche radial stützt, kann die resultierende radiale Wärmedehnung des wirksamen Durchmessers des Kugelkolbens auf bestimmte Werte eingestellt werden, ohne daß dabei die Form oder der Werkstoff des Kolbenkörpers und des Ringes geändert werden müssen.

-7-

"l"^:.:- .]. 31H286

Der erfindungsgemäße Kugelkolben für Verdichter oder dgl. der genannten Gattung wird in der nachfolgenden Beschreibung dreier Ausführungsbeispiele, die in den Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert.

Es zeigen

Figur 1, 2 und 3 je einen Längsschnitt durch den verschieden gestalteten Kugelkolben mit Zylinderbüchse eines Verdichters.

Mit 1 ist in Figur 1 die Zylinderbüchse eines Verdichters 2 bezeichnet, welche die zylindrische Bohrung 3 aufweist. Am in der Zeichnung oberen Ende der Zylinderbüchse 1 ist der Abschlußdeckel 4 mit der Begrenzungswand 5 durch Schrauben oder dgl. (nicht gezeigt) befestigt.

Im Innern der Zylinderbüchse 1 befindet sich der Kugelkolben 6, welcher aus einem einstückig mit einem Pleuel (nicht gezeigt) verbundenen Kolbenkörper 7, einem in eine ringförmigen Vertiefung 8 des Kolberkörpers 7 angeordneten Ring 9 aus einem verschleißfesten Werkstoff, z. B. Lagermetall, und einer Kappe 10 besteht. Der KoI-benkorper 7 ist aus einem Werkstoff mit geringer Dichte, z. B. aus einem mit Glasfaser oder Kohlenstoffaser verstärkten Kunststoff, gefertigt. Die Kappe 10 besteht aus einem elastischen Kunststoff, welcher mit Füllstoffen, z. B. Graphit, Molybdändisulfid und/oder Metallspänen gefüllt ist, so daß dieser die gewünschte Wärmedehnung und Wärmeleitung im Betrieb aufweist.

•-ß—

Die kugelige Außenfläche 11 des Kugelkolbens 6 ist durch die Mantelfläche des Ringes 9 gebildet. Der Ring 9 ist z. B. vom Bandwerkstoff gepreßt, rundgebogen und zu einem vollständigen Ring verschweißt. Die Außenfläche 11 des Ringes 9 gleitet im Betrieb des Verdichters 2 auf der zylindrischen Wandung 3 der Zylinderbüchse 1.

Die Kappe 10 weist die Stirnfläche 12 auf, welche im vorliegenden Fall kugelig ausgebildet ist und im oberen Totpunkt des Kugelkolbens 6 (siehe Figur 1) der Begrenzungswand 5 des Abschlußdeckels 4 eng gegenüber liegt.

Zwischen der Stirnfläche 12 der Kappe 4 und der dieser axial gegenüberliegenden Begrenzungswand 5 ist der Verdichtungsraum 13 gebildet, welcher radial außen durch die zylindrische Bohrung 3 der Zylinderbüchse 1 begrenzt ist.

Im Betrieb des Verdichters 2 befindet sich das Strömungsmittel, ζ. B. Treibstoff-Luft-Gemisch, in dem Verdichtungsraum 13. Durch axiale Bewegung des Kolbenkörpers 7 mit einstückig verbundenem Pleuel (nicht gezeigt) in axialer Richtung zur Begrenzungswand 5 des Abschlußdeckels 4 wird das Strömungsmittel im Verdichtungsraum 13 verdichtet. Die kugelige Außenfläche 11 des Kugelkolbens 6 gleitet dicht in der zylindrischen Bohrung 3 hin und her. Der Kugelkolben 6 kann sich infolge der Einstellbarkeit der kugeligen Außenfläche 11 in der zylindrischen Bohrung 3 des Verdichtungsraumes 13 bei seiner Hin- und Herbewegung etwas schiefstellen.

—9 —

'"""^:..^: :. 31U286

Die am Kolbenkörper 7 befestigte Kappe 10 hat an ihrem radial äußeren Abschnitt eine seitliche Ringfläche 14, welche axial vom Verdichtungsraum 13 wegweist. Diese Ringfläche 14 der Kappe 10 berührt die dem Verdichtungsraum 13 axial zugewandte Seitenfläche 15 des Ringes 9 und dichtet den Kolbenkörper 7 zum Verdichtungsraum derart ab, daß das Strömungsmittel des Verdichtungsraumes 13 nicht zum Kolbenkörper 7 hindurchströmen kann.

Im vorliegenden Fall ist der Ring 9 durch die diesen dicht berührende Ringfläche 14 der Kappe 10 auf dem Kolbenkörper 7 seitlich festgehalten, so daß dieser nicht in Richtung des Verdichtungsraumes 13 vom Kolbenkörper 7 abgezogen werden kann.

Zwecks Befestigung der Kappe 10 am Kolbenkörper 7 hat die Kappe 10 einen zentrischen Vorsprung 16, welcher in eine entsprechende axiale Vertiefung 17 auf der Stirnfläche des Kolbenkörpers 7 formschlüssig eingreift. Diese Vertiefung 17 besitzt an ihrer Außenwand eine ringnutförmige Aussparung 18, in welcher der zentrische Vorsprung 16 der Kappe 10 eingreift. Die Kappe 10 besteht aus einem elastisch kompressiblen Werkstoff, so daß diese durch axiales Eindrücken des Vorsprunges 16 in die axiale Vertiefung 17 eingeschnappt werden kann. Nach dem Einschnappen berührt die Ringfläche 14 die Seitenfläche 15 des Ringes 9 dicht.

Zum Auswechseln der abgenutzten Kappe 10 und/oder des verschlissenen Ringes 9 kann die Kappe 10 durch an dieser anfassende Werkzeuge (nicht gezeigt) mit ihrem Vorsprung 16 wieder aus der Vertiefung 17 des Kolbenkörpers 7 herausgezogen werden.

-10-

Der Werkstoff des Kolbenkörpers 7 hat einen Wärmedehnungskoeffizienten, welcher größer ist als der Wärmedehnungskoeffizient des Werkstoffes, z. B. Stahl, des Ringes 9. Bei Erwärmung des Kugelkolbens 6 im Betrieb kann sich also der Ring 9 auf seiner Sitzfläche im Grund der ringförmigen Vertiefung 8 des Kolbenkörpers 7 nicht lösen.

Im vorliegenden Fall greift der zentrische Vorsprung 16 der Kappe 10 in die axiale Vertiefung 17 des Kolbenkörpers 7, so daß dieser Vorsprung 16 unterhalb der Sitzfläche des Ringes 9 in der ringförmigen Vertiefung 8 zu liegen kommt und den entsprechenden ringförmigen Ansatz des Kolbenkörpers 7 radial aufweitet und stützt. Dementsprechend ist die Größe der radialen Wärmedehnung der Sitzfläche des Ringes 9 im wesentlichen von der Größe der radialen elastischen Spannung und der Wärmedehnung des radial stützenden axialen Vorsprunges 16 abhängig. Durch Füllen des Werkstoffes, z. B. Kunststoff, der Kappe 10 mit geeigneten Füllstoffen, z. B. Graphit, ist die radiale Wärmedehnung der Sitzfläche des Ringes 9 dem Verwendungszweck des Verdichters 2 (mit bestimmten Betriebstemperaturen) anpaßbar, so daß im Betrieb keine Kolbenfresser entstehen können.

In Figur 2 ist ein geänderter Kugelkolben für den Verdichter 18 dargestellt, der ähnlich dem in Figur 1 gezeigten Kugelkolben konstruiert ist. In die axiale Vertiefung 17 des Kolbenkörpers 7 ist wiederum der zentrische Vorsprung 16 der Kappe 10 aus elastischem Werkstoff eingeschnappt. Die Kappe weist hier jedoch eine ebenflächige Stirnfläche 19 auf, die im oberen Totpunkt des Kugelkolbens 6 der ebenfalls ebenflächigen Begrenzungswand

-11-

- "^:-^: -^:. 31U.286

des Abschlußdeckels 4 eng gegenüberliegt. Durch Austauschen der in Figur 1 gezeigten Kappe 10 mit kugeliger Stirnfläche 12 durch die in Figur 2 dargestellte Kappe 10 mit ebener Stirnfläche 19 ist der Kugelkolben 6 der Form der Begrenzungswand 20 angepaßt. Mit ihrer Ringfläche 14 berührt die Kappe 10 die dem Verdichtungsraum 13 axial zugewandte Seitenfläche 15 des Ringes 9 dicht, so daß kein Strömungsmittel vom Verdichtungsraum 13 zum Kolbenkörper 7 durchdringen kann.

In Figur 3 ist ein weiterer Kugelkolben eines Verdichters 21 dargestellt, welcher ähnlich wie der in Figur 1 und 2 angegebene Kugelkolben 6 aufgebaut ist. Die Kappe 10 hat hier jedoch eine kugelig konkave Stirnfläche 22, welche der kugelig konvexen Begrenzungswand 23 des Abschlußdekkels 4 gegenübersteht. Der äußere Rand 24 der Kappe 10 weist die Ringfläche 14 auf, welche mit der Seitenfläche 15 des Ringes 9 in dichter Berührung steht. Der Rand 24 der Kappe 10 ist biegeelastisch ausgebildet, so daß eine dichte Berührung der Ringfläche 14 der Kappe 10 mit elastischer Vorspannung gewährleistet ist.

Leerseite

Claims

SKF KUGELLAGERFABRIKEN GMBH Schweinfurt, 3. 4. 1981

DE 81 008 DE TPA-vh.ne

Kugelkolben für Verdichter oder dgl.

Patentansprüche

Kugelkolben für Verdichter oder dgl., der mit seiner kugelig ausgebildeten Außenfläche in der zylindrischen Bohrung eines zwischen der Stirnfläche des Kugelkolbens und einer dieser axial gegenüberliegenden Begrenzungswand gebildeten, mit einem Strömungsmittel gefüllten Verdichtungsraumes gleitend hin und her verschiebbar angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kugelkolben (6) aus einem Kolbenkörper (7), einem in einer ringförmigen Vertiefung (8) des Kolbenkörpers (7) angeordneten, eine kugelige Außenfläche (11) aufweisenden geschlossenen Ring (9) und einer am Kolbenkörper (7) befestigten, die Stirnfläche (12, 19, 22) des Kugelkolbens (6) bildenden, den Ring (9) zumindest auf seiner dem Verdichtungsraum (13) axial zugewandten Seitenfläche (15) dicht berührenden Kappe (10) besteht.
2. Kugelkolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (9) auf seiner dem Verdichtungsraum (13) zugewandten Seitenfläche (15) durch eine

-2-

:· U't'O j. 31U286

diese dicht berührende Ringfläche (14) der Kappe (10) auf dem Kolbenkörper (7) seitlich festgehalten ist.
3. Kugelkolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kappe (10) einen zentrischen Vorsprung (16) aufweist, welcher zum Befestigen der Kappe (10) in einer entsprechenden axialen Vertiefung (17) auf der Stirnfläche des Kolbenkörpers (7) formschlüssig eingreifend angeordnet ist.
4. Kugelkolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Vertiefung (17) des Kolbenkörpers (7) an ihrer Außenwand eine ringnutförmige Aussparung (18) aufweist, in welcher der zentrische Vorsprung (16) der Kappe (10) eingreifend angeordnet ist.
5. Kugelkolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff des Kolbenkörpers (7) und/oder Kappe (10) einen größeren Wärmedehnungskoeffizienten als der Werkstoff des in der ringförmigen Vertiefung (8) des Kolbenkörpers

(7) radial festsitzenden Ringes (9) aufweist, wobei die resultierende radiale Wärmedehnung des Kugelkolbens (2) höchstens so groß wie die im Betrieb erfolgende, entsprechende Wärmedehnung der zylindrischen Wandung (3) des Verdichtungsraumes (13) ist.
6. Kugelkolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenkörper (7) aus einem Werkstoff mit geringer Dichte, wie Kunststoff oder dgl. hergestellt ist.

-3-