DE3800354C2

DE3800354C2 - Kühlmittelkompressor

Info

Publication number: DE3800354C2
Application number: DE3800354A
Authority: DE
Inventors: Hareo Takahashi; Kiyoshi Terauchi; Hideharu Hatakeyama; Shuzo Kumagai
Original assignee: Sanden Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 1987-01-10
Filing date: 1988-01-08
Publication date: 1996-10-31
Anticipated expiration: 2008-01-09
Also published as: GB2199903B; GB2199903A; KR880009209A; CA1304053C; AU609762B2; JPH0229872B2; GB8800496D0; IN172180B; KR960001633B1; AU1014488A; DE3800354A1; US4869154A; MY102729A; JPS63173859A

Description

Die Erfindung betrifft einen Taumelscheibenkompressor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Taumelscheibenkompressoren mit einem frei tragenden Aufbau zur Aufnahme einer Antriebswelle sind bekannt. Ein derartiger Aufbau ist in den U.S, Patenten Nr. 3.552.886 und 3,712. 759 offenbart,
Gemäß Fig. 1 weist ein Taumelscheibenkompressor 1 mit einem herkömmlichen freitragenden Aufbau ein zylindrisches Kompres sorgehäuse 2, eine Frontstirnplatte 3 und eine rückwärtige Stirnplatte in Form eines Zylinderkopfes 4 auf. Ferner weist das Kompressorgehäuse 2 einen Zylinderblock 21 und eine Kurbelkammer 22 auf. Die Frontstirnplatte 3 ist an der Ober fläche des einen Endes des Kompressorgehäuses 2 befestigt, und der Zylinderkopf 4, welcher an der Oberfläche des anderen Endes des Kompressorgehäuses 2 angeordnet ist, ist durch eine Ventil platte 5 hindurch mittels Bolzen 41 an der Oberfläche des einen Endes des Zylinderblocks 21 befestigt. Im mittleren Abschnitt der Frontstirnplatte 3 ist eine Öffnung 31 zum Durchführen einer Antriebswelle 6 ausgebildet.

Die Antriebswelle 6 ist in der Frontstirnplatte 3 durch ein radiales Nadellager 7 drehbar gelagert und reicht in das Innere der Kurbelkammer 22 hinein. Ein keilförmiger Nockenrotor 8 ist fest mit dem inneren Endabschnitt der Antriebswelle 6 verbunden und ist durch ein Drucknadellager 9 auf der Oberfläche des inneren Endes der Frontstirnplatte 3 drehbar gelagert, um sich zusammen mit der Antriebswelle 6 drehen zu können.

Eine ringförmige Taumelscheibe 10, welche in ihrem mittleren Abschnitt mit einem Kegelrad versehen ist, ist auf einer schrägen Fläche 81 des keilförmigen Nockenrotors 8 über einem Drucknadellager 16 angeordnet und liegt mittels eines kugel förmigen Elementes 12 schräg auf dem Ende eines tragenden Elementes 11 auf, welches durch Einfügen eines Bolzens zwischen dem Zylinderblock 21 und dem tragenden Element 11 am Drehen gehindert wird. Das tragende Element 11 ist auf einer mittigen Bohrung 211, welche im mittleren Abschnitt des Zylinderblocks 21 gebildet ist, angeordnet und weist ein Kegelrad 111 und einen Schaftteil 112 mit einem hohlen Abschnitt 113 auf. An dem einen Endabschnitt der mittigen Bohrung 211 ist eine Einstell schraube 17 angeordnet. In dem hohlen Abschnitt 113 des Schaft teiles 112 ist eine Schraubenfeder 13 angeordnet, welche das tragende Element 11 an die Taumelscheibe 10 drückt, wodurch das Kegelrad 111 des tragenden Elementes 11 in das Kegelrad 101 der Taumelscheibe 10 eingreift, und die Taumelscheibe 10 wird an einer Drehbewegung gehindert.

Im Zylinderblock 21 ist eine Mehrzahl von Zylindern 212 mit gleichem Winkelabstand zueinander ausgebildet. In jeden der Zylinder 212 ist ein Kolben 14 gleitend eingepaßt. Jeder Kolben 14 ist mit dem Rand der Taumelscheibe 10 über eine jeweilige Verbindungsstange 15 verbunden: Ein Ende der Verbindungsstange 15 ist über ein Kugelgelenk mit dem Kolben 14 verbunden, und das andere Ende der Verbindungsstange 15 ist über ein Kugelgelenk mit der Taumelscheibe 10 verbunden.

Der Zylinderkopf 4 weist eine Auslaßkammer 42 und eine um die Auslaßkammer 42 herum angeordnete Ansaugkammer 43 auf. Ein Ansaugloch 51 ist in der Ventilplatte 5 ausgebildet, um die Ansaugkammer 43 mit dem jeweiligen Zylinder 212 zu verbinden, und ein Auslaßloch 52 ist in der Ventilplatte 5 ausgebildet, um den jeweiligen Zylinder 212 mit der Auslaßkammer 42 zu verbin den.

Wird die Antriebswelle 6 bei Betrieb von einer Antriebsquelle über eine elektromagnetische Kupplung 18, welche auf einer rohrförmigen Verlängerung 35 der Frontstirnplatte 3 befestigt ist, angetrieben, dann dreht sich der Nockenrotor 8 mit der Antriebswelle 6 zusammen, wodurch die Taumelscheibe 10 entspre chend der Drehbewegung des Nockenrotors 8 ohne Drehbewegung geneigt wird. Somit wird jeder Kolben 14 durch die Nickbewegung der Taumelscheibe 10 im Zylinder 212 hin- und herbewegt. Die Rückstoßkraft der Schraubenfeder 13 kann durch Drehen einer Einstellschraube 17 eingestellt werden. Somit kann der wichtige axiale Abstand zwischen dem Drucklager 9, dem Nockenrotor 8, der Taumelscheibe 10, dem Kegelrad 101, der Stahlkugel 12 und dem tragenden Element 11 durch Einstellen der Rückstoßkraft der Schraubenfeder 13 sicher beibehalten werden, selbst wenn Ver änderungen in den Abmessungen infolge Temperaturwechsel und Abmessungsfehlern bei der Herstellung auftreten.

Der oben genannte Taumelscheibenkompressor wird normalerweise als ein Kühlmittelkompressor in Klimaanlagen für Fahrzeuge benutzt, und deshalb sollte von dem Kompressor eine hinrei chend große Lebensdauer unter den üblichen Anwendungsbedingun gen gefordert werden. Unter schwierigen Bedingungen, wie z. B. einer längeren Fahrt bei hohen Temperaturen, besteht jedoch die Möglichkeit, daß Antriebsteile angegriffen werden, wodurch für den Kompressor keine ausreichende Lebensdauer aufrechterhalten werden kann.

Bei der Analyse der Ursachen für das Angreifen von Antriebstei len in dem Kompressor, welcher tatsächlich unter einer solchen Bedingung betätigt wird, tritt ein Ausbrechen an der äußeren Oberfläche der Antriebswelle 6, welche mit der inneren Ober fläche des radialen Nadellagers 7 zur Aufnahme der Antriebs welle 6 in Kontakt steht, auf. Das Stück, das aus der Antriebs welle 6 herausgebrochen worden ist, verursacht Schäden auf den Antriebsteilen, und der Kompressor wird angegriffen.

Fig. 2 zeigt die Kontaktoberfläche der Antriebswelle 6 mit dem radialen Lager 7, Ein Ausbrechen tritt an der Fläche A auf. Eine glatte Oberfläche, welche die tatsächliche Kontaktfläche zwischen der Antriebswelle 6 und dem radialen Lager 7 darstellt, tritt an der Fläche B auf. Aus den oben angeführten tatsächlichen Fakten kann entnommen werden, daß die äußere Oberfläche der Antriebswelle 6 mit der inneren Oberfläche des radialen Lagers 7 nicht gleichmäßig in Kontakt steht, d. h. daß zwischen der Antriebswelle 6 und dem radialen Lager 7 ein teil weiser Kontakt auftreten kann.

Fig. 3 zeigt die Kräfteverhältnisse zwischen den Teilen des Kompressors. Die Ursachen für den teilweisen Kontakt können wie nachfolgend beschrieben analysiert werden. Die auf den Nocken rotor 8 wirkenden äußeren Kräfte in axialer Richtung umfassen einen Gesamtgaskompressionsdruck F1 entsprechend der Kompres sion jedes einzelnen Kolbens 14 und eine axiale Andruckkraft F2, welche die Rückstoßkraft der Schraubenfeder 13 ist. Der Gesamtgaskompressionsdruck F1 wirkt auf den Nockenrotor 8 in Punkt A, welcher um eine Kugelverbindung mit der Verbindungs stange 15 herum ist, wenn der Kolben 14 im oberen Totpunkt steht. Die axiale Andruckkraft F2 wirkt auf den Nockenrotor 8 im zentralen Abschnitt. Da der oben erwähnte Gesamtgaskompres sionsdruck F1 und die axiale Andruckkraft F2 auf die schräge Oberfläche 81 des Nockenrotors 8 wirken, treten in radialer Richtung Teilkräfte F3 und F4 auf.

Eine axiale Rückwirkungskraft F5 gegen den Gesamtgaskompres sionsdruck F1 und die axiale Andruckkraft F2 tritt am Druck lager 9 auf, wodurch die Kräfte in axialer Richtung ausgegli chen sind. Es gibt aber keine ausgleichende Kraft für die radialen Teilkräfte F3 und F4, wodurch am gedrehten Nocken rotor 8 um den Punkt B des Drucklagers 9 herum ein Drehmoment auftritt, so daß der Nockenrotor 8 an der entgegengesetzten Seite des oberen Totpunktes, d. h. auf der Seite des unteren Totpunktes, vom Drucklager 9 getrennt wird. Deshalb wird die Antriebswelle 6 geneigt, um mit der Achse des radialen Lagers 7 übereinzustimmen, und ein Teilkontakt zwischen der Antriebs welle 6 und dem Radiallager 7 tritt an den Punkten C und D auf. Entsprechend der axialen Länge des radialen Lagers 7 und des Abstands zwischen der inneren Oberfläche des radialen Lagers 7 und der äußeren Oberfläche der Antriebswelle 6 wird ein Nei gungswinkel θ der Antriebswelle 6 gegenüber der Achse des radialen Lagers 7 bestimmt.

Bei dem vorstehenden Aufbau wirken Rückwirkungskräfte F6 und F7 des radialen Lagers 7 auf die Antriebswelle 6, und das Gleich gewicht dieser Kräfte wird durch folgende Gleichung darge stellt:

F3 + F4 = F6 - F7.

Wenn alle Abmessungen als 11-14, r1 oder r2, wie in Fig. 3 gezeigt ist, bestimmt sind, wird das Drehmoment durch folgende Gleichung dargestellt:

F3·11 + F4·12 + F6·13 - F1·(r2 - r1) - F2·r2 - F7·14 = 0.

Wie weiter oben erwähnt ist, wird angenommen, daß die Antriebs welle 6 mit teilweisem Kontakt zum radialen Lager 7 angetrieben wird, wodurch dazwischen ein Ausbrechen auftritt. Die axialen Rückwirkungskräfte F6 und F7, welche unter der Bedingung des Neigungswinkels θ vom radialen Lager 7 auf die Antriebswelle 6 wirken, werden entsprechend des Gesamtgaskompressionsdruckes F1 verändert. Der Neigungswinkel θ wird in einem Bereich zwischen 0 und 0,04° bei üblichem Abstand vorbestimmt. Deshalb kann es ganz einfach geschehen, daß unter schwierigen Bedingungen, z. B. bei hoher Luftaufbereitungsbelastung, ein Ausbrechen auftritt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Taumelscheibenkompressor zu entwickeln, welcher eine ausreichende Lebensdauer aufweist, selbst wenn der Kompressor unter schwierigen Bedingungen betrieben wird, insbesondere soll verhindert werden, daß eine Antriebswelle und ein radiales Lager unter der Bedingung hoher Luftaufbereitungsbelastung nur teil weise in Kontakt miteinander stehen.

Diese Aufgabe wird durch einen Taumelscheibenkompressor nach Anspruch 1 gelöst.

Es folgt die Beschreibung eines Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit den Figuren. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Taumel scheibenkompressor mit einer Ausführungsform des erfindungs gemäßen Andruckmechanismus;

Fig. 2 eine Entwicklungsansicht eines Teils einer äußeren Oberfläche einer in Fig. 1 gezeigten Antriebswelle;

Fig. 3 eine erläuternde Ansicht des Verhältnisses der auf die in Fig. 1 gezeigten Elemente Nockenrotor und Antriebs welle wirkenden Kräfte;

Fig. 4 einen Schnitt durch einen Teil eines Taumelscheiben kommpressors in einer Ausführungs form der Erfindung, welcher den Zustand einer Einheit aus einem Nockenrotor und einer Antriebswelle zeigt;

Fig. 5 einen Schnitt durch einen Teil eines Taumelscheiben kompressors, welcher den Zustand einer Einheit aus einer Frontstirnplatte und der in Fig. 4 gezeigten Antriebswelle darstellt; und

Fig. 6 einen Schnitt durch einen Teil eines Taumelscheiben kompressors, welcher den Zustand der in Fig. 5 darge stellten Einheit bei Belastung durch äußere Kräfte zeigt.

Fig. 4 zeigt die Anordnung einer Antriebswelle und eines keil förmigen Nockenrotors in einer Ausführungs form der Erfindung. Der Nockenrotor 8 hat einen keilförmigen Querschnitt, und eine axiale Stirnfläche des Nockenrotors 8 ist durch eine gerade Linie gegeben, die als Linie ST bezeichnet ist. Die Achse der Antriebswelle 6, welche mit dem Nockenrotor 8 in herkömmlicher Weise verbunden ist und in Fig. 4 durch die Linie O_R bezeichnet ist, liegt senkrecht zur Linie ST, welche von der axialen Stirnfläche des Nockenrotors 8 gebildet wird. Im Gegen satz dazu ist die Antriebswelle 6 gemäß dieser Ausführungsform mit dem Nockenrotor 8 so verbunden, daß die Achse O_S der Antriebswelle 6 mit der Achse O_R einen gewissen Winkel bildet (in Fig. 4 mit θ₁ bezeichnet), der sich zur oberen Totpunktseite hin erstreckt, d. h. der obere Totpunkt wird durch die dickere Seite des Nockenrotors 8 bestimmt. Der θ₁ wird aus folgender Gleichung erhalten:

θ₁ = tan^-1 (c/l)

wobei 1 die axiale Länge des radialen Lagers 7 und c der Abstand zwischen der inneren Oberfläche des radialen Lagers 7 und der äußeren Oberfläche der Antriebswelle 6 bedeuten. Ebenso ist die Platte 91 für das radiale Nadellager 9, welche auf der axialen Stirnfläche des Nockenrotors 8 angeordnet ist, am dickeren Abschnitt des Nockenrotors 8 geneigt, um den Winkel θ₂ zu bilden.

Fig. 5 zeigt die Anordnung des Nockenrotors 8 und der Antriebs welle 6, welche in der Frontstirnplatte 3 des Taumelscheiben kompressors 1 eingebaut ist. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, wird die Rückstoßkraft der Schraubenfeder 13 als Andruckkraftmecha nismus durch die Einstellschraube 17 eingestellt, und die axiale Andruckkraft F2 wird so auf einen vorbestimmten Wert eingestellt, welcher größer ist als gewöhnlich. Da die axiale Andruckkraft F2 so vorbestimmt ist, daß sie größer ist als die Kraft des verbindenden Teils der Antriebswelle 6 und des Nockenrotors 8, wird die Antriebswelle 6 nach links gedrückt, wodurch die axiale Stirnfläche des Nockenrotors 8 mit dem Drucklager 9 gleichmäßig in Kontakt steht. In dem Moment steht die äußere Oberfläche der Antriebswelle 6 mit der inneren Oberfläche des radialen Lagers 7 an zwei Punkten, dem Punkt M und dem Punkt N, in Kontakt. Der Winkel θ₂ zwischen der Achse O_S der Antriebswelle 6 und der Achse O_B des radialen Lagers 7 wird nach folgender Gleichung bestimmt:

θ₂ = tan^-1 (c/l)

wobei 1 die axiale Länge des radialen Lagers 7 und c der Abstand zwischen der inneren Oberfläche des radialen Lagers 7 und der äußeren Oberfläche der Antriebswelle 6 bedeuten.

Der Winkel zwischen der zentralen Achse O_S der Antriebswelle 6 und der axialen Stirnfläche des Nockenrotors 8 ist in Fig. 5 gegenüber dem von Fig. 4 um Φ verändert, was θ₂ von θ₁ abgezogen bedeutet. Ist k der Steifigkeitskoeffizient des ver bindenden Abschnittes des Nockenrotors 8 und der Antriebswelle 6, dann wirkt auf die Antriebswelle 6 das rechtsdrehende Moment M_S, welches gleich k·Φ ist. Unter der obigen Bedingung kann das Gleichgewicht zwischen den Kräften und Drehmomenten, die auf die oben genannten Elemente wirken, durch folgende Gleichungen dargestellt werden:

F4 + F6 = F7
F2 = F5
F5·R + F6·12 - F4·11 - F7·(12 + 13) = O
Ms = kθ = F7·(12 + 13) - F6·12

wobei 11, 12, 13 und R die in Fig. 5 gezeigten Abmessungen, F2, F4, F5, F6 und F7 die auf die entsprechenden Teile wirkenden Kräfte, F5 eine Rückwirkungskraft des Drucklagers 9, F6 und F7 Rückwirkungskräfte des radialen Lagers 7 und M_S ein rechts drehendes Moment, das aufgrund der Veränderung des Winkels zwi schen der Antriebswelle 6 und dem Nockenrotor 8 auf die Antriebswelle 6 wirkt, bedeuten. Der Veränderungswinkel Φ wird durch Abziehen des Winkels θ2 vom Winkel θ₁ erhalten.

Wie in Fig. 6 gezeigt ist, wirken beim Betrieb des Kompressors 1 äußere Kräfte, zu denen der Gesamtgasdruck F1 und die axiale Andruckkraft F2 gehören, auf die schräge Oberfläche 81 des Nockenrotors 8. Die radialen Kraftkomponenten F3 und F4 ent stehen aufgrund der äußeren Kräfte F1 und F2 und wirken auf die schräge Oberfläche 81 des Nockenrotors 8. Diese radialen Kraft komponenten F3 und F4 drehen den Nockenrotor 8 so, daß er gegen die obere Totpunktseite gedrückt wird. Dadurch wird die Antriebswelle 6 um den in Fig. 6 gezeigten Punkt M, welcher am äußeren Ende des radialen Lagers 7 liegt, gedreht, d. h. die Lage der Antriebswelle 6 verschiebt sich gegenüber dem Nocken rotor 8 zur unteren Totpunktseite hin, so daß die Achse O_B des radialen Lagers 7 und die Achse O_S der Antriebswelle 6 parallel zueinander zu liegen kommen und damit die Antriebswelle 6 von der oberen inneren Oberfläche des radialen Lagers 7 an deren äußerer Oberfläche getragen wird. Ist k der Festigkeitskoeffi zient des verbindenden Abschnittes des Nockenrotors 8 und der Antriebswelle 6, dann wirkt auf die Antriebswelle 6 das rechts drehende Moment M_S, welches gleich kΦ ist, so daß sicherge stellt ist, daß die Antriebswelle 6 gleichmäßig mit der oberen inneren Oberfläche des radialen Lagers 7 in Kontakt steht.

Unter der obigen Bedingung kann das Gleichgewicht zwischen den Kräften und Momenten, die auf die oben genannten Teile wirken, durch folgende Gleichungen beschrieben werden:

F3 + F4 = F6
F1 + F2 = F5
F5·R - F4·11 - F1·R′ - F6· (12 + 14) = O
Ms = kΦ = F6·(12 + 14)

wobei 11, 12, 13, R und R′ die in Fig. 6 gezeigten Abmessungen, F1, F2, F3 und F4 die in obiger Beschreibung genannten Kräfte, F5 eine Rückwirkungskraft des Drucklagers 9, F6 und F7 Rückwir kungskräfte des radialen Lagers 7 und M_S ein rechtsdrehendes Moment, welches aufgrund der Änderung des Winkels zwischen der Antriebswelle 6 und dem Nockenrotor 8 auf die Antriebswelle 6 wirkt, bedeuten. Die Winkeländerung ergibt sich durch Abziehen des Winkels θ₂ vom Winkel θ₁.

Wie in der vorstehenden Beschreibung erläutert ist, ist sicher gestellt, daß während des Betriebes des Kompressors 1 die äußere Umfangsoberfläche der Antriebswelle 6 mit dem inneren Umfangsabschnitt des radialen Lagers 7 gleichmäßig in Kontakt steht, so daß verhindert wird, daß von der Antriebswelle 6 Oberflächenstücke abgelöst werden. Und da die axiale Stirn fläche des Nockenrotors 8 durch die vom Gesamtgasdruck der Kolben herrührenden axialen Andruckkräfte F1 und F2 an das Drucklager 9 angedrückt wird, steht die axiale Stirnfläche des Nockenrotors 8 mit dem Drucklager 9 gleichmäßig in Kontakt, so daß vermieden wird, daß von der Drucklagerlaufbahn 91 Ober flächenabschnitte herausgelöst werden.

Fig. 1 zeigt eine weitere Ausführungsform dieser Erfindung, bei welcher anstelle der Schraubenfeder 13 ein Auslaßgasdruck mit größerer Rückstoßkraft verwendet wird. In der Ventilplatte 5 ist ein Loch 50 ausgebildet, so daß die Auslaßkammer 42 mit einem zentralen Bohrloch 211 des Zylinderblocks 21 in Verbin dung steht. Das in das zentrale Bohrloch 211 geflossene Gas strömt durch einen Spalt zwischen der Einstellschraube 17 und dem zentralen Bohrloch 211 und wirkt auf das tragende Element 11. Dadurch wird die axiale Stirnfläche des Nockenrotors 8 durch die übliche Rückstoßkraft der Schraubenfeder 13 und den Gasdruck des Auslaßgases gegen das Drucklager 9 gedrückt. Mit dieser Ausführungsform wird die gleiche Wirkung erzielt wie mit der oben beschriebenen Ausführungsform.

Claims

1. Taumelscheibenkompressor (1) mit
einem eine Mehrzahl von Zylindern (212) und eine an die Zylinder (212) angrenzende Kurbelkammer (22) aufweisenden Kompressorge häuse (2),
einem in jedem Zylinder (212) gleitend verschiebbar eingepaßten hin- und herbewegbaren Kolben (14),
einem zum Ausführen der Hin- und Herbewegung mit den Kolben (14) verbundenen Antriebsmechanismus einschließlich
einer im Kompressorgehäuse (2) durch ein radiales Lager (7) drehbar gelagerten Antriebswelle (6),
eines keilförmigen, an einem Ende in einer inneren Stirn oberfläche des Kompressorgehäuses (2) durch ein Drucklager (9) drehbar gelagerten Nockenrotors (8), und einer eine Drehbewegung in eine Taumelbewegung umwandelnde, durch einen Andruckkraftmechanismus an eine schräge Ober fläche (81) des Nockenrotors (8), die einer axialen Stirnober fläche des Nockenrotors (8) gegenüberliegt, angedrückte Taumelscheibe (10) dadurch gekennzeichnet,
daß die Antriebswelle (6) an der axialen Stirnoberfläche des Nockenrotors (8) so befestigt ist,
daß sie um einen vorbestimmten Winkel θ₁ bezüglich einer Senkrechten zu der axialen Stirnoberfläche des Nockenrotors (8) in Richtung zu der oberen Totpunktseite des Nockenrotors (8) geneigt ist, und
daß die axiale Stirnoberfläche des Nockenrotors (8) mit dem Drucklager (9) gleichmäßig in Kontakt steht.

2. Taumelscheibenkompressor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Andruckkraftmechanismus eine Schraubenfeder (13) umfaßt, deren Andruckkraft durch eine Einstellschraube (17) auf einen vorbestimmten Wert eingestellt wird.

3. Taumelscheibenkompressor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Andruckkraftmechanismus ein Loch (50) umfaßt, das eine Auslaßkammer (42) mit einem mittigen Bohrloch (211) in dem Zylinderblock (21) verbindet, durch das der Druck des Auslaßgases über ein tragendes Element (11) auf die Taumelscheibe (10) wirkt.