DE4290951C1 - Taumelscheiben-Kompressor mit veränderlicher Leistung - Google Patents

Taumelscheiben-Kompressor mit veränderlicher Leistung

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DE4290951C1
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Kazuya Kimura
Hiroaki Kayukawa
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Toyoda Jidoshokki Seisakusho KK
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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kompressionsvorrichtung mit veränderlicher Leistung der Taumelscheiben-Bauart und insbesondere auf eine derartige Kompressionsvorrichtung der genannten Art, die zu einer Verwendung in einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs geeignet ist.
Zum Stand der Technik offenbaren die JP 60-175783 A und die JP 62-183082 O je eine typische Kommpressionsvorrichtung der Taumelscheiben-Bauart mit veränderlicher Leistung. Eine solche Kompressionsvorrichtung, die im folgenden als Kompressor bezeichnet wird, ist mit einem Gehäuse, einem in dem Gehäuse aufgenommenen Zylinderblock und einer Antriebswelle, die so angeordnet ist, daß sie sich axial längs der Längsachse des Gehäuses erstreckt, versehen. Der Zylinderblock besitzt eine Mehrzahl von Zylinderbohrungen, die radial mit Bezug zur Achse der Antriebswelle und gleichbeabstandet zueinander angeordnet sind. Jede der Zylinderbohrungen steht mit jeweils Ansaug- und Ausstoß- oder Druckkammern über zugeordnete Zungen- oder Klappenventile in Verbindung. Die Ansaug- und Druckkammern des Kompressors sind an einen Kondensator bzw. Verdampfer einer Klimaanlage eines Automobils angeschlossen.
Jede der Zylinderbohrungen nimmt einen darin hin- und herbeweglichen Kolben auf, und während des Ansaughubes des Kolbens tritt über die Klappenventile ein vom Kondensator den Ansaugkammern zugeführtes Kühlgas in die Zylinderbohrungen ein. Dieses Kühlgas wird in den Zylinderbohrungen während des Kompressionshubes der Kolben dann komprimiert, und das komprimierte Kühlmittel wird über die Zungenventile in die Ausstoßkammer abgeführt. Das komprimierte Kühlmittel wird dann von der Ausstoß- oder Druckkammer des Kompressors zum Verdampfen der Klimaanlage geführt.
Für die Hin- und Herbewegung der Kolben in den Zylinderbohrungen ist in einer Kurbelkammer des Gehäuses eine Taumelscheibe derart angeordnet, daß sie gleitend oder verschieblich mit dem Kolben in Eingriff bzw. gekoppelt ist. Die Taumelscheibe ist mit den Kolben so verbunden, daß ihre Drehung die Hin- und Herbewegung der Kolben herbeiführt, und sie ist mit Bezug zur Antriebswelle derart gelagert und verschiebbar, daß sie um eine zur Achse der Antriebswelle rechtwinklige Achse schaukeln oder taumeln kann. Ferner kann der Neigungswinkel der Taumelscheibe geregelt verändert werden, um den Hub der Kolben, d. h. die Verdichtungs- oder Kompressionsleistung des Kompressors, zu regeln.
Die Taumelscheibe steht mit einem Antriebselement, das an der Antriebswelle befestigt ist, über eine Gelenkverbindung in Verbindung, so daß sie hierdurch von der Antriebswelle eine Antriebskraft empfängt, und die Gelenkverbindung umfaßt einen Verbindungszapfen, der von der Taumelscheibe gelagert wird. Der Verbindungszapfen liegt in einem im drehbaren Antriebselement ausgebildeten gekrümmten Langloch und wird in diesem gekrümmten Langloch bewegt, wenn der Neigungswinkel der Taumelscheibe justiert wird. Der Verbindungszapfen wirkt als ein Schwenk- oder Drehpunkt, um welchen die Taumelscheibe verschwenkt wird, um ihren Neigungswinkel zu verändern.
Die Einstellung des Neigungswinkels der Taumelscheibe wird durch Ändern des in der Kurbelkammer vorherrschenden Druckniveaus des Kühlgases bewirkt, wobei diese Kurbelkammer mit der Ansaugkammer und/oder der Druckkammer über ein geeignetes Regelventil in Strömungsverbindung steht. Wenn das Druckniveau in der Kubelkammer durch das Regelventil vermindert wird, wird der auf die Rückseite eines jeden Kolbens wirkende Druck abgesenkt, um den Neigungswinkel der Taumelscheibe zu vergrößern und damit den Hub eines jeden Kolbens zu verlängern. Als Ergebnis dessen wird die Verdichtungsleistung des Kompressors erhöht.
Wird dagegen das Druckniveau innerhalb der Kurbelkammer durch das Regelventil vergrößert, so wird folglich der auf die Rückseite eines jeden Kolbens wirkende Druck erhöht, um den Kolbenhub zu verkleinern und dadurch den Neigungswinkel der Taumelscheibe zu vermindern. Auf diese Weise wird die Verdichtungsleistung des Kompressors klein.
Wie beschrieben wurde, wird die Bewegung der Taumelscheibe, wenn diese zur Änderung ihres Neigungswinkels verstellt wird, mit Bezug zu dem durch den Verbindungszapfen der Gelenkverbindung gebildeten Drehpunkt durchgeführt, und der Drehpunkt selbst bewegt sich in Abhängigkeit von einer Änderung im Neigungswinkel der Taumelscheibe. Im einzelnen verhält es sich bei dem herkömmlichen Taumelscheiben-Kompressor mit veränderlicher Leistung so, daß dann, wenn die Taumelscheibe zur Stellung ihres größten Neigungswinkels hin kommt, d. h., wenn die Kolben über ihren gesamten Hubweg ausgefahren werden, ein spezieller Wirkungspunkt, an welchem eine auf der Kompression des Kühlgases beruhende Reaktionskraft durch den Kolben der Taumelscheibe vermittelt wird, und die Position des Verbindungszapfens, d. h. der Drehpunkt der Bewegung der Taumelscheibe, in Flucht mit der Mittel- oder Achslinie von einem der Kolben sind.
Wird der Neigungswinkkel der Taumelscheibe verkleinert, so wird der Verbindungszapfen von der ausgefluchteten Position zu einer unterhalb des erwähnten speziellen Wirkungspunkts liegenden Position verschoben, und deshalb erzeugt die auf der Kompression des Kühlgases beruhende Reaktionskraft ein Drehmoment, das auf die Taumelscheibe so wirkt, daß sie um den Verbindungszapfen dreht. Das bedeutet, daß dieses Drehmoment an der Taumelscheibe eine weitere Verkleinerung in deren Neigungswinkel hervorruft, und deshalb wird eine Rückwirkung auf den Regelvorgang des Regelventils zur Verminderung des Neigungswinkels der Taumelscheibe, um dadurch die Kompressionsleistung herabzusetzen, überempfindlich.
Wenn dagegen der Regelvorgang ausgeführt wird, um den Neigungswinkel der Taumelscheibe von der Position des kleinsten Neigungswinkels aus zu vergrößern, so daß eine große Kompressionsleistung erlangt wird, dann ist eine Rückwirkung auf den Regelvorgang nicht empfindlich.
Ferner ist es bei dem oben beschriebenen herkömmlichen Taumelscheiben-Kompressor mit veränderlicher Leistung, der das gekrümmte Langloch im Antriebselement zur Aufnahme des Verbindungszapfens besitzt, äußerst schwierig, eine exakte Ausbildung dieses Langlochs durch eine maschinelle Bearbeitung zu erlangen. Wenn jedoch eine exakte Ausbildung des Langlochs nicht erlangt wird, dann tritt eine Änderung im Obertotpunkt-Zwischenraum eines jeweiligen Kolbens auf, wodurch der Kompressionswirkungsgrad vermindert wird. Darüber hinaus hat eine ungenaue Ausbildung des gekrümmten Langlochs die Erzeugung von Geräuschen während eines Betriebs des Kompressors zum Ergebnis.
Es ist im Hinblick auf den Stand der Technik und die vorstehend genannten Probleme die primäre Aufgabe dieser Erfindung, einen Taumelscheiben-Kompressor mit veränderlicher Leistung zu schaffen, der imstande ist, die im Stand der Technik auftretenden, genannten Probleme zu überwinden.
Erfindungsgemäß wird zur Lösung dieser Aufgabe ein Taumelscheiben-Kompressor mit veränderlicher Leistung geschaffen, der mit einem Gehäuse versehen ist und einen in dem Gehäuse angeordneten Zylinderblock besitzt, in dem eine Mehrzahl von Zylinderbohrungen radial mit Bezug zur Achse des Gehäuses und gleichbeabstandet zueinander angeordnet ist. Die Zylinderbohrungen stehen mit einer in dem Gehäuse ausgebildeten Fluid-Ansaugkammer sowie einer Fluid- Ausstoß- oder Druckkammer jeweils über Ventilelemente in Verbindung. Der erfindungsgemäße Taumelscheiben-Kompressor ist darüber hinaus mit einer Mehrzahl von in jeweils eine der Zylinderbohrungen eingesetzten Kolben, die in den Zylinderbohrungen hin- und herbewegt werden, ausgestattet. Darüber hinaus ist bei diesem Kompressor eine Antriebswelle vorgesehen, die sich längs der Mittelachse des Gehäuses erstreckt, und es ist eine Taumelscheibeneinrichtung vorhanden, die um eine zur Längsachse der Antriebswelle rechtwinklige Achse taumeln oder schaukeln kann. Zwischen der Taumelscheibe und den Kolben sind Gleitbacken oder Gleitschuhe, d. h. gleitende Einrichtungen, vorgesehen, um eine Drehung der Taumelscheibe in eine Hin- und Herbewegung der in Mehrzahl vorhandenen Kolben umzusetzen. Die Gleitbacken sind im wesentlichen in Flucht mit der Mittelachse von jeweils einem Kolben angeordnet, eine drehende Verbindungseinrichtung ist an der Antriebswelle fest angebracht, und zwischen der drehenden Antriebseinrichtung und der Taumelscheibe sind Verbindungsmittel angeordnet, um eine Drehung der Antriebseinrichtung auf die Taumelscheibe zu übertragen. Diese Verbindungseinrichtungen geben der Taumelscheibe die Möglichkeit, infolge einer Druckdifferenz zwischen der Fluid-Ansaug- und/oder einer -Druckkammer sowie der Kurbelkammer zu schaukeln oder zu taumeln, um dadurch die Kompressionsleistung der Kolben zu verändern.
Bei dem erfindungsgemäßen Taumelscheiben-Kompressor mit veränderlicher Leistung sind die Verbindungsmittel drehbar an der drehbaren Antriebseinrichtung gelagert und umfassen ein Lagerorgan, das konstant auf einer Linie angeordnet ist, die sich von der Mittelachse eines jeden der Kolben aus erstreckt, und einen Verbindungszapfen, der sich von der Taumelscheibe aus erstreckt und verschiebbar in dem Lagerorgan gehalten ist.
Erfindungsgemäß wird ein Versetzungswinkel von der Rechtwinkligkeit oder senkrechten Richtung der Achse des Verbindungszapfens zur Taumelscheibe bevorzugterweise so festgesetzt, daß der Obertotpunkt-Zwischenraum (OT-Zwischenraum) des Kolbens während des Betriebs mit minimaler Kompressionsleistung und des Betriebs mit maximaler Kompressionsleistung zueinander gleich sind.
Die Erfindung wird aus der folgenden, auf die Zeichnungen Bezug nehmenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen erfindungsgemäßer Taumelscheiben-Kompressoren deutlich. Es zeigen:
Fig. 1 einen Axialschnitt eines erfindungsgemäßen Taumelscheiben-Kompressors mit veränderlicher Leistung in einer ersten Ausführungsform;
Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie II-II in der Fig. 1;
Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III in der Fig. 1;
Fig. 4 einen zu Fig. 3 gleichartigen Schnitt, wobei jedoch eine Abwandlung gegenüber der Ausführungsform von Fig. 1 dargestellt ist;
Fig. 5 einen Axialschnitt eines Taumelscheiben-Kompressors in einer zweiten Ausführungsform gemäß der Erfindung;
Fig. 6 eine erläuternde Darstellung zu einem besonderen Merkmal der in Fig. 5 gezeigten zweiten Ausführungsform;
Fig. 7 einen Axialschnitt eines Taumelscheiben-Kompressors in einer dritten Ausführungsform gemäß der Erfindung;
Fig. 8 eine erläuternde Darstellung zu einem besonderen Merkmal der in Fig. 7 gezeigten dritten Ausführungsform;
Fig. 9 ein Diagramm, das eine Beziehung für den OT-Zwischenraum des Kolbens der dritten Ausführungsform darstellt;
Fig. 10 ein Diagramm, das im Vergleich eine Änderung im OT-Zwischenraum eines Kolbens, der in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik bestimmt wird, und im OT-Zwischenraum des Kolbens, der in Übereinstimmung mit dieser Erfindung bestimmt wird, darstellt.
Der in den Fig. 1-3 gezeigte Taumelscheiben-Kompressor mit veränderlicher Leistung in der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist mit einem Gehäuse 10 versehen, das ein mittiges zylindrisches Gehäuseteil 10a, ein vorderes Gehäuseteil 10b, das an der einen Stirnseite des mittigen Gehäuseteils 10a befestigt ist, und ein hinteres Gehäuseteil 10c, das mit der anderen Stirnseite des mittigen Gehäuseteils 10a fest verbunden ist, umfaßt.
Das mittige Gehäuseteil 10a ist mit einem mit diesem einstückig ausgebildeten Zylinderblocks 12 ausgestattet, in welchem mehrere Zylinderbohrungen 14 ausgebildet sind, die mit Bezug zur Achse des Zylinderblocks 12 radial angeordnet und in Umfangsrichtung zueinander gleich beabstandet sind. Jede Zylinderbohrung 4 nimmt verschiebbar einen Kolben 16 auf.
Zwischen dem mittigen Gehäuseteil 10a und dem vorderen Gehäuseteil 10b ist eine Kurbelkammer 18 ausgebildet derart, daß sich eine Antriebswelle 20 in axialer Richtung längs der Mittelachse der Kurbelkammer 18 erstrecken kann. Ein vorderer Abschnitt der Antriebswelle 20 wird durch ein Radiallager 22, das in der Zentrumsbohrung des vorderen Gehäuseteils 10b aufgenommen ist, drehbar gelagert, und der entgegengesetzte Abschnitt der Antriebswelle 20 wird durch ein in der Zentrumsbohrung des Zylinderblocks 12 aufgenommenes Radiallager 24 drehbar abgestützt.
Wie in der Fig. 1 zu entnehmen ist, erstreckt sich das eine Ende der Antriebswelle 20 nach außen über die Stirnfläche des vorderen Gehäuseteils 10b hinaus, so daß es mit einem Fahrzeugmotor in Wirkverbindung gebracht werden kann, um eine drehende Antriebskraft zu empfangen. Eine Wellendichtung 26 schließt die Kurbelkammer 18 gegenüber der Außenseite des Kompressors ab, und ein Drucklager 27 stützt das innere Ende der Antriebswelle 20 ab.
Zwischen dem mittigen Gehäuseteil 10a und dem hinteren Gehäuseteil 10c ist eine Ventilplatte 28 angeordnet, wobei zwischen dieser Ventilplatte 28 und dem hinteren Gehäuseteil 10c Ansaug- und Druckkammern 30 bzw. 32 ausgestaltet sind. Die Ansaug- und Druckkammern 30 bzw. 32 stehen mit einem Kondensator bzw. einem Verdampfer einer Klimaanlage von beispielsweise einem Automobil in Verbindung. Die Ansaugkammer 30 wird vom Kondensator mit Kühlgas gespeist, während die Ausstoß- oder Druckkammer das Kühlgas nach einer Kompression dem Verdampfer zuführt.
In der Ventilplatte 28 sind Ansaugöffnungen 34 in einer Anzahl vorhanden, die denjenigen der Zylinderbohrungen 14 entspricht, und jede der Ansaugöffnungen 34 wird von einem in der Ventilplatte 28 aufgenommenen Zungen- oder Klappenventil verschlossen. Ferner sind in der Ventilplatte 28 Ausstoßöffnungen 36 ausgebildet, deren Anzahl derjenigen der Zylinderbohrungen 14 entspricht und deren jede durch ein in der Ventilplatte aufgenommenes Zungenventil verschlossen wird. Ein in Fig. 1 dargestellter Ventilanschlag 38 begrenzt das Ausmaß der Öffnung der die Ausstoßöffnungen 36 verschließenden Zungenventile.
Eine Taumelscheibe 40 ist gleitend oder verschiebbar über einen Gleitbackenmechanismus 42 mit den Kolben 16 verbunden, um die jeweiligen Kolben in den zugeordneten Zylinderbohrungen 14 hin- und herzubewegen. Im einzelnen ist jeder Kolben 16 mit einem Ansatz 16a versehen, der so ausgebildet ist, daß er sich über das Ende der zugeordneten Zylinderbohrung 14 hinaus erstreckt. In jedem Ansatz 16a eines jeden Kolbens 16 ist eine Aussparung 16b ausgebildet. Der Gleitbackenmechanismus 42 umfaßt ein Paar von halbkugelförmigen Gleitbacken 42a, die gleitend in einem sphärisch ausgenommenen Teil an der Eintrittsseite der Aussparung 16b des Kolbens 16 aufgenommen sind. Dieses Paar von halbkugelförmigen Gleitbacken 42a umfaßt gleitend einen äußersten Umfangsbereich der Taumelscheibe 40, der zwischen diesen Gleitbacken angeordnet ist. Deshalb wird, wenn die Taumelscheibe 40 zusammen mit der Antriebswelle 20 um deren Achse gedreht wird, jeder Kolben 16 in der zugeordneten Zylinderbohrung 14 hin- und herbewegt.
Bei der ersten Ausführungsform der Fig. 1 ist jeweils ein Paar von Gleitbacken 42a im Ansatz 16a des Kolbens 16 derart aufgenommen, daß sich beide Gleitbacken auf der Mittel- oder Achslinie CL des Kolbens 16 befinden. Wenn die Taumelscheibe 40 gedreht wird, d. h., wenn der Kolben 16 seine Hin- und Herbewegung ausführt, wird folglich das Paar von Gleitbacken 42a um jeweilige Zentren, die auf der Mittellinie CL des Kolbens 16 liegen, verschwenkt. Das bedeutet, daß die jeweiligen Gleitbackenmechanismen 42 immer an einer radialen Verlagerung mit Bezug zu den zugeordneten Kolben 16 gehindert sind, daß jedoch die jeweiligen Gleitbackenmechanismen 42 der Taumelscheibe 40 eine radiale Verschiebung mit Bezug zu diesen Gleitbackenmechnaismen erlauben. Auf diese Weise wird die Drehung der Taumelscheibe 40 stoßfrei und ruhig in eine Hin- und Herbewegung der jeweiligen Kolben 16 umgewandelt.
Die Taumelscheibe 40 ist durch einen Klemm- oder Haltering 46 an einem im wesentlichen zylindrischen, drehbaren Taumelkopf 44 befestigt, welcher um eine zur Achse der Antriebswelle 20 rechtwinklige Achse verschwenkt werden kann, um eine Schaukelbewegung um die Schwenkachse herum auszuführen. Wie der Fig. 2 am besten zu entnehmen ist, ist an der Antriebswelle 20 verschiebbar ein Hülsenglied 48 angebracht, das mit einem Paar von seitwärts ragenden Lagerzapfen 48a versehen ist, die gleitend in Lagerbohrungen 44a des drehbaren Taumelkopfes 44 aufgenommen sind.
Der drehbare Taumelkopf 44 wird durch eine drehende Mitnehmerplatte 50, die an der Antriebswelle 20 fest montiert ist, gedreht, d. h., die drehende Mitnehmerplatte 50 überträgt die Drehung der Antriebswelle 20 auf den drehbaren Taumelkopf 44. Im einzelnen ist die Mitnehmerplatte 50 mit einem Vorsprung 50a versehen, in welchem eine Öffnung 50b ausgebildet ist, wie die Fig. 3 am besten zeigt. Ein Verbindungsmittel 52 52 ist in der Öffnung 50b so vorgesehen, daß es im wesentlichen fluchtend mit der Mittellinie CL eines jeden der Kolben 16 angeordnet ist. Das Verbindungsmittel umfaßt eine fest in die Öffnung 50b eingesetze Führungsbahn 52a, ein kugelförmiges Lagerorgan, 52b, das gleitend in einer in der Führungsbahn 52a ausgebildeten sphärischen Aufnahmefläche gehalten ist, und einen Verbindungszapfen 52c, der verschiebbar in ein Durchgangsloch des kugelförmigen Lagerorgans 52b eingesetzt ist, wobei ein Ende des Verbindungszapfens 52c fest in den drehbaren Taumelkopf 44 eingefügt ist. Somit wird bei einem Drehen der Antriebswelle 20 zusammen mit dieser der drehbaren Taumelkopf 44 gedreht. Ein Drucklager 54 (s. Fig. 1) stützt die drehende Mitnehmerplatte 50 in axialer Richtung gegenüber dem vorderen Gehäuseteil 10b ab, und Schraubenfedern 56 sowie 58 auf der Antriebswelle 20 angeordnet, um eine Gleitbewegung des Hülsengliedes 48 auf der Antriebswelle 20 zu begrenzen.
Wenn der drehbare Taumelkopf 44 und deshalb mit diesem auch die Taumelscheibe 40 gedreht wird, werden die Kolben 16 jeweils in den zugeordneten Zylinderbohrungen 14, wie bereits beschrieben wurde, hin- und herbewegt.
Während des Ansaughubes eines jeden Kolbens 16 fließt das Kühlgas von der Ansaugkammer 30 über die Ansaugöffnung 34 in die Zylinderbohrung 14. Anschließend wird während des Kompressionshubes des Kolbens 16 das Kühlgas allmählich in der Zylinderbohrung 14 komprimiert, worauf das komprimierte Kühlgas aus der Zylinderbohrung 14 über die Ausstoßöffnung 36 zur Ausstoß- oder Druckkammer 32 ausgefördert wird.
In gleichartiger Weise wie bei einem herkömmlichen Taumelscheiben-Kompressor mit veränderlicher Leistung steht die Kurbelkammer 18 mit jeweils der Ansaugkammer 30 bzw. der Ausstoßkammer 32 über Fluidleitungen in Verbindung, in denen Magnetventile 60 und 62 angeordnet sind. Diese Magnetventile 60 und 62 werden so betrieben, daß sie die Druckhöhe oder das Druckniveau des Kühlgases, die bzw. das in der Kurbelkammer 18 vorherrscht, einregeln, so daß der Neigungswinkel der Taumelscheibe 40 geregelt verändert wird. Demzufolge wird der Hub der jeweiligen Kolben 16 verlängert oder verkürzt, um die Kompressionsleistung zu verändern. Es ist hier zu bemerken, daß bei einer Änderung des Neigungswinkels der Taumelscheibe 40 die Taumel- oder Schaukelbewegung der Taumelscheibe 40 vermittels eines Verschwenkens des kugelförmigen Lagerorgans 52b, der Gleitbewegung des Verbindungszapfens 52c mit Bezug zum kugelförmigen Lagerorgans 52b und der Gleitbewegung des Hülsengliedes 48 auf der Antriebswelle 20 bewirkt wird. Ferner ist das Zentrum des kugelförmigen Lagerorgans 52b imstande, als ein Drehpunkt zu wirken, um den der drehbare Taumelkopf 44 schaukelt. Das heißt mit anderen Worten, daß die halbkugelförmigen Gleitbacken 42a sowie das kugelförmige Lagerorgan 52b im wesentlichen konstant - unabhängig von dem Neigungswinkel der Taumelscheibe 40 - auf dem gedachten Zylindermantel liegen, der durch die kreisförmige Verbindung aller Mittellinien CL der Zylinderbohrungen 14 aufgespannt wird. Das bewirkt, daß eine stetige, ruhige Einstellung oder Einregelung des Neigungswinkels der Taumelscheibe 40 erhalten werden kann und auch eine genaue Regelung der Kompressionsleistung ermöglicht wird.
Die Fig. 4 zeigt eine Abwandlung der oben beschriebenen ersten Ausführungsform, wobei ein Verbindungselement 52′ eine den Verbindungszapfen 52c verschiebbar aufnehmende Führungshülse 52a′ sowie ein Paar von Lagerzapfen 52b′, die sich von entgegengesetzten Seiten der Führungshülse 52a′ aus erstrecken, umfaßt und in dem Vorsprung 50a der drehenden Mitnehmerplatte 50 drehbar gelagert ist.
Die Fig. 5 zeigt einen Taumelscheiben-Kompressor mit veränderlicher Leistung in einer zweiten Ausführungsform gemäß der Erfindung. Die Anordnung und Konstruktion dieser zweiten Ausführungsform ist im wesentlichen zur ersten Ausführungsform gleichartig. Jedoch wird bei der zweiten Ausführungsform eine solche Konstruktion angewendet, daß eine Änderung im Zwischenraum zwischen dem Kolbenkopf eines jeden Kolbens 16 und der Ventilplatte 28, wenn sich der Kolben 16 in seinem oberen Totpunkt befindet, d. h. eine Änderung im OT-Zwischenraum, am kleinsten gemacht wird, so daß folglich eine Verminderung im Kompressionswirkungsgrad wie auch die Erzeugung von Geräuschen verhindert werden. Bei dieser zweiten Ausführungsform wird nämlich ein Versetzungswinkel α, der als eine Winkelabweichung der Mittelachse des Verbindungszapfen 52c von einer zur Taumelscheibe 40 parallelen Ebene bestimmt wird, so festgesetzt, daß ein Wert des OT-Zwischenraumes TC einen optimalen Wert annimmt, wenn die Taumelscheibe 40 sich in den Positionen des maximalen und des minimalen Neigungswinkels Rmax und Rmin befindet. Wenn der Neigungswinkel R der Taumelscheibe 40 sich zwischen den Positionen des maximalen und des minimalen Neigungswinkels Rmax bzw. Rmin ändert, wird deshalb eine Änderung im OT-Zwischenraum TC am kleinsten gemacht, wie noch beschrieben werden wird.
Gemäß Fig. 6 wird angenommen, daß ein X- und Y-Koordinatensystem, das eine längs der Stirnfläche des Zylinderblocks 12 verlaufende X-Achse und eine längs der Mittelachse der Antriebswelle 20 verlaufende Y-Achse hat, so bestimmt wird, daß es in einer Querschnittsebene des Kolbens 16 liegt. Hierbei werden die Koordinatenwerte des Zentrums des kugelförmigen Lagerorgans 52b, d. h. der Drehpunkt P des Verbindungszapfens 52c, als Px sowie Py ausgedrückt, während der Wert der Y-Koordinate des Punkts Q, an welchem eine auf der Kompression des Kühlgases beruhende Reaktionskraft auf die Taumelscheibe 40 wirkt, als h₀ ausgedrückt wird.
Ferner wird der Abstand zwischen dem erwähnten Punkt Q und der Mittelachse der Antriebswelle 20, d. h. die Y-Achse längs einer Linie, welche sich rechtwinklig vom Punkt Q zur Y-Achse erstreckt, als BP ausgedrückt. Der Abstand zwischen dem Schaukelzentrum des drehbaren Taumelkopfes 44 und der Mittelachse des Verbindungszapfens 52c längs einer Linie, die sich vom Schaukelzentrum rechtwinklig zur Fläche der Taumelscheibe 40 erstreckt, wird mit L bezeichnet. Der OT-Zwischenraum TC kann dann durch die folgende Gleichung bestimmt werden:
TC = Py-h-h₀ (1)
Nach der Darstellung der Fig. 6 kann h durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:
h=h₁+h₂+h₃ (2)
Ferner wird aus der Fig. 6 deutlich, daß h₁, h₂ und h₃ durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt werden können:
h₁=BP tg R (3-1)
h₂=L cos R (3-2)
h₃=(Px-L sin R (α-R) (3-3)
Deshalb wird, wenn die Gleichungen (2), (3-1), (3-2) und (3-3) in die Gleichungen (1) substituiert werden, die folgende Gleichung (4) aufgestellt werden:
TC=Py-h₀-[BP tg R+L cos R+ (Px-L sin R) tg (α-R)] (4)
Weil
tg (α-R)=(tgα-tgR)/(1+tgα · tgR),
kann die Gleichung (4) in die folgende Gleichung umgeschrieben werden:
(Py-h₀-BP tgR-TC) (1+tgα · tgR)
=L cosR (1+tgα · tgR)+(Px-L sinR)(tgα-tgR)
=L cosR+L sinR · tgα+Px tgα-Px tgR- L sinR · tgα+L sinR · tgR.
Somit ist
Py-h₀-BP tgR-TC+Px tgR= [Px-(Py-h₀-BP tg R-TC) tgR]tgα+L/cosR.
Ferner wird die folgende Gleichung erhalten:
(Py-h₀-BP tgR-TC+Px tgR) cosR
=[Px cosR-(Py-h₀-BP tgR-TC) sinR] tgα+L (5)
In dieser Stufe müssen, um eine Veränderung des OT-Zwischenraumes TC der jeweiligen Kolben in Abhängigkeit von einer Änderung im Neigungswinkel der Taumelscheibe von der Position des maximalen Neigungswinkels Rmax zur Position des minimalen Neigungswinkel Rmin auszuführen, die folgenden Bedingungen erfüllt werden:
Wenn R=Rmax, TC=0 (6-1)
wenn R=Rmin, TC=0 (6-2)
Wenn die Bedingungen (6-1) und (6-2) in die obige Gleichung (5) substituiert werden, so werden die folgenden Gleichungen erhalten:
a₁=a₂ tgα+L (7-1)
b₁=b₂ tgα+L (7-2)
worin ist:
a₁=(Py-h₀-BP tgRmax +Px tgRmax) · cosRmax (8-1)
a₂=Px cosRmax-(Py-h₀ -BP tgRmax) · sin Rmax (8-2)
b₁=(Py-h₀-BP tgRmin + Px tgRmin) · cos Rmin (8-3)
b₂=Px cosRmin-(Py-h₀ -BP tgRmin) · sinRmin (8-4)
Demzufolge werden erhalten:
α=tg-1 [a₁-b₁)/(a₂-b₂)] (9-1)
und
L=(a₂b₁-a₁b₂)/(a₂-b₂) (9-2)
Da in dem Taumelscheiben-Kompressor mit veränderlicher Leistung nach der Fig. 5 die Position des Drehpunkts P (Px, Py), die Koordinate h₀ der Position Q, an welcher die auf der Kompression des Kühlgases beruhende Reaktionskraft auf die Taumelscheibe wirkt, die Position des maximalen Neigungswinkels Rmax, die Position des minimalen Neigungswinkels Rmin und der Abstand BP bestimmt werden, können der optimale Versetzungswinkel α und der Abstand L auf der Grundlage der Gleichungen (9-1) und (9-2) festgesetzt werden.
Somit ist es möglich, in beiden Neigungswinkelpositionen, d. h. der maximalen und der minimalen Neigungswinkelposition, der Taumelscheibe einen optimalen OT-Zwischenraum zu bestimmen.
Die Fig. 7 zeigt einen Taumelscheiben-Kompressor mit veränderlicher Leistung in einer dritten Ausführungsform gemäß der Erfindung.
Bei diesem Kompressor ist die Taumelscheibe 40 mit ringförmigen Führungskeilen 40a an ihren einander entgegengesetzten Seiten versehen, und ein Gleitbackenmechanismus 42 umfaßt ein Paar von inneren Gleitbacken 42a und äußeren Gleitbacken 42b. Jeder innere Gleitbacken ist mit einer inneren ebenen Fläche versehen, die eine Keilnut besitzt, welche verschiebbar mit dem zugeordneten ringförmigen Führungskeil 40a in Eingriff ist, und jeder Gleitbacken besitzt eine äußere sphärische Konvexfläche, die mit einer inneren sphärischen Konkavfläche des zugeordneten äußeren Gleitbackens 42b gleitend in Anlage ist. Die äußeren sphärischen Konvexflächen der Gleitbacken 41b sind gleitend mit zylindrischen Flächen 16c, die in der Aussparung 16b des Ansatzes 16a eines jeden Kolbens 16 ausgebildet sind, in Berührung. Wenn die Taumelscheibe 40 gedreht wird, d. h. die Kolben 16 hin- und herbewegt werden, so können sich folglich die jeweiligen Gleitbackenmechanismen 42 in einer radialen Richtung mit Bezug zu den jeweiligen Kolben 16 verlagern. Trotzdem wird die Taumelscheibe 40 gegen eine radiale Bewegung mit Bezug zu den jeweiligen Gleitbackenmechanismen 42 gehindert, und deshalb wird eine Drehung der Taumelscheibe 40 ruhig und störungsfrei in eine Hin- und Herbewegung der jeweiligen Kolben umgesetzt. Wenngleich die Gleitbackenmechanismen 42 eine Verlagerung in radialer Richtung mit Bezug zu den Kolben 16 ausführen können, so ist die Größe dieser Verlagerung extrem gering. Insofern ist es berechtigt zu sagen, daß die Gleitbackenmechanismen 42 und die Verbindungselemente 52 konstant im wesentlichen in fluchtender Lage mit der Mittelachse der jeweiligen Kolben 16 angeordnet sind. Sind die Kolben 16 in ihrem Kompressionshub, so kann folglich die auf der Kompression beruhende und auf die Taumelscheibe 40 über die jeweiligen Kolben einwirkende Reaktionskraft daran gehindert werden, ein Drehmoment zu erzeugen, das um das Zentrum der kugelförmigen Lagerorgane 52b herum auf den drehbaren Taumelkopf 44 wirkt.
In Übereinstimmung mit der dritten Ausführungsform kann ein Versetzungswinkel α des Verbindungszapfens 52c der Verbindungselemente oder -mittel 52 mit Bezug zur Taumelscheibe 40 in einer solchen Weise festgesetzt werden, daß der OT-Zwischenraum TC einen optimalen Wert annimmt, wenn der Neigungswinkel R der Taumelscheibe 40 maximale und minimale Werte Rmax sowie Rmin annimmt. Das wird im folgenden erläutert.
In Fig. 8 ist gleichartig zur Fig. 6 ein X- und Y-Koordinatensystem bestimmt, das in einem Querschnitt des Kolbens 16 liegt und eine X-Achse, die sich längs der Stirnfläche des Zylinderblocks 12 erstreckt, und eine Y-Achse, die längs der Mittelachse der Antriebswelle 20 verläuft, umfaßt.
Die Koordinate des Zentrums des kugelförmigen Lagerorgans 52b, d. h. der Drehpunkt des Verbindungszapfens 52c, wird dann im X- und Y-Koordinatensystem als Px sowie Py ausgedrückt, und die Y-Koordinate des Wirkungspunkts Q, in welchem die auf der Kompression des Kühlgases beruhende Reaktionskraft auf die Taumelscheibe 40 über die jeweiligen Kolben 16 wirkt, kann als h₀ ausgedrückt werden.
Ferner wird der Abstand zwischen dem Schaukelzentrum des drehenden Taumelkopfes 44 und dem Wirkungspunkt Q der Reaktionskraft mit R bezeichnet. Der Abstand zwischen dem Schaukelzentrum des drehbaren Taumelkopfes 44 und der Mittelachse des Verbindungszapfens 52c längs einer Linie, die sich rechtwinklig von dem genannten Schaukelzentrum des Taumelkopfes zur Fläche der Taumelscheibe erstreckt, wird als L ausgedrückt.
Der OT-Zwischenraum TC wird dann durch die folgende Gleichung angegeben:
TC=Py-h-h₀ (10)
Hierbei ist aus der Darstellung der Fig. 8 ersichtlich, daß h durch die folgende Gleichung wiedergegeben werden kann:
h=h₁+h₂+h₃ (11)
Ferner können gemäß der Fig. 8 für h₁, h₂ und h₃ die folgenden Gleichungen aufgestellt werden:
h₁=R sinR (12-1)
h₂=L cosR (12-2)
h₃=(Px-L sinR) · tg (α-R) (12-3)
Wenn diese Gleichungen (11), (12-1), (12-2 und (12-3) in die Gleichung (10) substituiert werden, wird folglich die nachstehende Gleichung erhalten:
TC=Py-h₀ [(R sinR+L cosR) +(Px-L sinR) · tg (α-R)] (13)
Es ist hier zu bemerken, daß, weil eine Gleichung
tg (α-R) =(tgα-tgR)/(1+tgα · tgR)
aufgestellt werden kann, die obige Gleichung (13) folgendermaßen umgeformt werden kann:
(Py-h₀-R sinR-TC) (1+tgα · tgR)
=L cosR+L sinR · tgα)+(Px tgα
-L sinR · tgα-Px tgR · L sinR · tgR
deshalb wird
Py-h₀-R sinR-TC+Px tgR
=[-Px-(Py-h₀-R sinR-TC) · tgR]. tgα+L/cosR
Auch ist
(Py-h₀-R sinR-TC+Px tgR) cosR
=[Px cosR-(Py-h₀-R sinR-TC) · sinR] · tgR+L (14)
Um die Änderung des OT-Zwischenraumes TC zu minimieren, wenn der Neigungswinkel R der Taumelscheibe von der Position des maximalen Neigungswinkels Rmax zur Position des minimalen Neigungswinkels Rmin verändert wird, sollten in dieser Stufe die folgenden Gleichungen erfüllt werden:
wenn R=Rmax, TC=0 (15-1)
wenn R=Rmin, TC=0 (15-2)
Wenn die Gleichungen (15-1) und (15-2) in die Gleichung (14) substituiert werden, werden folglich die nachstehenden Gleichungen erhalten:
a₁=a₂ tgα+L (16-1)
b₁=b₂ tgα+L (16-2)
Es werden jedoch die folgenden Gleichungen aufgestellt:
a₁=(Py-h₀-R sinRmax +Px tgRmax) · cosRmax (17-1)
a₂=Px cosRmax-(Py-h₀ -R sinRmax) · sinRmax (17-2)
b₁=(Py-h₀-R sinRmin + Px tgRmin) · cosRmin (17-3)
b₂=Px cosRmin-(Py-h₀ -R sinRmin) · sinRmin (17-4)
Demzufolge werden die folgenden Gleichungen erhalten:
α=tg-1 [a₁-b₁)/(a₂-b₂)] (18-1)
L=(a₂b₁-a₁b₂)/(a₂-b₂) (18-2)
Wenn der Drehpunkt P (Px, Py), die Koordinate h₀ des Wirkungspunktes Q der Reaktionskraft, die Position des maximalen Neigungswinkels Rmax der Taumelscheibe, die Position des minimalen Neigungswinkels Rmin der Taumelscheibe und der Abstand R in derselben Weise wie bei der obigen zweiten Ausführungsform auf der Grundlage der angegebenen Gleichungen (17-1), (17-2), (17-3) und (17-4) bestimmt werden, können der optimale Versetzungswinkel α und der optimale Abstand L durch die obigen Gleichungen (18-1) und (18-2) festgesetzt werden. Somit kann der OT-Zwischenraum TC bei der kleinsten wie auch bei der größten Kompressionsleistung optimal gemacht werden.
Wenn beispielsweise Px=33 mm, Py=87 mm, h₀=mm, Rmax=22°, Rmin=3,133° und R=36 mm sind, dann können α=16,33° sowie L=23,63 mm erhalten werden, und die Beziehung zwischen dem Winkel R(°) der Neigung der Taumelscheibe sowie dem OT-Zwischenraum TC (mm) eines jeden Kolbens ist in Fig. 9 gezeigt.
Zum Vergleich ist die Beziehung zwischen dem Neigungswinkel (°) und dem OT-Zwischenraum TC (mm), wenn der Versetzungswinkel α die oben genannten Bedingungen nicht erfüllt, dargestellt.
Wie durch die Kurve A in Fig. 10 gezeigt ist, wird, wenn der Versetzungswinkel α derart festgesetzt wird, daß der OT-Zwischenraum TC ein Optimum bei der geringsten Kompressionsleistung erreicht, der OT-Zwischenraum bei der maximalen Kompressionsleistung stark vergrößert mit dem OT-Zwischenraum bei der kleinsten Kompressionsleistung. Ferner wird, wie durch die Kurve B in Fig. 10 gezeigt ist, wenn der OT-Zwischenraum TC so festgesetzt wird, daß er bei der größten Kompressionsleistung optimal wird, der OT-Zwischenraum TC bei der kleinsten Kompressionsleistung sehr vergrößert im Vergleich mit dem optimalen Wert des OT-Zwischenraumes TC.
Die Kurve E in Fig. 10 ist der in Fig. 9 gezeigten Kurve ähnlich, und deshalb wird der OT-Zwischenraum TC sowohl bei der größten als auch der kleinsten Kompressionsleistung optimal gemacht.
Wie ferner aus der Darstellung der Fig. 10 hervorgeht, ist der größte OT-Zwischenraum TC im Fall der Kurve E mit Bezug auf eine Änderung in der Kompressionsleistung von der kleinsten zur größten hin kleiner als im Fall der Kurven A und B. Deshalb kann eine Änderung im OT-Zwischenraum TC lediglich innerhalb von etwa 0,285 mm liegen. Das bedeutet, daß dann, wenn eine Änderung im OT-Zwischenraum TC im Ansprechen auf eine Änderung in der Kompressionsleistung klein gemacht wird, ein Anstieg in der Kompressionsleistung erhalten werden kann.
Durch die Erfindung wird somit ein Taumelscheiben-Kompressor mit veränderlicher Leistung offenbart, der ein Gehäuse und einen in diesem angeordneten Zylinderblock besitzt, wobei der Zylinderblock mit radial mit Bezug zur Mittelachse des Gehäuses und gleich beabstandet zueinander angeordneten Zylinderbohrungen versehen ist, in denen jeweils ein Kolben verschiebbar aufgenommen ist. Eine Antriebswelle ist in einer Kurbelkammer längs der Mittelachse des Gehäuses angeordnet und trägt eine Taumelscheibe, die um eine zur Längsachse der Antriebswelle rechtwinklige Achse schaukeln kann. Zwischen der Taumelscheibe und den Kolben sind Gleitelemente vorhanden, die eine Taumelscheibendrehung in eine Hin- und Herbewegung der Kolben umwandeln. An der Antriebswelle ist eine drehende Mitnehmereinrichtung befestigt, die ein Lagerorgan für eine Übertragung einer Drehung der Mitnehmereinrichtung auf die Taumelscheibe trägt. Das Lagerorgan ist mit einem von der Taumelscheibe ausgehenden und im Lagerorgan gleitend aufgenommenen Verbindungszapfen versehen. Die Gleitelemente und das Lagerorgan sind im wesentlichen fluchtend mit den Mittellinien der jeweiligen Kolben angeordnet, und diese Anordnung bleibt auch dann unverändert, wenn ein Neigungswinkel der Taumelscheibe verändert wird, um die Kompressionsleistung der Kolben zu variieren.

Claims (4)

1. Taumelscheibenkompressor mit
  • - einer Taumelscheibe (40) mit veränderbarem Anstellwinkel, die mit in Zylinderbohrungen (14) geführten Kolben (16) über einen Gleitbackenmechanismus (42) in Wirkverbindung steht,
  • - einer, über eine Antriebswelle angetriebene Mitnehmerplatte (50), die über Verbindungsmittel (52) einen, die Taumelscheibe (40) haltenden Taumelkopf (44) dreht,
  • - einem, in dem Verbindungsmittel (52) angeordneten Lagerorgan (52b), das bei Drehung der Mitnehmerplatte (50) auf einem gedachten Zylindermantel umläuft, der durch die kreisförmige Verbindung aller Mittellinien (CL) der Zylinderbohrungen (14) aufgespannt wird und
  • - einen, vom Taumelkopf (44) aus sich erstreckenden sowie gleitend in dem Lagerorgan (52b) geführten Verbindungszapfen (52c),
dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse des Verbindungszapfens (52c) unter einem Versetzungswinkel (α) mit Bezug zur Längsachse der Taumelscheibe (40) derart angeordnet ist, daß die OT-Kompressionsräume (TC), die bei der oberen Totpunktstellung eines jeden der Kolben (16) ausgebildet werden, bei maximaler sowie bei minimaler Schrägstellung der Taumelscheibe (40) gleich groß sind.
2. Taumelscheibenkompressor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Versetzungswinkel (α) durch eine der folgenden Gleichungen bestimmt ist: α=tg-1 [a₁-b₁)/(a₂-b₂)]
L=(a₂b₁-a₁b₂)/(a₂-b₂),
a₁=(Py-h₀-BP tgRmax +Px tgRmax) · cosRmax,
a₂=Px cosRmax-(Py-h₀ -BP tgRmax) · sinRmax,
b₁=(Py-h₀-BP tgRmin + Px tgRmin) · cos Rmin,
b₂=Px cosRmin-(Py-h₀ -BP tgRmin) · sinRminworin Px und Py jeweils eine X- sowie eine Y-Koordinate eines Drehpunkts (P) des Verbindungszapfens (52c) angeben, wenn das X- und Y-Koordinatensystem als in einer Querschnittsebene liegend bestimmt ist sowie eine längs einer Stirnfläche des Zylinderblocks (12) verlaufende X-Achse und eine längs der Mittelachse der Antriebswelle (20) verlaufenden Y-Achse hat, h₀ eine Y-Koordinate eines Wirkungspunkts (Q) mit einer Reaktionskraft der Kompressionsarbeit der Kolben bezeichnet, BP den rechtwinkligen Abstand zwischen dem Wirkungspunkt (Q) und der Y-Achse des X-Y-Koordinatensystems angibt. L den Abstand zwischen einem Schaukelzentrum der Taumelscheibe (40) und einer Mittellinie des Verbindungszapfens (52c) längs einer sich vertikal von dem Schaukelzentrum der Taumelscheibe zur Fläche der Taumelscheibe verlaufenden Linie bezeichnet, Qmax den maximalen Wert eines Neigungswinkels der Taumelscheibe (40) angibt und Amin den minimalen Wert eines Neigungswinkels der Taumelscheibe bezeichnet.
3. Taumelscheibenkompressor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Versetzungswinkel (α) durch eine der folgenden Gleichungen bestimmt ist: α=tg-1 [a₁-b₁)/(a₂-b₂)]
L=(a₂b₁-a₁b₂)/(a₂-b₂),
a₁=(Py-h₀-R sinRmax +Px tgRmax) · cosRmax,
a₂=Px cosRmax-(Py-h₀ -R sinRmax) · sinRmax,
b₁=(Py-h₀-R sinRmin + Px tgRmin) · cos Rmin,
b₂=Px cosRmin-(Py-h₀ -R sinRmin) · sinRminworin Px und Py jeweils eine X- sowie eine Y-Koordinate eines Drehpunkts (P) des Verbindungszapfens (52c) angeben, wenn das X- und Y-Koordinatensystem als in einer Querschnittsebene liegend bestimmt ist sowie eine längs einer Stirnfläche des Zylinderblocks (12) verlaufende X-Achse und eine längs der Mittelachse der Antriebswelle (20) verlaufende Y-Achse hat, h₀ eine Y-Koordinate eines Wirkungspunkt (Q) mit einer Reaktionskraft der Kompressionsarbeit der Kolben bezeichnet, R den Abstand zwischen einem Schaukelzentrum der Taumelscheibe (40) und dem Wirkungspunkt (Q) angibt, L den Abstand zwischen einem Schaukelzentrum der Taumelscheibe (40) und einer Mittellinie des Verbindungszapfens (52c) längs einer sich vertikal von dem Schaukelzentrum der Taumelscheibe zur Fläche der Taumelscheibe verlaufenden Linie bezeichnet. Rmax den maximalen Wert eines Neigungswinkels der Taumelscheibe (40) angibt und Rmin den minimalen Wert eines Neigungswinkels der Taumelscheibe bezeichnet.
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