DE4421710C2

DE4421710C2 - Taumelscheibenkompressor und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE4421710C2
Application number: DE4421710A
Authority: DE
Inventors: Hiromi Nagata; Yuji Kaneshige; Masaaki Nishimoto; Hayato Ikeda; Nobuhiro Ishizaka
Original assignee: Toyoda Jidoshokki Seisakusho KK; Toyoda Automatic Loom Works Ltd
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 1993-06-21
Filing date: 1994-06-21
Publication date: 1998-09-03
Anticipated expiration: 2014-06-22
Also published as: KR950001100A; KR100191960B1; JP2740112B2; CN1101701A; US5845560A; JPH0719163A; DE4421710A1; TW336693U; CN1042167C

Description

Die Erfindung betrifft einen Taumelscheibenkompressor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, beispielsweise für ei ne Kraftfahrzeugklimaanlage, sowie ein Verfahren zum Herstel len eines solchen Kompressors.

Speziell befaßt sich die Erfindung mit einer Verbesserung der mechanischen Festigkeit und der Abriebfestigkeit in einem Lagerbereich zur Aufnahme einer Druckbelastung durch die Taumelscheibe.

In Fig. 1 der Zeichnung ist ein Taumelscheibenkompressor (nachstehend einfach nur als Kompressor bezeichnet), darge stellt, wie er beispielsweise in Kraftfahrzeugklimaanlagen in weitem Umfang eingesetzt wird. Ein solcher Kompressor ist in der JP-OS (Kokai) 62-51776 beschrieben und umfaßt eine Taumel scheibe 16, die auf einer Antriebswelle 14 montiert ist, die von zwei Zylinderblöcken 10, 12 gehaltert wird. Die Taumel scheibe 16 und Drucklager 20, die zu beiden Seiten derselben vorgesehen sind, werden sicher gehaltert, wenn die beiden Zylinderblöcke 10, 12 und zwei auf deren Außenseite vorgese hene Gehäuse 22 bzw. 24 mittels durchgehender Schraubbolzen 26 miteinander verspannt werden.

Wie in der vergrößerten Darstellung gemäß Fig. 2 gezeigt, wo ein Teilstück des Kompressors mit einem der Drucklager 20 dargestellt ist, umfaßt das Drucklager 20 einen inneren Ring 20a, der auf die Antriebswelle 14 aufgeschoben ist, wobei zwischen den beiden Bauteilen ein vorgegebener Preßsitz bzw. eine vorgegebene gegenseitige Einwirkung hergestellt wird. Ein äußerer Ring 20b des Drucklagers 20 ist mit einem vorge gebenen Spiel auf die Antriebswelle 14 aufgesetzt. Ferner sind zwischen den beiden Ringgen 20a, 20b nadelförmige Rollen bzw. Wälzkörper 20c angeordnet. An einem druckaufnehmenden Bereich 12a des Zylinderblockes 12 ist rund um die Antriebs welle 14 eine ausgedehnte Kontaktfläche 12b vorgesehen, wobei die Kontaktfläche 12b so ausgebildet ist, daß der äußere Ring 20b im Bereich seines inneren Durchmessers in Kontakt mit der Kontaktfläche 12b gebracht werden kann. Aufgrund des vorste hend beschriebenen Aufbaus wird ein äußerer Teil der Kontakt fläche 12b in eine zurückgesetzte Fläche 12c überführt, die stufenförmig zurückgesetzt ist. Ein druckaufnehmender Teil 10a (Fig. 1) ist in derselben Weise ausgebildet. Andererseits ist eine ausgedehnte Kontaktfläche 16b an einer Nabe 16a der Taumelscheibe 16 vorgesehen. Dabei ist die Kontaktfläche 16b derart ausgebildet, daß mit ihr ein am äußeren Durchmesser liegender Teil des inneren Ringes 20a in Kontakt gebracht werden kann. Bei der vorstehend beschriebenen Konstruktion ist ein innerer Teil der Kontaktfläche 16b als stufenförmig zurückgesetzte Entlastungsfläche 16c ausgebildet.

Wenn die beiden Gehäuse 22, 24 und die beiden Zylinderblöcke 10, 12, wie in Fig. 1 gezeigt, fest miteinander verspannt werden, um die Taumelscheibe 16 in ihrer Lage zu halten, wird der dadurch erzeugte Preßsitz in axialer Richtung von der pa rallelen Deformation des inneren und des äußeren Ringes 20a bzw. 20b des Drucklagers 20 aufgenommen. Eine im Betrieb des Kompressors durch die Kompression des gasförmigen Kältemittels erzeugte Reaktionskraft, die bei sich drehender Taumelscheibe 16 als Druckkraft auftritt, wird ebenfalls von dem Drucklager 20 aufgenommen.

Wie aus Fig. 1 und 2 deutlich wird, ist der äußere Ring 20b des Drucklagers 20 jedoch im Bereich des äußeren Teils seiner Außenfläche und im Bereich des inneren Teils seiner Innenflä che nicht eingespannt. Weiterhin sind die Kontaktbereiche, an denen jeweils der äußere Ring 20b die druckaufnehmenden Be reiche 10a, 12a berührt, wie oben beschrieben, relativ klein. Daher hat der äußere Ring 20b die Tendenz, sich aufgrund der Rollreibung mitzudrehen. Außerdem hat der äußere Ring 20b die Tendenz, einer schwankenden exzentrischen Bewegung unterwor fen zu sein. Bei einer langen Betriebszeit oder unvollständi ger Schmierung werden die druckaufnehmenden Bereiche 10a, 12a der Zylinderblöcke 10, 12, die üblicherweise aus einer Alumi niumlegierung, wie z. B. ADC 12 gemäß dem japanischen Indu striestandard JIS H 5302, 1990 bestehen, schnell abgenutzt, wobei sich an dem Kompressor für die Druckkräfte ein Spiel ergibt, da der äußere Ring 20b aus einem hochwertigen Kohlen stoff-Chrom-Lagerstahl hergestellt ist. Die Aluminiumlegie rung ADC 12 enthält 1,5 bis 3,5% Cu, 9,6 bis 12,0% Si, bis zu 0,3% Mg, bis zu 1,0% Zn und bis zu 1,3% Fe.

Zur Überwindung dieses Nachteils wurde die Herstellung der Zylinderblöcke 10, 12 aus einer Aluminiumlegierung geprüft, wie sie in dem JP-GM (Kokoku) 4-41261 offenbart ist. Diese Legierung umfaßt 4,0 bis 5,0 Gew.-% Cu, 13,5 bis 15,5 Gew.-% Si, 0,5 Gew.-% oder weniger Mg, 1,0 Gew.-% oder weniger Zn, 1,3 Gew.-% oder weniger Fe und im übrigen Al. Gemäß der zi tierten japanischen Gebrauchsmusterschrift ist der Silizium gehalt der Aluminiumlegierung höher als bei der konventionel len Aluminiumlegierung. Daher kann davon ausgegangen werden, daß die Härte des druckaufnehmenden Bereichs des Zylinder blockes verbessert werden kann, so daß ein Abrieb an dem druckaufnehmenden Bereich verhindert werden könnte.

Es zeigte sich jedoch, daß beim Arbeiten unter hoher Last auch bei Verwendung der vorstehend angegebenen Aluminiumle gierung keine befriedigende Verschleißfestigkeit erreicht werden kann. Wenn andererseits der Si-Anteil über den in der genannten Druckschrift beschriebenen Si-Anteil der Aluminium legierung hinaus erhöht wird, wird der Gießvorgang schwierig, so daß die Herstellungskosten ansteigen.

Aus der DE 39 04 240 A1 ist ein Taumelscheibenkompressor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt.

Aus der JP 51-119 609 A ist eine Aluminiumlegierung bekannt, die 1 bis 4% Cu, 6 bis 15% Si und 0,1 bis 0,6% Mg enthält.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verschleiß des druckaufnehmenden Bereichs zu verhindern, ohne die Herstellungskosten zu erhöhen, und zwar selbst dann, wenn sich der äußere Lagerring gemeinsam mit angrenzenden Teilen dreht und dabei eine schwankende exzentrische Bewegung aus führt.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch den Tau melscheibenkompressor gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung ist Gegenstand von Anspruch 2.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nach stehend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert. Es zei gen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen konventionel len Taumelscheibenkompressor;

Fig. 2 einen vergrößerten Teilschnitt des Taumel scheibenkompressors gemäß Fig. 1 mit den we sentlichen Lagerkomponenten; und

Fig. 3 eine grafische Darstellung zur Erläuterung des Zusammenhangs zwischen dem Cu-Gehalt und der Größe des entstehenden Verschleißes.

Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Gemäß der vorliegenden Erfindung gelingt es, einen Verschleiß des druckaufnehmenden Bereichs zu vermeiden, ohne die Herstel lungskosten zu erhöhen, und zwar selbst dann, wenn sich der äußere Ring gemeinsam mit den angrenzenden Bauteilen dreht und dabei eine schwankende exzentrische Bewegung ausführt.

Die Aluminiumlegierung gemäß vorliegender Erfindung enthält weniger Cu als die in dem JP-GM (Kokoku) Nr. 4-41261 beschrie bene Aluminiumlegierung.

Daher wird eine relativ weiche Matrix gebildet. Bei einem Zylinderblock aus der Aluminiumlegierung gemäß vorliegender Erfindung, haben die primären Si-Kristalle, welche jeweils unabhängig voneinander über den druckaufnehmenden Bereich vorstehen, die Tendenz von dem äußeren Ring des Drucklagers, welcher in Kontakt mit dem druckaufnehmenden Bereich gelangt, in das Basismaterial gedrückt zu werden. Die primären Si-Kri stalle werden folglich ohne weiteres auf ein gleichmäßiges Niveau gebracht. Infolgedessen können bei dem betrachteten Kompressor die Einwirkung und die Druckbelastung, die durch den äußeren Ring des Drucklagers aktiviert werden, in geeig neter Weise durch eine große Zahl von primären Si-Kristallen aufgenommen werden, und die gemeinsame Dreh- und Exzenter bewegung kann in geeigneter Weise durch eine große Zahl von primären Si-Kristallen abgestützt werden, wenn der Kompressor unter hoher Belastung arbeitet.

Der Si-Gehalt der Aluminiumlegierung gemäß vorliegender Er findung ist nicht so hoch, daß die mechanische Bearbeitung und das Gießen dadurch erschwert würden.

Die chemische Zusammensetzung der Aluminiumlegierung gemäß vorliegender Erfindung wird nachstehend beschrieben werden.

Für den Fall, daß der Cu-Anteil niedriger als 1,5 Gew.-% ist, wird die Matrix mit Ausnahme der primären Si-Kristalle oder eutektischer Si-Kristalle zu weich, und es wird schwierig, die Festigkeit zu gewährleisten. Wenn andererseits der Cu-An teil höher als 3,5 Gew.-% ist, wird die Matrix hart, und es wird schwierig, die gemäß der Erfindung angestrebten Wirkun gen zu erreichen.

Für den Fall, daß der Si-Anteil geringer ist als 13 Gew.-% ergibt sich eine zu der ADC12-Legierung, ähnliche Legierung, und die Menge der primären Si-Kristalle ist gering, so daß es schwierig ist, die angestrebte Abriebfestigkeit und die ge wünschte mechanische Festigkeit zu erreichen. Wenn anderer seits der Si-Anteil die Menge von 16 Gew.-% überschreitet, wird die Gießfähigkeit verschlechtert. Außerdem wird das Ma terial spröde und ist schlechter mechanisch zu bearbeiten.

Zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften werden Mg, Zn und Fe in den Mengen zugesetzt, die üblicherweise verwendet werden. Mg verbessert die mechanische Festigkeit und die Bearbeitbarkeit mit einem Schneidwerkzeug, und die zulässige Grenze liegt bei 0,5 Gew.-%. Zn verbessert die Gießeigen schaften, wenn es in einer Menge zugesetzt wird, die unter halb des oberen Grenzwerts von 1,0 Gew.-% liegt. Wenn Zn zu sätzlich zu Mg zugesetzt wird, kann die mechanische Festig keit verbessert werden. Fe verbessert die mechanische Festig keit, wenn es in einer Menge zugesetzt wird, die geringer ist als der obere Grenzwert von 1,0 Gew.-%. Bei dem Verfahren des Formgießens ist das Fe dahingehend wirksam, daß es das Haften des Gußteils an den Formteilen verhindert.

Mg, Zn und Fe werden als Verunreinigungen vorgesehen, die in dem Aluminiummaterial enthalten sind; die zulässigen Grenz werte müssen jedoch, wie oben beschrieben, bestimmt werden. Weitere Verunreinigungen, die als Bestandteil des Aluminium materials vorhanden sein können, wie z. B. Mn, Ni, Cr, Ti, B, Ca und Na können vorgesehen sein. Wenn diese Verunreinigungen nur in Form von Spuren vorhanden sind, die gemäß den üblichen Maßstäben zulässig sind, beeinflussen sie jedoch die vorlie gende Erfindung nicht.

Beispiel

Ein Beispiel der vorliegenden Erfindung wird nachstehend wie folgt erläutert werden:
Der Kompressor gemäß der Erfindung ist ebenso aufgebaut, wie der in Fig. 1 und 2 gezeigte konventionelle Kompressor, und zwar mit Ausnahme des Materials, aus dem der Zylinderblock besteht. Daher werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und die Erläuterung erfolgt unter Bezugnahme auf Fig. 1 und 2.

Die Zylinderblöcke 10, 12 des als Beispiel betrachteten Kom pressors bestehen aus einer Aluminiumlegierung, welche ent hält:
2,0 Gew.-% Cu (die weiteren Prozentangaben betreffen eben falls Gew.-%), 15,0% Si, 0,2% Mg, 0,5% Zn, 0,9% Fe und im übrigen Al. Mit dieser Aluminiumlegierung wird das Formgießen unter den in Tabelle 1 angegebenen Gießbedingungen durchge führt, so daß die Zylinderblöcke 10, 12 durch Monoblock- Gießen hergestellt werden.

Tabelle 1

Klemmkraft für Form	630 t
Gießtemperatur	660°C
Formtemperatur	120 bis 140°C
Arbeitsdruck	300 kg/cm²
Kolbengeschwindigkeit	2,5 bis 3,0 m/s
Abkühlzeit	8,5 s
Schlußzyklus	50 s

Da der Si-Gehalt der Aluminiumlegierung gemäß vorliegender Erfindung nicht sehr hoch ist, kann der Gießvorgang, wie dies anhand der Gieß- und Formtemperaturen gemäß Tabelle 1 deut lich wird, leicht durchgeführt werden.

Die allgemeinen Eigenschaften der Aluminiumlegierung gemäß vorliegender Erfindung sind in Tabelle 2 für ein durch Form gießen hergestelltes Produkt angegeben.

Tabelle 2

Erstarrungsbereich	538 bis 610°C
Wärmedehnungskoeffizient	18,8 × 10⁻⁶
Zugfestigkeit	26,3 kg/mm²
Dehnung	1,0%
Schlagfestigkeit	0,4 bis 0,7 kg × m/cm³
HV-Härte	85 bis 110
Spezifisches Gewicht	2,7 g/cm³

Anhand der Zugfestigkeit, der Dehnung, der Schlagfestigkeit und der HV-Härte gemäß Tabelle 2 erkennt man, daß die Matrix mit Ausnahme der primären Siliciumkristalle in der erfin dungsgemäßen Aluminiumlegierung weicher ist als bei der Aluminiumlegierung, die in dem JP-GM 4-41261 (Kokoku) beschrieben ist.

Der Grund hierfür besteht darin, daß der Cu-Gehalt der Alu miniumlegierung gemäß vorliegender Erfindung niedriger ist als derjenige, der im genannten Stand der Technik beschrie benen Aluminiumlegierung.

Auswertung

Als Vergleichsbeispiel wurde ein Kompressor hergestellt, bei dem die Zylinderblöcke 10, 12 aus der Aluminiumlegierung ge mäß der JP-GM 4-41261 (Kokoku) bestanden, während seine Teile im übrigen ebenso ausgebildet waren, wie bei dem erfindungs gemäßen Kompressor. Unter Verwendung des Kompressors gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung und des Kompressors ge mäß dem Vergleichsbeispiel wurde ein Dauerlaufversuch ausge führt, und zwar im nicht geschmierten Zustand, während die Laufgeschwindigkeit für 100 h bei 700 Upm gehalten wurde. Die äußeren Ringe 20b der Drucklager 20 jedes der Kompressoren waren aus dem Material SUJ2 gemäß dem japanischen Industrie standard (JIS G4805, 1965) hergestellt. Nach Beendigung des Prüflaufs wurde die Größe des Abriebs (µm) der Druckaufnahme bereiche 10a, 12a der Zylinderblöcke 10, 12 dieser Kompres soren gemessen. Die Meßergebnisse sind in Tabelle 3 zusammen gefaßt.

Tabelle 3

Größe von Abrieb bzw. Verschleiß am druckaufnehmenden Bereich@	Erfindungsgemäßes Beispiel	nicht mehr als 20 µm
Vergleichsbeispiel	etwa 80 µm

Aus der Tabelle 3 läßt sich folgendes ableiten: Bei dem Kom pressor gemäß vorliegender Erfindung tritt selbst dann, wenn sich der äußere Ring gemeinsam dreht und/oder unter hoher Last exzentrische Pendelbewegungen ausführt, in dem druckauf nehmenden Bereich des Kompressors verglichen mit dem Kompres sor gemäß dem Vergleichsbeispiel nicht ohne weiteres ein Ver schleiß ein.

Der Grund hierfür läßt sich wie folgt beschreiben: Bei den Zylinderblöcken 10, 12 des Kompressors gemäß vorliegender Er findung stehen primäre Si-Kristalle unabhängig voneinander über die druckaufnehmenden Teile 10a, 12a vor, und haben die Tendenz von dem äußeren Ring 20b der Drucklager 20, der in Kontakt mit den druckaufnehmenden Bereichen gelangt, in das Basismaterial gedrückt zu werden. Folglich werden die primä ren Si-Kristalle ohne weiteres auf ein gleichmäßiges Niveau gebracht. Weiterhin sind die primären Si-Kristalle bei einer spanabhebenden Bearbeitung weniger empfänglich für ein Ab schälen bzw. Abdrehen, so daß bei einer solchen Bearbeitung der Flächenanteil zunimmt, der von den primären Si-Kristallen eingenommen wird. Da die primären Si-Kristalle nicht vorste hen, wird die Lebensdauer einer werkzeugschneide verlängert. Im Ergebnis können bei dem erfindungsgemäßen Kompressor die Einwirkungen und Druckbelastungen durch die äußeren Ringe 20b der Drucklager 20 von einer großen Anzahl von primären Si-Kristallen aufgenommen werden, und auch die gemeinsame Drehbewegung und die überlagerte Exzenterbewegung können un ter Schwerlastbedingungen in geeigneter Weise von einer großen Anzahl von primären Si-Kristallen aufgenommen werden.

Folglich werden bei einem Kompressor gemäß der Erfindung die Herstellungskosten nicht erhöht, während gleichzeitig der Ab rieb bzw. der Verschleiß an den druckaufnehmenden Teilen 10a, 12a selbst bei hoher Belastung des Kompressors verringert werden kann.

In diesem Zusammenhang wurde derselbe Verschleißtest für einen Kompressor durchgeführt, bei dem die Zylinderblöcke 10, 12 aus der konventionellen Aluminiumlegierung ADC12 herge stellt wurden. Als Ergebnis der Versuche zeigte es sich, daß der Verschleiß an den Druckaufnahmebereichen 10a, 12a bei Werten von 150 bis 180 µm lag. Bei dem als Ausführungs beispiel betrachteten Kompressor gemäß der Erfindung war der Verschleiß an den Druckaufnahmebereichen 10a, 12a dagegen ge ring, und auch der Abrieb bzw. Verschleiß an der Zylinderboh rung 8 war gering. Daher ist es nicht erforderlich, in die Zylinderbohrung eine Auskleidung einzusetzen. Folglich kann das Gewicht des Kompressors verringert und die Anzahl seiner Teile reduziert werden.

Bei dem Kompressor gemäß der Erfindung wurden folgende Effek te beobachtet: Die Höhe der Gießspannungen in den Zylinder blöcken 10, 12 war gering, und außerdem war die Änderung der Abmessungen nach dem Abbau der restlichen Spannungen gering.

Versuch

Die Zylinderblöcke 10, 12 wurden unter der Vorgabe herge stellt, daß der Cu-Gehalt auf 1 bis 4% festgelegt wurde, während im übrigen dieselben Bedingungen eingehalten wurden, wie beim Ausführungsbeispiel. Anschließend wurden die Zylin derblöcke 10, 12 zu dem Kompressor zusammengebaut.

Jeder der Kompressoren wurde in einem Dauerversuch getestet, und die Größe des Verschleißes an den druckaufnehmenden Tei len 10a, 12a wurde gemessen. Die Ergebnisse der Messungen sind in Fig. 3 dargestellt.

Aus Fig. 3 kann folgendes entnommen werden: Wenn der Cu-Anteil kleiner ist als 1,5%, ist es schwierig die mechanische Festigkeit der Zylinderblöcke 10, 12 aufrecht zuerhalten, so daß die Tendenz für das Auftreten eines Ver schleißes besteht. Wenn andererseits der Anteil des Cu 3,5% überschreitet, werden die Zylinderblöcke 10, 12 zu hart, so daß wieder die Tendenz für das Auftreten eines Verschleißes entsteht.

Aufgrund des Versuches zeigt sich, daß bei der Ausbildung ge mäß dem Patentanspruch die positiven Wirkungen der Erfindung selbst dann erzielt werden können, wenn die bei einer Massen produktion auftretenden Fehler in Betracht gezogen werden.

Wie detailliert beschrieben wurde, sind die Zylinderblöcke bei dem thermischen Kompressor gemäß vorliegender Erfindung aus der im Patentanspruch angegebenen Aluminiumlegierung zu sammengesetzt, und die Verschleißfestigkeit der druckaufneh menden Teile kann folglich selbst dann erhöht werden, wenn sich die äußeren Ringe gemeinsam drehen und eine überlagerte schwankende Exzenterbewegung ausführen, und zwar ohne daß die Fertigungskosten erhöht werden müßten.

Claims

1. Taumelscheibenkompressor mit einem Drucklager zwischen einem Nabenteil einer Taumelscheibe, die gemeinsam mit einer Antriebswelle zu einer Drehbewegung antreibbar ist, und einem den Druck des Drucklagers aufnehmenden Bereich, der an einem Zylinderblock ausgebildet ist, welcher aus einer Aluminiumlegierung besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumlegierung be steht aus: 1,5 Gew.-% Cu, 13 bis 16 Gew.-% Si, 0,5 Gew.-% oder weniger Mg, 1,0 Gew.-% oder weniger Zn, 1,0 Gew.-% oder weniger Fe und im übrigen aus Al in Form chemi scher Zusammensetzungen, und daß das Drucklager durch primäre Si-Kristalle abgestützt wird, die über den den Druck des Drucklagers aufnehmenden Bereich vorstehen, wobei die primären Si-Kristalle durch Kontakt mit dem Drucklager auf ein gleichmäßiges Niveau gebracht werden.

2. Taumelscheibenkompressor nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Aluminiumlegierung eine Vickers- Härte von 85 bis 110 aufweist.