DE4446831A1 - Kompressor der Wellennockenart - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kompressor. Insbesondere betrifft sie einen Kompressor der Wellennockenart mit einem Wellennockenkörper, der integral mit einer Drehwelle um dessen Achse drehbar ist. Die Rotation, sowie die Nockenwirkung auf die Platte wird in die Hin- und Herbewegungen von Kolben konvertiert, wodurch ein Komprimieren von Gas verursacht wird.

In einem Taumelscheibenkompressor führen die Doppelkopfkolben eine Hin- und Herbewegung entsprechend einer vollständigen Drehung der Taumelscheibe aus. Insbesondere wird ein Bewegungsdiagramm, welches indikativ für eine Drehung der Taumelscheibe ist, durch einen Zyklus einer Sinuswellenkurve repräsentiert. Dementsprechend bewirkt eine Drehung der Welle, daß ein Kolbenkopf das Kühlgas nur einmal komprimiert. Es besteht jedoch die Notwendigkeit für einen Kompressor der Taumelscheibenart, eine verbesserte Kompressionskapazität für eine einzelne Wellenumdrehung zu besitzen.

In den jüngst vergangenen Jahren wurde ein Kompressor vorgeschlagen, in dem eine Taumelscheibe durch einen Nockenkörper ersetzt wurde. Bei diesem Typ eines Kompressors wird die Drehung des Nockenkörpers in die Hin- und Herbewegung der Kolben konvertiert. Die Platte hat entweder Nockenoberflächen oder nockenförmige Nuten an dessen beiden Seiten. Ein Bewegungsdiagramm, welches eine Drehung der Platte darstellt, wird durch eine Sinuswellenkurve repräsentiert, die eine Mehrzahl von Zyklen hat. Dementsprechend bewirkt eine Drehung der Welle, daß ein Kolbenkopf, das Kühlgas mehrere Male komprimiert. Aus diesem Grunde wird die Kompressionskapazität im Vergleich zur Taumelscheibenausführung zumindest um das doppelte verbessert.

Die ungeprüfte japanische Patentoffenlegungsschrift 57- 110783 offenbart einen Kompressor mit Wälzkörpern, die zwischen den vorderen und hinteren Nockenflächen eines Nockenkörpers sowie den jeweiligen Köpfen eines Kolbens eingefügt sind. Jeder der Wälzkörper ist drehbar und dauerhaft in den Kolbenkopf eingesetzt. Die Wälzkörper bewegen sich relativ zu den Nockenflächen, wenn sich die Platte dreht. Die Neigung der Nockenfläche wird auf den entsprechenden Kolbenkopf über die Wälzkörper übertragen. Dies bewirkt, daß der Kolben in einer Zylinderbohrung basierend auf der Kurve der Nockenoberfläche hin- und her bewegt wird.

Die japanische ungeprüfte Gebrauchsmusteroffenlegungs­ schrift 63-147571 offenbart einen Kompressor mit einem Nockenkörper, an welchem Nockennuten an seiner vorderen und hinteren Oberfläche ausgebildet sind. Kolbenköpfe sind mit der Platte mittels Kugeln gekoppelt, die zwischen den Nockennuten und den Kolbenköpfen eingefügt sind.

In den vorstehend erwähnten Offenlegungsschriften bewegen sich sowohl die Wälzkörper wie auch die Kugeln, die zwischen der Nockenplatte und den Kolben eingefügt sind, relativ bezüglich der Platte. Bei diesen Konstruktionen wird der Wälzkörper oder die Kugel in einem Linienkontakt der Platte gehalten. Unter mikroskopischer Betrachtung jedoch verursacht die Deformation der Kontaktabschnitte einen flachen Kontaktbereich zwischen den Kugeln und den Wälzkörpern und der Platte. Dies verringert den Druck pro Flächeneinheit, der auf die Kugeln oder Wälzkörper sowie die Platte einwirkt. Diese Druckverringerung ist ein wichtiger Faktor, wenn die Haltbarkeit des Kompressors betrachtet wird.

Eine Verringerung des hertz′schen Kontaktdrucks kann erreicht werden durch eine Vergrößerung des flachen Kontaktabschnitts. Dies kann erreicht werden durch Vergrößerung der Länge des Kontaktabschnitts und/oder Verringerung der Krümmung des Kontaktabschnitts (Vergrößerung des Krümmungsradius). Um den Druck zu verringern, der auf den Wälzkörper und die Platte einwirkt, sollte die Länge und/oder der Durchmesser der Wälzkörper vergrößert werden. Um den Druck zu verringern, der auf die Kugel und die Platte einwirkt, sollte der Durchmesser der Kugel vergrößert werden. Da jedoch die Wälzkörper oder die Kugeln in den Kolben eingesetzt sind, wird die Länge der Wälzkörper bzw. der Durchmesser der Kugel durch die Abmessung des Kolbens beeinflußt. Aus diesem Grunde ist es notwendig, den Durchmesser des Kolbens zu vergrößern, um entweder die Länge des Wälzkörpers oder den Durchmesser der Kugel zu vergrößern. Dies macht erforderlich, einen in seinen Abmessungen vergrößerten Kompressor zu schaffen. Jedoch sind in Fahrzeugen montierte Kompressoren vorzugsweise kompakt und leicht.

Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kompressor der Wellennockenart zu schaffen, der Kompakt gehalten wird und eine verbesserte Haltbarkeit aufweist.

Zur Erreichung der vorstehend genannten Aufgabe wird ein Kompressor der Wellennockenart geschaffen. Der Kompressor hat einen Wellennockenkörper, der auf einer Drehwelle für eine integrierte Rotation montiert ist, sowie einen Kolben, der mittels eines Schuhs mit den Nockenkörper wirkverbunden ist. Der Schuh ist relativ zum Nockenkörper gemäß dessen Rotation bewegbar, wobei sich der Schuh auf einer vorbestimmten Umlaufbahn auf einer Nockenfläche bewegt, die durch den Nockenkörper geschaffen wird und wobei die Drehung der Drehwelle in eine Hin- und Herbewegung des Kolbens zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt in einer Zylinderbohrung konvertiert wird, um in die Zylinderbohrung eingeleitetes Fluid zu komprimieren. Die Nockenfläche hat ein Profil, welches einer Örtlichkeit einer vorbestimmten glatten Kurve angepaßt ist, die in einer gegebenen Ebene gezeichnet ist und in die Richtung senkrecht zu der Ebene verrückt ist, wobei ein erster Abschnitt an der Nockenoberfläche vorgesehen ist, um den Kolben zu seinem unteren Totpunkt zu bewegen und ein zweiter Abschnitt an der Kolbenoberfläche vorgesehen ist, um den Kolben zum oberen Totpunkt hin zu bewegen, wobei der zweite Abschnitt eine größere Krümmung hat als der erste Abschnitt.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, hat ein Kompressor einen Wellennockenkörper mit einer ersten Nockenfläche sowie einer zweiten Nockenfläche, die jeweils mit sich gegenüberliegenden Flächen des Nockenkörpers versehen sind, wobei der Nockenkörper auf einer Drehwelle für eine integrale Rotation montiert ist, eine Anzahl von Zylinderbohrungspaaren, die entlang einer imaginären Kreislinie angeordnet sind, die um eine Achse der Rotationswelle gezogen ist, wobei die Paare aus zwei axial sich gegenüberliegenden Zylinderbohrungen bestehen, wobei eine Anzahl von Kolben, die jeweils ein Paar von Kolbenköpfen haben, jeweils in dem zugehörigen Paar von Zylinderbohrungen untergebracht sind, sowie eine Anzahl von Schuhpaaren, die jeweils mit den Kolbenköpfen verbunden sind und relativ zu Nockenkörper gemäß dessen Rotation gleitfähig bewegbar sind, wobei die Schuhe auf vorbestimmten Umlaufbahnen gleiten, die jeweils durch jede Nockenfläche geschaffen werden, und wobei die Rotation der Drehwelle in eine Hin- und Herbewegung eines jeden Kolbens zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt in den zugehörigen Zylinderbohrungen konvertiert wird, um in die Zylinderbohrungen einströmendes Fluid zu komprimieren. Jede Nockenfläche hat ein Profil, daß einer Örtlichkeit einer vorbestimmten glatten Kurve angepaßt ist, die in einer gegebenen Ebene gezogen ist und in die Richtung senkrecht zur Ebene verrückt ist, wobei die vorbestimmte glatte Kurve zwei gerade Endlinien hat, die mit einem vorbestimmten spitzen Winkel geneigt sind und wobei ein Bogen die geraden Endlinien miteinander verbindet. Die Nockenfläche hat desweiteren eine äußere periphere Kante, die durch einen ersten Kreis definiert wird, der größer ist als und konzentrisch ist zu einem imaginären Kreis, sowie eine innere periphere Kante, die durch einen zweiten Kreis definiert wird, der kleiner ist als und konzentrisch ist zu den imaginären Kreis. Die Zylinderbohrungen haben jeweils Achsen, die sich auf einer Fläche des imaginären Zylinders erstrecken. Jede vorbestimmte Umlaufbahn ist axial und abwechselnd konvex und konkav entlang einer Fläche eines imaginären Zylinders, der die Achsen der Zylinderbohrungen verbindet. Die Nockenfläche hat zwei vorrückende Abschnitte, die mit jeder Nockenfläche dafür vorgesehen ist, die Köpfe eines jeden Kolbens zum oberen Totpunkt hin vorzuschieben und zwei Rückholabschnitte, die mit jeder Nockenfläche dafür vorgesehen sind, die Köpfe eines jeden Kolbens zum unteren Totpunkt zurück zu holen, wobei die Vorrück- bzw. Vorschubabschnitte eine größere Krümmung haben, als die Rückholabschnitte. Die vorbestimmten Umlaufbahnen sind axial ausgerichtet und um den gleichen Grad in dem gesamten Bereich des Nockenkörpers beabstandet.

Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht, die einen Kompressor gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt,

Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht, die den Kompressor entlang der Linie 2-2 gemäß der Fig. 1 zeigt,

Fig. 3 ist eine vergrößerte Seitenansicht, die einen Nockenkörper darstellt, wie er in dem Kompressor verwendet wird,

Fig. 4 ist eine vergrößerte Draufsicht, die den Nockenkörper darstellt,

Fig. 5(a) ist eine Perspektivansicht des Nockenkörpers,

Fig. 5(b) ist eine schematische Perspektivansicht, die ein Verfahren für das Herstellen des Nockenkörpers schildert,

Fig. 6 ist ein Graph, der eine Bewegungskurve auf einer flachen Oberfläche des Nockenkörpers darstellt,

Fig. 7 ist ein Graph, der eine Bewegungskurve auf einer gekurvten Oberfläche des Nockenkörpers darstellt,

Fig. 8 ist eine schematische Seitenansicht, die eine imaginäre zylindrische Fläche darstellt, welche die Achsen von Zylinderbohrungen verbindet, wobei die zylindrische Fläche eine weitere zylindrische Fläche für das Ausbilden eines Profils des Nockenkörpers kreuzt,

Fig. 9 ist ein Graph, der ein Erfordernis (J) für das gleich weitentfernte Halten zweier Schuhe an beiden Seiten des Nockenkörpers darstellt,

Fig. 10 ist ein Teilquerschnitt, der eine Modifikation des Nockenkörpers darstellt,

Fig. 11(a) ist ein Teilquerschnitt, der eine weitere Modifikation des Nockenkörpers darstellt und

Fig. 11(b) ist eine schematische Seitenansicht, die eine imaginäre zylindrische Fläche darstellt, welche Achsen von Zylinderbohrungen miteinander verbindet, die eine weitere zylindrische Bohrung für das Ausbilden eines Profils eines Nockenkörpers kreuzt.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die Fig. 1 bis 9 beschrieben.

Mit Bezug auf die Fig. 1 sind ein Paar von Zylinderblöcken 1, 2 mittels Schrauben (nicht bezeichnet) fest miteinander verbunden. Eine Drehwelle 3 ist drehbar innerhalb der Blöcke 1, 2 mittels Radiallager 4, 5 drehbar gelagert. Die Zylinderblöcke 1, 2 haben längs ausgerichtete Paare von Zylinderbohrungen 1a, 2a (fünf Paare gemäß dieses Ausführungsbeispiels), deren Achsen auf dem gleichen Kreis mit gleichen Kreiswinkelabständen positioniert sind. Eine Mittelachse L₁ einer jeden Zylinderbohrung 1a, 2a ist auf einer Phantom- bzw. gedachten zylindrischen Fläche C₀ (Fig. 2) positioniert, deren Mitte mit einer Achse L₀ der Drehwelle 3 zusammenfällt. Alle Kolben sind identisch, so daß lediglich einer im folgenden beschrieben wird. Ein Kolben 6 hat ein Paar von gegenüberliegenden Köpfen 60a, 60b, die gleitfähig innerhalb der Zylinderbohrungen 1a bzw. 2a angeordnet sind.

Ein Nockenkörper 7 ist integral auf der Drehwelle 3 montiert. Der Nockenkörper 7 hat Nockenflächen 7A, 7B an dessen vorderer (die linke Seite gemäß der Fig. 1) bzw. dessen hinterer Fläche. Schuhe 8, 9 sind zwischen den Nockenflächen 7A, 7B und den Köpfen 60a, 60b jeweils eingefügt. Jeder Kopf 60a, 60b hat jeweils einen zurückgesetzten Abschnitt 60a, 60b an seiner inneren Fläche. Jeder der Schuhe 8, 9 hat kugelförmige Flächen 8a, 9a sowie flache bzw. ebene Flächen 8b, 9b (Fig. 3). Die kugeligen Flächen 8a, 9a werden in dem zugehörigen zurückgesetzten Abschnitt 6a, 6b aufgenommen. Die ebenen Flächen 8b, 9b gleiten auf den zugehörigen Nockenflächen 7A, 7B. Die Schuhe 8, 9 sind in die zurückgesetzten Abschnitte 6a, 6b eingesetzt und folglich mit dem Kolben 6 gekoppelt. Jeder Radiusmittelpunkt Q₁, Q₂ der Schuhe 8, 9 ist in der Mitte der ebenen Flächen 8b, 9b.

Die erste und zweite Nockenfläche 7A, 7B haben Bewegungskurvenlinien F₁, F₂ für das Bestimmen des Hin- und Herbewegungszyklus des Kolbens 6. Jede der Linien F₁, F₂ krümmt sich abwechselnd axial vorwärts und rückwärts auf der zylindrischen Fläche C₀. Die Radiusmittelpunkte Q₁, Q₂ der Schuhe 8, 9 bewegen sich entlang der Bewegungskurvenlinien F₁, F₂ wobei sich die Radiusmittelpunkte Q₁, Q₂ auf der Mitte der ebenen Flächen 8b, 9b befinden.

Mit Bezug auf die Fig. 2 und 5 hat die erste Nockenfläche 7A ein Paar von gekrümmten Oberflächen 7b₁ und ein Paar von ebenen Oberflächen 7a₁. Jede der gekrümmten Flächen 7b₁ ist ein Teil eines gedachten bzw. Phantomzylinders, dessen Achse senkrecht zu der und die Achse der Drehwelle 3 durchschneidend angeordnet ist. Die ebenen Oberflächen 7a₁ sind derart ausgebildet, daß sie fließend in die gekrümmten Kurven 7b₁ übergehen. Die gedachten geraden Linien K₁ repräsentieren die Schnittlinien zwischen den Flächen 7a₁, 7b₁. Die beiden Linien K₁ kreuzen in senkrechter Weise die zylindrische Fläche C₀ in vier Punkten P₁, P₂, P₃, P₄. Folglich wird die Bewegungskurvenlinie F₁ von 7A in vier Abschnitte mit gleichen Intervallen von 90° entlang der Nockenoberfläche 7A unterteilt. Die ebene Fläche 7a₁ ist in einem Winkel von 45° zu der Achse L₀ der Drehwelle 3 geneigt. Ein Normalvektor m₁ zur ebenen Fläche 7a₁ ist von der Achse L₀ weg rückwärts in den Kompressor gerichtet (zur rechten Seite gemäß der Fig. 1). Ein Normalenvektor n₁ zu der gekrümmten Fläche 7b₁ ist parallel zu der Achse L₀ ausgerichtet und weist vorwärts (zur linken Seite gemäß der Fig. 1).

Die zweite Nockenfläche 7B hat ein Paar gekrümmte Flächen 7b₂ sowie ein Paar ebene Flächen 7a₂. Jeder der gekrümmten Flächen 7b₂ ist ein Teil eines imaginären Zylinders, dessen Achse senkrecht zu der und die Achse der Drehwelle 3 durchschneidend ausgerichtet ist. Die ebenen Flächen 7a₂ sind derart ausgebildet, daß sie fließend in die gekrümmten Flächen 7b₂ übergehen. Die gedachten geraden Linien K₂ repräsentieren die Schnittlinien zwischen den Flächen 7a₂, 7b₂. Die beiden Linien K₂ schneiden senkrecht die zylindrische Ebene C₀ in vier Punkten P₅, P₆, P₇, P₈. Dementsprechend wird die Bewegungskurvenlinie F₂ von 7B in vier Abschnitte in gleichen Intervallen von 90° entlang der Nockenfläche 7B unterteilt. Die ebene Fläche 7a₂ ist in einem Winkel von 45° zu der Achse L₀ der Drehwelle 3 geneigt. Ein Normalenvektor m₂ zur ebenen Fläche 7a₂ ist von der Achse L₀ weg nach vorne in den Kompressor gerichtet. Ein Normalenvektor n₂ zu der gekrümmten Fläche 7b₂ ist parallel zu der Achse L₀ rückwärts ausgerichtet.

Die Punkte P₁, P₂, P₃, P₄ auf der ersten Nockenfläche 7A sind jeweils axial mit den Punkten P₅, P₆, P₇, P₈ auf der zweiten Nockenfläche 7B ausgerichtet. Jeder ebene Fläche 7a₁ entspricht axial einer der gekrümmten Flächen 7b₂ an der gegenüberliegenden Seite des Nockenkörpers 7. In ähnlicher Weise entspricht jede gekrümmte Fläche 7b₁ axial eine der ebenen Flächen 7a₂ auf der gegenüberliegenden Seite des Nockenkörpers 7. Auf der ebenen Fläche 7a₁ der ersten Nockenfläche 7A sind zwei untere Punkte 7a₁₁ um 180° voneinander beabstandet. Auf den gekrümmten Flächen 7b₂ sind zwei hohe Punkte 7b₁₁ zwischen den beiden unteren Punkten 7a₁₁ vorgesehen. Auf den ebenen Flächen 7a₂ der zweiten Nockenfläche 7B sind zwei untere Punkte 7a₂₂ axial mit den hohen Punkten 7b₁₁ ausgerichtet. Auf der gekrümmten Fläche 7b₂ sind zwei hohe Punkte 7b₂₂ axial bezüglich der unteren Punkte 7a₁₁ ausgerichtet.

Eine Drehung des Nockenkörpers 7 bewirkt, daß die unteren Punkte 7a₁₁, 7a₂₂ die Kolbenköpfe 60a, 60b jeweils zu deren unteren Totpunkten innerhalb der Zylinderbohrungen 1a, 2a bewegen. Die hohen Punkte 7b₁₁, 7b₂₂ bewegen die jeweiligen Kolbenköpfe 60a, 60b zu deren oberen Totpunkten innerhalb der Zylinderbohrungen 1a, 2a.

Eine vollständige Drehung des Nockenkörpers 7 mit den Nockenflächen 7A, 7B resultiert in zwei Hin- und Herbewegungszyklen des Kolbens 6 basierend auf den jeweiligen Bewegungskurven F₁, F₂. Die Bewegung des Kolbens 6 verursacht, daß ein Kühlgas innerhalb einer Ansaugkammer 10 in die Zylinderbohrungen 1a, 2a über ein Ansaugventil 11 und einen Ansauganschluß 12 gezogen wird. Die weitere Bewegung des Kolbens 6 verdrängt das Kühlgas innerhalb der Zylinderbohrungen 1a, 2a von einem Auslaßanschluß 14 und einem Auslaßventil 13 aus in eine Auslaßkammer 15.

Ein konstanter Abstand zwischen den Mittelpunkten Q₁, Q₂ der beiden kugelförmigen Oberflächen 8a, 9a ist notwendiger Weise aufrecht zu erhalten, um den Kolben 6 glatt hin- und her zu bewegen, d. h., daß ein konstanter axialer Abstand zwischen den Bewegungskurven F₁, F₂ beibehalten werden muß. Der Nockenkörper 7 erfüllt dieses Erfordernis, welches in nachfolgenden als Erfordernis (J) bezeichnet wird. Faktoren, die zur Erfüllung des Erfordernisses (J) notwendig sind, werden im folgenden beschrieben. Mit Bezug auf die Fig. 5(a) entspricht eine y-Achse der Achse L₀, wobei eine z-Achse parallel zu der Achse der gekrümmten Fläche 7b₁ ausgerichtet ist und eine x-Achse parallel zu der Achse der gekrümmten Fläche 7b₂ ausgerichtet ist. Wie in der Fig. 5(b) gezeigt wird, ist ein Profil (P) der Nockenfläche 7A bestimmt durch die Örtlichkeit einer gekrümmten Linie L, die in eine Richtung entlang der z- Achse verschoben ist. Das Profil P wird umsäumt bzw. umriessen durch einen großen Kreis 7C₁ und einen kleinen Kreis 7C_S, die beide konzentrisch zu dem Zylinder C₀ sind, um die Nockenfläche 7A in einer Projektionsansicht (Fig. 2) auszubilden. Gemäß der vorliegenden Ausführungsbeispiel hat die gekrümmte Linie L zwei gerade Endlinien, die jeweils in einem Winkelbetrag/α/zur x- Achse geneigt sind und durch einen Bogen miteinander verbunden sind. Die geraden Linien S bilden die ebenen Flächen 7a₁, wobei der zwischen diesen sich ausbildende Bogen, der ein Teil eines imaginären Kreises I darstellt, die gekrümmten Flächen 7b₂ bildet. In ähnlicher Weise bildet eine Örtlichkeit einer identischen gekrümmten Linie, wenn sie entlang der x-Achse verschoben ist, ein Profil der gegenüberliegenden Nockenfläche 7B.

Die Fig. 5(a) zeigt den Nockenkörper 7 in dem xyz- Koordinatensystem für ein besseres Verständnis. Die Fig. 6 zeigt ein Diagramm, welches die Verschiebung des Schuhs 8 unter Verwendung des xy-Koordinatensystems repräsentiert. Die Verschiebung des Schuhs 8 wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 5(a) und 6 beschrieben.

Ein Verschiebungsbetrag y des Schuhs 8 während der Bewegung des Mittelpunkts Q₁ entlang der Bewegungskurve F₁ wird durch die Formel (1) repräsentiert.

y = y₁ + Rbp - tan α - cos Θ (1)

Gemäß der Fig. 6 ist y₁ ein Schnittpunkt der Ebene 7a₁ mit der y-Achse. Alpha (α) ist ein Winkel der Ebene 7a₁ bezüglich der x-Achse. Theta (Θ) ist ein Rotationswinkel des Nockenkörpers 7 um die y-Achse. Der Rotationswinkel Θ beträgt 0°, wenn der Kolbenkopf 60a sich in seinem oberen Totpunkt befindet. Rbp bezeichnet den Radius des Zylinders C₀.

Die Formel (1) ist indikativ für eine Kosinuskurve, welche die Bewegungskurve F₁ entlang der Ebene der Fläche 7a₁ repräsentiert (oder die Bewegungskurve F₂ entlang der Ebene 7a₂). Um daher das Erfordernis (J) zu erfüllen, muß die Bewegungskurve F₂ entlang der gekrümmten Fläche 7b₂ entsprechend der Ebene 7a₁, oder F₁ entlang 7b₁ indikativ für eine Kosinuskurve sein, welche durch die folgende Formel (2) repräsentiert wird, worin y (Θ) die Verschiebung des Schuhs 9 (oder 8) bezeichnet.

Y (Θ) = C₁ + C₂ · cos Θ (2)

C₁, C₂ sind Konstanten.

Die Formel (3) ist indikativ für einen Verschiebungsbetrag y (Θ) des Schuhs 9 entlang der Kurve F₂ (oder des Schuhs 8 entlang der Kurve F₁), wobei R_co1 den Krümmungsradius der gekrümmten Fläche 7b₂ (oder 7b₁) bezeichnet, wie in der Fig. 7 dargestellt wird. Jede Variable oder Konstante y (Θ), y₂ (Θ), Y₂, x (Θ), wird wie in der Fig. 7 gezeigt definiert.

y (Θ) = y₂ (Θ) - y₂ (3)

Die Formel (4) ist indikativ für y₂ (Θ).

y₂ (Θ) ² + x (Θ) ² = R_co1 ²
y₂ (Θ) = [R_co1 ² - x (Θ) ²] ^1/2
= [R_co1 ² - Rbp² · sin ² Θ] ^1/2 (4)

Die Formel (2) kann durch die folgende Formel (5) ersetzt werden.

y (Θ) = C₁ + C₂ - (1 - sin² Θ) ^1/2 (5)

Zur Erfüllung des Erfordernisses (J) können die Konstanten, welche die Formel (4) und die Formel (5) betreffen, aus der nachfolgenden Formel (6) erhalten werden.

R_co1 = Rbp = C₂ (6)

Aus diesem Grunde wird die Formel (7) aus den Formeln (1), (5), (6) hergeleitet.

Rbp = Rbp - tan α (7)
tan α = 1, α = 45°

Der Neigungswinkel der Ebene 7a₁ bezüglich der Achse L₀ beträgt 45° wie aus der Formel (7) hervorgeht, um daß vorstehend erwähnte Erfordernis (J) zu erfüllen.

Desweiteren ist es für die Elemente der gekrümmten Fläche 7b₂ notwendig, daß sie senkrecht zur Achse L₀ ausgerichtet sind und der Radius R_co1 gleich dem Radius Rbp der zylindrischen Fläche C₀ ist. Wenn die gleichen Bedingungen für die ebene Fläche 7a₂ und die gekrümmte Fläche 7b₁ erfüllt werden, wird das vorstehend erwähnte Erfordernis (J) wirksam.

Die Fig. 9 zeigt ein Diagramm, welches die Bewegungskurven F₁, F₂ zeigt, wann das Erfordernis (J) erfüllt ist. Eine Kurvenlinie D₁ ist indikativ für die Bewegungskurve F₁ auf der ebenen Fläche 7a₁. Eine gekurvte Linie E₁ ist indikativ für die Bewegungskurve F₁ auf der gekrümmten Fläche 7b₁. Eine gekurvte bzw. gekrümmte Linie D₂ ist indikativ für die Bewegungskurve F₂ auf der ebenen Fläche 7a₂. Eine gekurvte bzw. gekrümmte Linie E₂ ist indikativ für die Bewegungskurve F₂ auf der gekrümmten Fläche 7b₂. Die Phasen beider Bewegungskurvenlinien F₁, F₂ sind um π/2 beabstandet. Mit Bezug auf die Fig. 9 wird der axiale Abstand zwischen den Bewegungskurven F₁, F₂ entlang des gesamten Umfangs des neuen Nockenkörpers 7 konstant gehalten.

Wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt wird, erlaubt der Nockenkörpers 7, der das Erfordernis (J) erfüllt, den ebenen Flächen 8b, 9b der Schuhe 8 und 9 sowie den ebenen Flächen 7a₂, 7b₂ sich in ebenem Kontakt zu befinden. Der Nockenkörper 7 ermöglicht den Flächen 8b, 9b und den Flächen 7b₁, 7b₂ sich in einem Linienkontakt zu befinden. Die Fig. 4 ist eine Draufsicht des Nockenkörpers 7, der um 90° bezüglich der Platte gemäß der Fig. 3 gedreht ist. Der vorstehend genannte ebene bzw. flächige Kontakt minimiert die hertz′sche Kontaktpressung zwischen den Schuhen 8, 9 und dem Nockenkörper 7. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel gleiten die Schuhe 8, 9 auf den ebenen Flächen 7a₁ bzw. 7a₂ bei ungefähr einer halben Umdrehung des Nockenkörpers 7.

Aus diesem Grunde wird der hertz′sche Kontaktdruck in der Zeit, in welcher der Kompressor in Betrieb ist auf die Hälfte minimiert. Dies schafft für die Schuhe 8, 9 und den Nockenkörper 7 einen Widerstand gegen Abnutzung. Dementsprechend wird die Haltbarkeit des Kompressors verbessert.

Die Fig. 8 zeigt die imaginäre zylindrische Fläche C₀, welche die gekrümmte Fläche 7b₁ durchschneidet. Wenn die zylindrische Fläche C₀ senkrecht die gekrümmte Fläche 7b₁ schneidet, bildet sich eine Schnittkurve F zwischen der zylindrischen Fläche C₀ und der gekrümmten Fläche 7b₁ auf einer Ebene, die um einen Winkel α von 45° bezüglich der Achse L₀ geneigt ist. Die Kurve F ist indikativ für ein Oval, welches durch die nächste Formel (8) repräsentiert wird.

x²/cos² α + y² = Rbp² (8)

Eine Schnittlinie zwischen der zylindrischen Fläche C₀ und der gekrümmten Fläche 7b₂ wird auch durch die gleiche Formel definiert. Die Bewegungskurvenlinien F₁, F₂ und Teile der Schnittkurve F sind deckungsgleich.

In dem Kompressor gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel haben die Nockenflächen 7A, 7B die konvexe Fläche, die 90° aus der Phase voneinander sind, was in einer verbesserten Festigkeit im Vergleich zu der konventionellen Platte resultiert, welche den Kolben betätigt.

Die vorliegende Erfindung ist natürlich nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel. Beispielsweise kann mit Bezug auf die Fig. 10 auch eine andere Konstruktion eines Nockenkörpers 16 verwendet werden. Diese Platte 16 hat Nockenflächen 16A, 16B, die jeweils ebene Flächen 16a₁, 16a₂, sowie gekrümmte Flächen 16b₁, 16b₂ aufweisen. Normalvektoren m₃, m₄, welche die Kraft der Schuhe 8A, 9A auf die ebenen Flächen 16a₁, 16a₂ repräsentieren, sind in Richtung zur Achse L₀ der Nockenflächen 16A, 16B gerichtet. Normalvektoren n₃, n₄, welche die Kraft der Schuhe 8A, 9A auf die gekrümmten Flächen 16b₁, 16b₂ repräsentieren, sind parallel zu der Achse L₀ gerichtet. Die Fläche 16B des Nockenkörpers 16 kann mit Bezug auf die Fig. 5(b) ausgebildet sein. Ein Profil P welches der Fläche 16B entspricht, wird durch die Örtlichkeit einer gekrümmten Linie L definiert, die in eine Richtung entlang der z-Achse in der Fig. 5(b) versetzt ist, oder in einer Richtung, senkrecht zur Blattebene gemäß der Fig. 10. Ein Paar gerader Linien S, wie sie in der Fig. 5(b) gezeigt werden, definieren die ebenen Flächen 16a₂, wobei ein dazwischen sich ausbildendes Bogen, der auch ein Teil des Kreises I ist, die Fläche 16A definiert, wenn die Linie L in eine Richtung parallel zur Blattebene in Fig. 10 versetzt wird. Folglich unterscheidet sich die Platte 16 von dem Nockenkörper 7 darin, daß die gekrümmten Flächen an den unteren Punkten einer jeden Fläche angeordnet sind, wobei die ebenen Flächen an den hohen Punkten einer jeden Fläche angeordnet sind. In diesem Falle wird das Erfordernis (J), welches in dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel genannt wurde, erfüllt. Die Schuhe 8a, 9a haben kugelförmige Flächen 8a, 9a und gekrümmte Flächen 8C, 9C. Die gekrümmten, bzw. gekurvten Flächen 8c, 9c und die ebenen Flächen 16b₁, 16b₂ werden jeweils in einem ebenen bzw. flächigen Kontakt gehalten. Die gekrümmten Flächen 8c, 9c und die ebenen Flächen 16a₁, 16a₂ werden in einem Linienkontakt gehalten.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel werden die gekrümmten Kurven 16b₁, 16b₂ und die gekrümmten Flächen 8c, 9c jeweils in einem ebenen bzw. flächigen Kontakt für ungefähr eine Hälfte der Drehung der Platte 16 gehalten. Dementsprechend wird der hertz′sche Kontaktdruck um die Hälfte minimiert, für die Zeit, in welcher der Kompressor in Betrieb ist.

Dies resultiert in einer verbesserten Haltbarkeit.

Die vorliegende Erfindung kann auch durch einen Nockenkörper 17 ausgeführt werden, wie er in der Fig. 11 (a) gezeigt ist, worin Nockenflächen 17a, 17b ebene Flächen 17a₁, 17a₂ sowie elliptisch gekrümmte Flächen 17b₁, 17b₂ aufweisen. Die Fig. 11(b) zeigt die zylindrische Fläche C₀, wie sie die ovalen gekrümmten Flächen schneidet. Wenn die zylindrische Fläche C₀ senkrecht die oval gekrümmten Flächen 17b₁, 17b₂ schneidet, bildet sich eine Schnittkurve G zwischen der Fläche C₀ und den Flächen 17b₁, 17b₂ auf eine Ebene aus, die um einen Winkel α < 45° oder 45° < α geneigt ist. Diese Schnittlinie bildet ein Oval. Die Bewegungskurven F₁, F₂ auf den Nockenflächen 17a, 17b und Teile der Schnittkurve G sind deckungsgleich. Die Fläche des Schuhs, welche auf den Nockenkörper 17 gleitet, ist eben.

Desweiteren ist es in der vorliegenden Erfindung möglich, einen Nockenkörper zu verwenden, in welchem ebene Flächen 17a₁, 17a₂ Normalvektoren haben, die in Richtung zur Achse L₀ ausgerichtet sind. Die Gleitflächen von Schuhen für diese Platte sind gekrümmt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung hat jede Nockenfläche 7a, 7b eine zweidimensional gekrümmte Fläche, die einer Örtlichkeit einer vorbestimmten glatten Kurve von finiter Länge angepaßt ist, die in einer gegebenen Ebene liegt und sich in eine Richtung senkrecht zu der Ebene bewegt. Dies ermöglicht, daß der Herstellungsprozeß für den Nockenkörper vereinfacht wird im Vergleich zu dem konventionellen Herstellungsprozeß der dreidimensionalen Nockenfläche.

Die Erfindung schlägt einen Kompressor der Wellennockenart vor. Der Kompressor hat einen Wellennockenkörper, der auf eine Drehwelle für eine integrale Drehung montiert ist, sowie Kolben, die über Schuhe mit dem Nockenkörper in Wirkeingriff sind. Die Schuhe sind relativ zum Nockenkörper entsprechend der Drehung des Nockenkörpers bewegbar. Die Schuhe bewegen sich auf vorbestimmten Pfaden und auf den Nockenflächen des Nockenkörpers. Die Drehung der Drehwelle wird in einer Hin- und Herbewegung der Kolben zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt in Zylinderbohrungen: konvertiert, um Fluid zu komprimieren, welches in die Zylinderbohrungen gefördert ist. Jede Nockenfläche hat ein Profil, welches einer Örtlichkeit einer vorbestimmten glatten Kurve angepaßt ist, die in einer gegebenen Ebene liegt und in die Richtung senkrecht zu dieser Ebene gerückt ist, wobei ein erster Abschnitt mit der Nockenfläche versehen ist, um den Kolben zu dem unteren Totpunkt hin zu verschieben, und ein zweiter Abschnitt mit der Nockenfläche versehen ist, um den Kolben zu dem oberen Totpunkt zu verschieben. Der zweite Abschnitt hat dabei eine größere Krümmung als der erste Abschnitt.

Claims (15)

1. Kompressor der Wellennockenart mit einem Wellennockenkörper, der zumindest eine Nockenfläche aufweist, wobei der Körper auf eine Drehwelle für eine integrale Rotation montiert ist, wobei der Kompressor zumindest einen Kolben und zumindest eine Zylinderbohrung hat, wobei der Kolben mit dem Nockenkörper über einen Nockenmitnehmer in Wirkkontakt bringbar ist, der relativ zum Nockenkörper bewegbar ist, wobei der Nockenmitnehmer einem vorbestimmten Pfad auf der Nockenoberfläche des Nockenkörpers folgt, und wobei die Drehung der Drehwelle in eine Hin- und Herbewegung des Kolbens zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt in einer Zylinderbohrung konvertiert wird, um in die Zylinderbohrung gefördertes Fluid zu komprimieren, wobei der Kompressor dadurch gekennzeichnet ist, daß die Nockenfläche ein Profil hat, welches eine Örtlichkeit einer vorbestimmten glatten Kurve von finiter Länge angepaßt ist, die in einer gegebenen Ebene liegt und in die Richtung senkrecht zur Ebene gerückt ist, wobei ein erster Abschnitt vorgesehen ist, der mit der Nockenfläche versehen ist, um den Kolben zu dem unteren Totpunkt zu bewegen und ein zweiter Abschnitt vorgesehen ist, der mit der Nockenfläche versehen ist, um den Kolben zu dem oberen Totpunkt zu bewegen, wobei der zweite Abschnitt eine größere Krümmung hat als der erste Abschnitt.

2. Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nockenfläche eine ebene Fläche mit dem ersten Abschnitt und eine gekrümmte Fläche mit dem zweiten Abschnitt hat.

3. Kompressor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gekrümmte Fläche einen Teil einer Fläche eines imaginären Zylinders umfaßt.

4. Kompressor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Nockenmitnehmer einen Schuh hat, der eine ebene Fläche, die gleitfähig die Nockenfläche berührt, sowie eine kugelförmige Fläche für das gleitförmige Berühren mit dem Kolben aufweist.

5. Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nockenfläche eine gekrümmte Fläche mit dem ersten Abschnitt, sowie eine ebene Fläche mit dem zweiten Abschnitt aufweist.

6. Kompressor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schuh eine ebene Fläche für den Gleitkontakt mit der Nockenfläche, sowie eine kugelförmige Fläche für den Gleitkontakt mit dem Kolben hat.

7. Kompressor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben ein paar von gegenüber liegenden Kolbenköpfen hat, wobei der Nockenkörper ein Paar von Nockenflächen an gegenüberliegenden Seiten aufweist, die den jeweils zugehörigen Kolbenkopf über den Nockenmitnehmer berührt.

8. Kompressor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Nockenflächen identische Profile zeigen.

9. Kompressor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Nockenflächenprofile um 90° phasenverschoben zueinander sind.

10. Kompressor nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Nockenfläche zwei erste Abschnitte hat, die um 180° in Drehrichtung voneinander beabstandet sind, sowie zwei zweite Abschnitte hat, die um 180° in Drehrichtung voneinander beabstandet sind, wobei der erste Abschnitt um 90° vom nächsten zweiten Abschnitt beabstandet ist.

11. Kompressor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Abschnitte derart ausgebildet sind, daß sie entweder eine ebene Fläche oder eine gekrümmte Fläche annehmen und daß die zweiten Abschnitte derart ausgebildet sind, daß sie entweder die ebene Fläche oder die gekrümmte Fläche annehmen.

12. Kompressor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderbohrung eine Achse hat, die sich entlang einer Fläche eines imaginären Zylinders erstreckt, dessen Mittelachse die Achse der Drehwelle ist, wobei der vorbestimmte Pfad auf dem imaginären Zylinder liegt.

13. Kompressor nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Schuhe eine halbkugelige Form hat, wobei eine erste Schuhfläche gleitfähig den Kolben berührt und eine zweite Schuhfläche gleitfähig die zugehörigen Nockenfläche berührt.

14. Kompressor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schuhfläche derart ausgebildet ist, daß sie entweder eine ebene Fläche oder eine gekrümmte Fläche annimmt und, daß die zweite Schuhfläche so ausgeformt ist, daß sie die andere der ebenen Fläche oder der gekrümmten Fläche annimmt.

15. Kompressor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Nockenflächen den zugehörigen Kolbenkopf über den Schuh berührt und, daß die zwei Schuhe Mittelpunkte haben, die um einen gleichen Axialabstand entlang ihrer jeweiligen Pfade beabstandet sind.